التحليل المقارن لامتصاص الدمّات الطبيعية والصناعية على معادن الكوارتز: دراسة تجريبية

لماذا يهم هذا في طاقة اليوميّة

لا يزال جزء كبير من نفط العالم محتجزًا تحت الأرض، حتى بعد التقنيات الحديثة للحفر والضخ. إحدى الطرق الواعدة لاستخلاص المزيد من هذا النفط هي استخدام جزيئات شبيهة بالصابون تسمى الدمّات السطحيّة التي تساعد على امتزاج الزيت والماء. لكن إذا التصقت هذه الدمّات بالقوة بالصيغة الصخرية بدل الوصول إلى حدود الزيت والماء حيث تُحتاج، تصبح العملية مضيعة ومكلفة. تقارن هذه الدراسة كيف تتصرف دمّتان: دمّة صناعية شائعة وبديل نباتي على رمال حجرية غنية بالكوارتز، الصخر الذي يحتوي على العديد من خزانات النفط، لمعرفة ما إذا كانت الخيارات الأكثر صداقة للبيئة قابلة للمنافسة عمليًا.

المساعدون الشبيهون بالصابون في حقول النفط

تعمل الدمّات بطريقة تشبه سائل غسل الصحون في مقلاة دهنية: تخفّض التوتر بين الزيت والماء ليسمح للقطرات المحبوسة بالتحرّك. في عمليات زيادة استخلاص النفط، يُدفع ماء مخلوط بالدمّة عبر الصخر ليتخلص من مزيد من النفط. مع ذلك، يمكن لأسطح المعادن في الخزان أن «تسرق» جزيئات الدمّة عن طريق امتصاصها، مما يقلّل الكمية المتبقية في الماء المتدفق. ركّز المؤلفون على الكوارتز، المكوّن الرئيسي للرمال الحجرية، ودَرَسوا دمّتين. الأولى هي لوريل سلفات الصوديوم (SDS)، عامل تنظيف صناعي مستخدم على نطاق واسع. الثانية مستخلص من أوراق شجرة Ziziphus spina-christi (ZSC)، غني بمركبات طبيعية شبيهة بالصابون تُدعى سابونينات. تتميز ZSC بكونها رخيصة ومتوفرة محليًا في مناطق عديدة وأكثر ودّية للبيئة.

كيف اختُبر الصخر والدمّات

أعدّ الفريق أولاً مسحوق الكوارتز من الرمال الحجرية، غاسلين ومَنخِلين ومُجففين بعناية لإزالة الطينات والمعادن الأخرى حتى يُقاس سلوك الكوارتز وحده. حدّدوا مساحة السطح والمسام وتبين أن سطح الكوارتز يحمل شحنة كهربائية سالبة في الماء. خُلطت محاليل SDS وZSC بتركيزات مختلفة مع الكوارتز. بعد خلط وفترات سكون مسيطر عليها، فُصِل السائل وحُلّل. أظهرت قياسات الموصلية الكهربائية والقياسات بالطيف فوق البنفسجي–المرئي مقدار الدمّة المتبقية في المحلول، ومن ثم مقدار ما التصق بالصخر. استُخدمت أيضًا مطيافية الأشعة تحت الحمراء لرصد المجموعات الكيميائية الموجودة على سطح الكوارتز قبل وبعد التماس مع الدمّات، مؤكدةً أن جزيئات الدمّة فعلًا التصقت بالسطح.

كمية ما يلتصق ولماذا

تظهر القياسات تفاوتًا واضحًا بين الدمّتين. في نفس الظروف، بلغ الامتصاص الأقصى لـSDS نحو 3 ميليغرام لكل غرام من الكوارتز، بينما بلغت ZSC نحو 25 ميليغرامًا لكل غرام — أي أعلى بنحو ثمانية أضعاف. في كلتا الحالتين، ازداد الامتصاص مع التركيز حتى نقطة مميزة حيث تبدأ جزيئات الدمّة بتشكيل تجمعات صغيرة في الماء (التركيز الحرج للمجاليات) ثم استقرّ. سطح الكوارتز مشحون سالبًا، وSDS أيضًا سالب، لذا يقتصر امتصاصه بسبب التنافر الكهروستاتيكي ويعتمد بصورة أساسية على قوى أضعف مثل تفاعلات فان دير فالس وميل زعانفه الدهنية للارتباط بالسطح. أما ZSC، فهي تتكوّن من جزيئات أكبر وأكثر تعقيدًا تحتوي على مجموعات بها أكسجين ونيتروجين قادرة على تكوين روابط هيدروجينية متعددة مع مجموعات السيلانول على الكوارتز. تساعد هذه «النقاط الملتصقة» الإضافية ZSC على التكدّس بكثافة على السطح، رغم أن الروابط تظل في الغالب فيروفيزيائية وليست تكوّن روابط كيميائية جديدة قوية.

مطابقة الأنماط بنماذج بسيطة

لوصف هذه السلوكيات بطريقة يمكن للمهندسين استخدامها، قارَن المؤلفون بياناتهم بمنحنيات رياضية قياسية تُعرف بإيزوثرمات الامتصاص. اختبروا ثلاثًا منها — لانغمير، فروندليش، وتيمكين. بالنسبة للدمّتين، وفّر نموذج لانغمير، الذي يفترض طبقة فردية وموحدة من الجزيئات على سطح متساوٍ إلى حد ما، أفضل تطابق عام، مع أرقام ارتباط عالية لكل من SDS وZSC. كما أن النموذجين الآخرين قدما تطابقًا معقولًا وأشارت نتائجهما إلى أن السطح الحقيقي للكوارتز لا يزال فيه بعض التباين ويمكن أن يستضيف امتصاصًا متعدد الطبقات، خاصة عند التراكيز الأعلى. أشارت تحليل معلمات نموذج تيمكين إلى طاقات امتصاص منخفضة نسبيًا، ما يدعم الرأي القائل بأن الدمّات محتجزة بقوى فيزيائية أكثر منها بروابط كيميائية قوية.

ماذا يعني هذا لإنتاج نفط أكثر صداقة للبيئة

بالنسبة لاستخلاص النفط عمليًا، يكون الامتصاص العالي سيفًا ذو حدين. ميول ZSC القوية للالتصاق بالكوارتز يعني فقدان كمية أكبر من الدمّة إلى الصخر وبالتالي وجود كمية أقل حيث تكون أكثر فاعلية عند حَدّ الزيت والماء. في المقابل، يهدر SDS كمية أقل بهذه الطريقة على الصخور الغنية بالكوارتز. تستنتج الدراسة إذًا أنه في أنظمة الكوارتز البسيطة، تُمتَص ZSC بقوة أكبر بكثير من SDS، ويتبع كلاهما في المقام الأول امتصاصًا أحادي الطبقة وفيزيائيًا موصوفًا جيدًا بنموذج لانغمير. ورغم أن هذا قد يقيّد الاستخدام المباشر لـZSC بمفردها، تشير أعمال سابقة إلى أن إضافة القواعد القلوية أو الجسيمات النانوية يمكن أن تقلل الامتصاص لكل من الدمّات الطبيعية والصناعية. توفر النتائج الحالية قاعدة صلبة لتصميم تركيبات محسّنة وأكثر صداقة للبيئة وستساعد في توجيه اختبارات مستقبلية على رمال حجرية أكثر واقعية تحتوي أيضًا على طينات.

الاستشهاد: Shirali, A., Ebrahimi, M., Hemmati-Sarapardeh, A. et al. Comparative analysis of natural and synthetic surfactant adsorption by quartz minerals: an experimental study. Sci Rep 16, 7852 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39608-y

الكلمات المفتاحية: زيادة استخلاص النفط, امتصاص الدمّات السطحيّة, دمّات طبيعية, خزان رملي حجري, معادن الكوارتز