[論文レビュー] Design of nanoparticles for generation and stabilization of CO2-in-brine foams with or without added surfactants

Andrew J. Worthen, Shehab Alzobaidi+10 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Pickering emulsions and particle stabilization参考文献 60被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、低分子量リガンドで機能化されたシリカナノ粒子（NPs）— 特にGLYMOおよび短いPEGオリゴマー（6–12エチレンオキサイド（EO）ユニット）— が、塩濃度の高い環境（例：API brine、8% NaCl + 2% CaCl2）において、界面活性剤を添加してもしなくても、CO2-イン・ブラインフォームを効果的に生成および安定化することを示している。主な貢献は、水中CO2とブラインの界面に最適な親水性／CO2親和性バランスと界面活性を有するNPsの設計であり、地下CO2貯留およびエクストラクション・オイル回収に適した条件下で安定なフォーム形成を可能にしている。

ABSTRACT

Whereas many studies have examined stabilization of emulsions and foams in low salinity aqueous phases with nanoparticles (NPs) with and without added surfactants, interest has grown recently in much higher salinities relevant to subsurface oil and gas applications. It is shown for the first time that NPs grafted with well-defined low molecular weight ligands colloidally stable in concentrated brine (in particular, API brine, 8% NaCl + 2% CaCl2) and are interfacially active at the brine-air interface. These properties were achieved for three types of ligands: a nonionic diol called GLYMO and two short poly(ethylene glycol) (PEG) oligomers with 6-12 EO repeat units. Carbon dioxide-in-water (C/W) foams could be formed only with modified NPs with higher surface pressures at the A/W interface. Furthermore, these ligands were sufficiently CO2-philic that the hydrophilic/CO2-philic balance of silica NPs was low enough for stabilization of CO2-in-water (C/W) foam with API brine. Additionally, NPs with these three ligands formed stable dispersions with various free molecular surfactants in DI water and even API brine (8% NaCl + 2% CaCl2) at room temperature. A wide variety of mixtures of NPs plus anionic, nonionic, or cationic mixtures that formed stable dispersions were also found to stabilize C/W foams in porous media at high salinity. These results provide a basis for future studies of the mechanism of foam stabilization with NPs and NP/surfactant mixtures at high salinity.

研究の動機と目的

• 地下オイル・ガス貯留層に一般的に見られる高塩濃度環境で、CO2-イン・ブラインフォームを安定化できるナノ粒子（NPs）の開発を目的とする。
• 濃度の高いブライン（例：API brine）でコロイド的安定性を示し、ブライン-空気界面で界面活性を示すリガンドの種類を同定することを目的とする。
• CO2-イン・ウォーター系において、ナノ粒子によるフォーム安定化を可能にする親水性／CO2親和性バランスの役割を調査することを目的とする。
• ナノ粒子-界面活性剤混合系の、デイオン水および高塩濃度ブラインの両方におけるフォーム形成および安定性の相容性を評価することを目的とする。
• 高イオン強度下でのナノ粒子およびナノ粒子/界面活性剤混合系によるフォーム安定化のメカニズムを理解する基盤を確立することを目的とする。

提案手法

• GLYMO（非イオン性ジオール）および6–12エチレンオキサイド（EO）ユニットを有する2種類のPEGオリゴマーを用いた、3種類のリガンドで機能化されたシリカナノ粒子（NPs）の合成。
• 動的光散乱およびゼータ電位測定を用いて、濃度の高いブライン（8% NaCl + 2% CaCl2）におけるNPのコロイド的安定性の評価。
• 垂れ下がり滴テニオメトリーを用いて、ブライン-空気界面における界面張力および表面圧の測定を行い、界面活性の評価。
• 高塩濃度条件下でのCO2-イン・ウォーター（C/W）系を用いた、バルク液体および多孔質媒体におけるフォーム生成および安定性試験。
• アニオン性、非イオン性、カチオン性界面活性剤を用いた、デイオン水およびAPIブラインにおけるNP-界面活性剤混合系のスクリーニングを体系的に行い、安定分散およびフォーム安定化を示す組み合わせの同定。
• コアフラッシング実験を用いて、多孔質媒体におけるフォーム安定性を評価し、貯留層条件を模擬。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのリガンドで機能化されたナノ粒子が、凝集を伴わず高塩濃度ブライン（例：API brine）でコロイド的安定性を示すか？
• RQ2 ナノ粒子がブライン-空気界面で示す界面活性は、CO2-イン・ブラインフォーム形成にどのように寄与するか？
• RQ3 ナノ粒子の親水性／CO2親和性バランスは、高塩濃度環境下でのCO2-イン・ウォーター系フォームの安定化能力にどのように影響するか？
• RQ4 NP-界面活性剤混合系は、高塩濃度ブラインで安定分散を形成できるか、同時に多孔質媒体におけるCO2-イン・ウォーターフォームを安定化できるか？
• RQ5 ナノ粒子およびNP/界面活性剤系による効果的なフォーム安定化と相関する主な物理化学的パラメータ（例：表面圧、ゼータ電位、界面張力）は何か？

主な発見

• GLYMOおよびPEGオリゴマー（6–12 EOユニット）で修飾されたナノ粒子は、APIブライン（8% NaCl + 2% CaCl2）においてコロイド的安定性を示し、ゼータ電位の値から十分な静電的および立体的安定化が得られていることが示された。
• これらのリガンド修飾ナノ粒子は、ブライン-空気界面で顕著な界面活性を示し、CO2-イン・ウォーターフォームを安定化するのに十分な表面圧を示した。
• ブライン-空気界面で高い表面圧を示したナノ粒子のみが、高塩濃度条件下でCO2-イン・ウォーターフォームを実際に生成および安定化できた。
• リガンドのCO2親和性のおかげで、ナノ粒子の親水性／CO2親和性バランスが十分に低く抑えられ、CO2-イン・ウォーターフォームの効果的安定化が可能となった。
• 室温で、アニオン性、非イオン性、カチオン性のさまざまな遊離界面活性剤と組み合わせたナノ粒子において、デイオン水およびAPIブラインの両方で安定分散が得られた。
• 広範なNP-界面活性剤混合系が、高塩濃度ブラインで安定分散を形成し、多孔質媒体においてもCO2-イン・ウォーターフォームを効果的に安定化した。これは、エクストラクション・オイル回収およびCO2隔離応用における実用的応用可能性を示している。