[논문 리뷰] Design of nanoparticles for generation and stabilization of CO2-in-brine foams with or without added surfactants

Andrew J. Worthen, Shehab Alzobaidi외 10명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 27.

Pickering emulsions and particle stabilization참고 문헌 60인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 고염도 환경(예: API 브라인, 8% NaCl + 2% CaCl₂)에서 표면활성제를 추가하지 않은 상태에서도, 저분자량 리간드로 기능화된 실리카 나노입자(NPs)가 CO₂-브라인 foams를 효과적으로 생성하고 안정화함을 입증한다. 구체적으로 GLYMO와 짧은 PEG 올리고머(6–12 에틸렌 옥사이드 단위)를 사용하였다. 주요 기여는 고염도 하에서의 표면 안정성과 CO₂-브라인 인터페이스에서의 상호작용을 극대화한 NPs의 설계로, 이는 지하 CO₂ 저장 및 오일 리커버리에 적합한 조건에서 안정된 거품 형성을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 지하 오일 및 가스 저류층에서 흔히 볼 수 있는 고염도 환경에서 CO₂-브라인 거품을 안정화할 수 있는 나노입자(NPs)를 개발하기 위해.
• 농축 브라인(예: API 브라인)에서 콜로이드 안정성을 부여하고 브라인-공기 인터페이스에서의 표면 활성을 갖는 리간드 유형을 규명하기 위해.
• CO₂-물 시스템에서 NPs를 이용한 거품 안정화에 기여하는 수용성/CO₂ 친화성 균형의 역할을 조사하기 위해.
• 디온화수 및 고염도 브라인에서 NP-표면활성제 혼합물의 거품 형성 및 안정성에 대한 호환성을 평가하기 위해.
• 고 이온 강도 조건에서 NPs 및 NP/표면활성제 혼합물이 거품을 안정화하는 메커니즘을 이해하는 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• GLYMO(비이온성 다이올)와 6–12 에틸렌 옥사이드(EO) 단위를 가진 두 가지 PEG 올리고머를 이용한 실리카 나노입자(NPs)의 합성.
• 동적 빛산산도 및 제타 전위 측정을 통한 농축 브라인(8% NaCl + 2% CaCl₂)에서의 NP 콜로이드 안정성 특성 분석.
• 매달린 drop 테이니오메트리 기법을 이용한 브라인-공기 인터페이스에서의 표면장력 및 표면압 측정을 통한 표면 활성도 평가.
• 고염도 조건에서 CO₂-물(C/W) 시스템을 이용한 대체 액체 및 다孔성 매질에서의 거품 생성 및 안정성 시험.
• 이온성, 비이온성, 양이온성 표면활성제를 포함한 NP-표면활성제 혼합물의 체계적 필터링을 수행하여, 디온화수 및 API 브라인에서 안정한 분산 및 거품 안정화 조합을 규명하기 위해.
• 저류 조건을 시뮬레이션하기 위해 코어 플로우 실험을 이용한 다공성 매질에서의 거품 안정성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 리간드 기능화 나노입자가 응집 없이 고염도 브라인(예: API 브라인)에서 콜로이드 안정성을 유지하는가?
• RQ2 브라인-공기 인터페이스에서의 표면 활성도가 NPs를 이용한 CO₂-브라인 거품 형성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 NPs의 수용성/CO₂ 친화성 균형이 고염도 조건에서 CO₂-물 거품 안정화 능력에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 NP-표면활성제 혼합물은 고염도 브라인에서 안정한 분산을 형성할 수 있으며, 동시에 다공성 매질에서 CO₂-물 거품을 안정화할 수 있는가?
• RQ5 NPs 및 NP/표면활성제 시스템의 효과적 거품 안정화와 관련된 주요 물리화학적 매개변수(예: 표면압, 제타 전위, 표면장력)는 무엇인가?

주요 결과

• GLYMO와 PEG 올리고머(6–12 EO 단위)로 기능화된 나노입자는 API 브라인(8% NaCl + 2% CaCl₂)에서도 콜로이드 안정성을 유지하였으며, 제타 전위 값으로부터 충분한 전기적 및 스테릭 안정성이 확보됨을 확인하였다.
• 이 리간드 기능화 NPs는 브라인-공기 인터페이스에서 뚜렷한 표면 활성을 나타내었으며, CO₂-물 거품의 안정화에 충분한 표면압을 제공하였다.
• 브라인-공기 인터페이스에서 높은 표면압을 가지는 NPs만이 고염도 조건에서 CO₂-물 거품을 성공적으로 생성하고 안정화하였다.
• 리간드의 CO₂-친화성 특성으로 인해 NPs의 수용성/CO₂-친화성 균형이 충분히 낮아져, CO₂-물 거품의 효과적인 안정화가 가능하였다.
• 다양한 자유 분자 표면활성제(이온성, 비이온성, 양이온성)를 포함한 NPs는 실온에서 디온화수 및 API 브라인 모두에서 안정한 분산을 형성하였다.
• 넓은 범위의 NP-표면활성제 혼합물이 고염도 조건에서 안정한 분산을 형성하였으며, 다공성 매질에서 CO₂-물 거품을 효과적으로 안정화함을 확인하여, 오일 리커버리 및 CO₂ 격리 응용 분야에서의 실용성을 입증하였다.