Сравнительный анализ адсорбции природных и синтетических ПАВ на минералах кварца: экспериментальное исследование

Почему это важно для повседневной энергетики

Много нефти по-прежнему остаётся под землёй, даже при современных методах бурения и откачки. Один из перспективных способов извлечь больше — использовать мыльноподобные молекулы, называемые поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые помогают маслу и воде смешиваться. Но если эти ПАВ слишком сильно прилипают к породе, вместо того чтобы концентрироваться на границе масло–вода, процесс становится расточительным и дорогим. В этом исследовании сравнивают поведение распространённого синтетического ПАВ и растительной альтернативы на кварцсодержащем песчанике — породе, в которой залегают многие нефтяные месторождения, — чтобы понять, способны ли более экологичные варианты реально конкурировать.

Мыльные помощники на месторождениях

ПАВ действуют отчасти как средство для мытья посуды на жирной сковороде: они уменьшают напряжение между маслом и водой, позволяя захваченным каплям двигаться. В процессах повышения нефтеотдачи воду с добавленным ПАВ продавливают через породу, чтобы вымыть больше нефти. Однако поверхностные минералы в коллекторе могут «украсть» молекулы ПАВ за счёт адсорбции, снижая их концентрацию в движущейся воде. Авторы сосредоточились на кварце, основном компоненте песчаника, и изучили два ПАВ. Один — натрия додецилсульфат (SDS), широко используемое синтетическое моющее средство. Другой — экстракт из листьев Ziziphus spina-christi (ZSC), богатый природными сапонинами. ZSC привлекателен тем, что он недорогой, доступный во многих регионах и более экологичен.

Как проверяли породу и ПАВ

Исследователи сначала приготовили порошкообразный кварц из песчаника, тщательно промывая, просеивая и суша образец, чтобы удалить глины и другие минералы и измерять поведение только кварца. Они охарактеризовали удельную поверхность частиц и пористость и установили, что поверхность кварца в воде несёт отрицательный электрический заряд. Затем растворы SDS и ZSC различной концентрации смешивали с кварцем. После контролируемого перемешивания и выдержки жидкую фазу отделяли и анализировали. Измерения электрической проводимости и ультрафиолетово–видимого поглощения показали, сколько ПАВ осталось в растворе, а значит — сколько адсорбировалось на породе. Исследователи также использовали инфракрасную спектроскопию, чтобы увидеть, какие химические группы присутствовали на поверхности кварца до и после контакта с ПАВ, подтверждая, что молекулы действительно прикреплялись.

Сколько прилипает и почему

Измерения показывают явную разницу между двумя ПАВ. При тех же условиях максимальная адсорбция SDS составила около 3 миллиграммов на грамм кварца, тогда как для ZSC она достигала примерно 25 миллиграммов на грамм — примерно в восемь раз больше. В обоих случаях адсорбция росла с увеличением концентрации до характерной точки, где молекулы ПАВ начинают образовывать небольшие скопления в воде (критическая мицеллообразующая концентрация), а затем выравнивалась. Поверхность кварца несёт отрицательный заряд, и SDS также отрицательно заряжен, поэтому его адсорбция ограничивается электростатическим отталкиванием и в основном зависит от более слабых сил, таких как ван-дер-ваальсовы взаимодействия и стремление его маслянистых хвостов ассоциироваться с поверхностью. ZSC, напротив, состоит из более крупных, сложных молекул с множеством кислород- и азотсодержащих групп, которые могут образовывать множественные водородные связи с силанольными группами кварца. Эти дополнительные «липкие точки» позволяют ZSC плотно упаковываться на поверхности, хотя связывание остаётся преимущественно физическим, а не образованием новых химических связей.

Подгонка закономерностей простыми моделями

Чтобы представить эти явления в виде, удобном для инженеров, авторы сопоставили свои данные со стандартными математическими кривыми, известными как изотермы адсорбции. Они проверили три модели — Ленгмюра, Фрейндлиха и Темкина. Для обоих ПАВ лучшую общую подгонку дала модель Ленгмюра, которая предполагает единый однородный слой молекул на относительно ровной поверхности, с очень высокими коэффициентами корреляции для SDS и ZSC. Две другие модели также давали приемлемое соответствие и указывали на то, что реальная поверхность кварца всё ещё обладает некоторой неоднородностью и может поддерживать многослойную адсорбцию, особенно при более высоких концентрациях. Анализ параметров модели Темкина показал относительно невысокие энергии адсорбции, что подтверждает представление о том, что ПАВ удерживаются физическими силами, а не сильными химическими связями.

Что это значит для более экологичной добычи нефти

С практической точки зрения очень высокая адсорбция — палка о двух концах. Сильная склонность ZSC прилипать к кварцу означает, что больше ПАВ теряется на породу и меньше остаётся там, где он приносит наибольшую пользу — на границе масло–вода. SDS, наоборот, в меньшей степени тратится таким образом на кварцсодержащих породах. Авторы делают вывод, что в простых кварцевых системах ZSC адсорбируется гораздо сильнее, чем SDS, и в обоих случаях адсорбция в основном монослойная и физическая, хорошо описываемая моделью Ленгмюра. Хотя это может ограничивать прямое применение ZSC в чистом виде, предыдущие работы показывают, что добавление щёлочей или наночастиц может уменьшать адсорбцию как природных, так и синтетических ПАВ. Полученные результаты дают надёжную отправную точку для разработки улучшенных, более экологичных составов и помогут направлять дальнейшие испытания в более реалистичных песчаниках, содержащих также глины.

Цитирование: 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

Ключевые слова: повышение нефтеотдачи, адсорбция поверхностно-активных веществ, натуральный ПАВ, песчаниковый коллектор, минералы кварца