SiO?纳米颗粒与表面活性剂协同作用以稳定乳液的机制：来自界面流变学性质的见解

《Journal of Molecular Liquids》：Mechanisms of SiO? nanoparticles cooperating with surfactants to stabilize emulsions: insights from interfacial rheological properties

研究纳米颗粒与表面活性剂协同稳定乳状液的机制，通过旋转滴界面扩展流变仪分析界面流变学特性，发现纳米颗粒增强表面活性剂的界面弹性模量和粘弹性模量，降低油水界面张力，宏观和微观实验证实该复合系统显著提高乳状液稳定性，为复杂储层提高采收率提供理论依据。

　　在石油开采过程中，提高采收率是保障国家能源安全的重要环节。随着传统水驱采油技术的广泛应用，其采收率往往难以达到理想水平，通常低于40%。因此，人们不断探索新的技术手段，以提升采收率。其中，表面活性剂驱油技术因其能够显著降低油水界面张力、促进原油乳化以及改善流体流动特性，成为提高采收率的关键方法之一。然而，传统表面活性剂在实际应用中仍面临诸多挑战，例如其在油藏岩石表面的不可逆吸附导致界面活性逐渐下降，以及形成的乳化体系动态黏弹性不足、油滴容易合并等问题。这些问题不仅影响了乳化体系的流动性控制，还加剧了异质油藏中黏性指进现象，从而降低了驱替效率。

为了克服传统表面活性剂体系的局限性，研究者们开始关注纳米颗粒与表面活性剂协同作用的复合体系。这类体系通过多尺度界面调控实现乳化体系的增强稳定，为复杂油藏的高效采油提供了新的思路。纳米颗粒，如二氧化硅（SiO?）、氧化锌和纤维素纳米晶等，因其在油水界面的自发吸附能力，能够形成致密且刚性的界面膜，从而赋予乳化体系更强的机械稳定性和抗合并能力。例如，Griffith等人利用纳米二氧化硅稳定的水-戊烷乳化体系，在 Boise 砂岩核心中成功提取了超过82%的残余油，显示出显著的驱油效果。然而，纳米颗粒单独使用时也存在一些问题，例如其表面润湿性对油藏条件（如pH值、离子强度）高度敏感，导致界面吸附效率波动。此外，纳米颗粒与原油组分（如沥青质和胶体）之间的相互作用可能引发竞争性界面吸附，导致纳米颗粒在液相中聚集，降低乳化性能。

为了进一步提升乳化体系的稳定性，研究者提出了纳米颗粒-表面活性剂复合体系的概念。这种体系通过协同作用，实现了更优的界面调控效果。表面活性剂分子首先降低油水界面张力，为乳化过程提供动力；同时，纳米颗粒通过静电相互作用和疏水性修饰，增强了其表面电荷和润湿性，从而提高了界面吸附能力。纳米颗粒在界面处形成的刚性屏障能够有效抑制油滴合并，而表面活性剂的吸附层则通过空间位阻效应增强了界面膜的稳定性。因此，这种复合体系在乳化稳定性方面显著优于单一组分体系。

在研究纳米颗粒与表面活性剂协同作用的机制时，界面流变学成为关键工具。界面流变学可以定量描述界面膜的力学特性，特别是弹性模量（E'）和黏性模量（E"），这些参数反映了界面膜的强度和动态行为。研究表明，当弹性模量超过临界值（如10 mN/m）时，乳化体系的抗合并能力会呈指数级增长。因此，界面流变学参数的测定对于理解乳化体系的稳定性具有重要意义。同时，表面活性剂的亲水-疏水平衡（HLD）值也是影响其性能的重要参数，它决定了表面活性剂在界面处的排列方式和吸附行为。

本研究采用旋转滴界面扩张流变仪，对纯表面活性剂溶液和纳米二氧化硅-表面活性剂复合体系的油水界面张力（IFT）和界面流变特性进行了系统分析。实验结果显示，在0.01–0.1 Hz的频率范围内，界面黏弹性与频率之间呈现近似线性关系。动态流变测量进一步表明，界面弹性模量（E'）和黏性模量（E"）随时间迅速上升，并逐渐达到动态平衡。与此同时，油水界面张力也呈现下降趋势，最终趋于稳定。E'、E"和IFT均在相近的时间内达到平衡状态，这表明界面膜的形成和稳定是一个动态过程，涉及表面活性剂分子的吸附和纳米颗粒的界面沉积。

实验还发现，随着表面活性剂浓度的增加，E'、E"和IFT均先下降后趋于平稳。这一现象表明，表面活性剂在界面处的吸附达到饱和后，其对界面膜的强化作用不再显著。相比之下，纳米颗粒单独使用时，并未表现出对油水界面张力的明显降低，但在将其与表面活性剂（如AES）复合使用时，能够实现一定程度的界面张力降低，同时显著增强界面膜的弹性模量。这一结果提示，纳米颗粒与表面活性剂的协同作用不仅体现在界面张力的调控上，还在于界面膜力学性能的提升。

在宏观乳化实验中，研究发现乳化稳定性随纳米颗粒浓度的变化呈现出先升高后下降的趋势，其中0.02 wt% SiO?与0.05 wt% AES的复合体系表现出最佳的乳化稳定性。这一现象表明，纳米颗粒的浓度并非越高越好，而是存在一个最佳范围，以确保界面膜的形成和乳化体系的稳定性。此外，显微图像分析进一步验证了这一结论，显示该复合体系能够生成更小的乳化油滴，并且这些油滴具有更强的抗合并能力。这表明，纳米颗粒与表面活性剂的协同作用能够有效调控乳化体系的微观结构，从而提升其宏观稳定性。

本研究的实验结果不仅揭示了纳米二氧化硅与表面活性剂协同作用的机制，还为复杂油藏中乳化体系的优化提供了理论依据。通过界面流变学和宏观乳化实验的结合，研究者能够更全面地理解纳米颗粒与表面活性剂之间的相互作用，以及这些相互作用如何影响乳化体系的稳定性。同时，显微观察技术的应用，使得研究者能够直观地分析乳化体系的微观结构变化，为界面膜的形成和强化提供了可视化支持。

综上所述，纳米颗粒-表面活性剂复合体系在提高乳化体系稳定性方面展现出显著优势。通过调节纳米颗粒的浓度和表面活性剂的类型，研究者可以优化界面膜的力学性能，从而实现更高效的油水乳化。此外，界面流变学参数的测定为乳化体系的动态行为提供了定量依据，有助于深入理解界面膜的形成机制和稳定性控制策略。这些发现不仅为提高采收率提供了新的技术路径，也为未来在复杂油藏环境中应用此类复合体系奠定了坚实的理论基础。