De innovatieve oppervlakteactieve theorie van een Rice University-groep heft de beperkingen op van een 100 jaar oud model voor grensvlakgedrag bij verbeterde oliewinning.

Het laboratorium van Rice chemisch ingenieur Walter Chapman heeft een versleten model aangepast om oppervlakteactieve stoffen bevattende vloeistoffen te analyseren die in putten worden gepompt om zoveel mogelijk olie uit rotsen diep onder de grond te halen.

Om de modelleringstaak te volbrengen, was een verschuiving in het denken nodig voor het laboratorium dat geavanceerde wiskundige modellen gebruikt om te analyseren hoe vloeistoffen met elkaar omgaan en de structuren die ze bevatten. De onderzoekers gebruikten een standaard thermodynamische modelleringsmethode die bekend staat als dichtheidsgradiënttheorie (DGT), die is gebruikt om de grensvlakeigenschappen van zuivere en gemengde systemen te voorspellen. Ze hebben het DGT-model aangepast om oppervlakteactieve moleculen die in werkelijkheid veel complexer zijn dan eerdere modellen toestonden, beter te karakteriseren.

Dat zou producenten kunnen helpen om nog meer olie uit bronnen te persen die anders als uitgespeeld zouden worden beschouwd.

Het werk onder leiding van Chapman en Rice afgestudeerde student Xiaoqun Mu verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Onderzoek naar industriële en technische chemie .

De moleculen in oppervlakteactieve stoffen hebben hydrofiele (wateraantrekkende) en hydrofobe (watervermijdende) delen. Zeep is een soort oppervlakteactieve stof die is ontworpen om verontreinigingen van de huid of stof te scheiden en ze door water te laten meevoeren. Oppervlakteactieve stoffen werken vrijwel op dezelfde manier in putten, waar ze de oppervlaktespanning tussen gesteente verminderen, water en olie, het vrijgeven van de olie die naar de oppervlakte moet worden gepompt.

Olieproducenten willen graag weten hoe een oppervlakteactieve stof zal reageren zodra deze een rijke formatie heeft bereikt. Omdat experimentele metingen duur en tijdrovend zijn, er zijn veel modellen ontwikkeld om de effecten van oppervlakteactieve stoffen te voorspellen. Tot nu, de DGT-formules die worden gebruikt om die reacties te voorspellen, hebben oppervlakteactieve moleculen als een enkel punt behandeld in plaats van de complexe ketens die ze in werkelijkheid zijn.

"Dat is een beperking in de modellen, "Zei Chapman. "Het DGT-model heeft nooit het vermogen gehad om te beschrijven hoe vloeistofeigenschappen worden beïnvloed door de vorm van het molecuul."

Mu liet zich inspireren door Rice-collega's die computationele modellen bouwden met dichtheidsfunctionaaltheorie, die wordt gebruikt om de structuren van atomaire en moleculaire systemen te analyseren.

"Ik gebruik DGT sinds het eerste jaar van mijn Ph.D., dus ik had een vrij uitgebreid begrip van de voor- en nadelen van het model. De aard ervan weerhield ons ervan het toe te passen op moleculen met amfifiele (oppervlakteactieve) ketenstructuren, " zei hij. "Maar het model is eenvoudig vergeleken met andere, en we zagen het potentieel om het uit te breiden om oppervlakteactieve stoffen te verwerken.

"Geïnspireerd door het werk van onze groep op het gebied van dichtheidsfunctionaaltheorie, we hebben het idee gecreëerd dat het oppervlakteactieve molecuul in DGT kan worden gemodelleerd door een hydrofiele kopgroep te verbinden met een hydrofobe staartgroep, " zei Mu. "Met de hulp van verschillende collega's, we hebben een eenvoudige manier ontwikkeld om deze ketenvormingsterm toe te voegen aan de dichtheidsgradiënttheorie."

Rekening houden met de verfijning van de oppervlakteactieve stof is niet genoeg; het model moet ook temperatuur, druk, samenstelling en andere omstandigheden in de put. Wanneer gecombineerd, het bevat meer van de fysica die tussen alle moleculen speelt en geeft ingenieurs een beter idee van het juiste mengsel om te injecteren.

Omdat oppervlakteactieve stoffen deel uitmaken van zoveel industriële producten, zoals detergenten en dispergeermiddelen, Chapman zei dat de modelleringstechniek een brede toepassing zou kunnen hebben. "We willen dat onze theorie over dichtheidsgradiënten eenvoudig genoeg is zodat mensen er gebruik van kunnen maken, " zei hij. "DGT zou een snellere berekening moeten zijn."

Daartoe, Mu zei dat niets werd weerhouden van de publicatie. "We hebben een zeer gedetailleerde bijlage bijgevoegd, " zei hij. "We leggen 100 procent uit hoe we dit model hebben afgeleid en toegepast, zodat mensen het kunnen implementeren of verder kunnen verbeteren."