石英矿物对天然与合成表面活性剂吸附的比较分析：一项实验研究

这对日常能源有何重要性

即便在现代钻采技术和抽汲之后，全球大量石油仍被困于地下。一种有前景的方法是使用类似肥皂的分子——表面活性剂，帮助油与水混合并释放被困油滴。但如果这些表面活性剂更倾向于黏附在岩石上，而不是到达油–水界面，过程就会变得浪费且昂贵。本研究比较了一种常用的合成表面活性剂与一种植物来源替代品在富含石英的砂岩上的行为，以判断更环保的选项是否具有现实竞争力。

油田中的“肥皂状”助剂

表面活性剂的作用有点像洗碗时的洗涤剂：降低油与水之间的界面张力，使被困的油滴能够移动。在提高采收率的应用中，将含有表面活性剂的水注入岩层以推进并扫出更多石油。然而，储层中的矿物表面会通过吸附“窃取”表面活性剂分子，从而降低流动水中可用的表面活性剂量。作者将研究重点放在砂岩的主要成分——石英，考察了两种表面活性剂。一种是十二烷基硫酸钠（SDS），这是一种广泛使用的合成清洁剂；另一种是取自枣科Ziziphus spina-christi树叶的提取物（ZSC），富含称为皂苷的天然肥皂样化合物。ZSC具有成本低、在许多地区本地可得且对环境较友好的优点。

岩石与表面活性剂如何测试

研究团队首先从砂岩中制备了石英粉末，经过仔细清洗、筛分和干燥以去除粘土和其它矿物，确保仅测量石英的行为。他们表征了颗粒的比表面积和孔隙，并确定石英表面在水中带负电荷。不同浓度的SDS和ZSC溶液随后与石英混合。在受控的搅拌与静置后分离液相并进行分析。电导率和紫外–可见光谱测量揭示了溶液中剩余的表面活性剂量，从而推算出有多少吸附到了岩石上。研究者还使用红外光谱检测石英表面在与表面活性剂接触前后的化学基团变化，证实表面活性剂分子确实附着在表面上。

吸附量及其成因

测量结果显示两种表面活性剂存在明显差异。在相同条件下，SDS的最大吸附量约为每克石英3毫克，而ZSC约为每克石英25毫克——大约高出八倍。在两种情况下，吸附量随浓度上升，直到到达表面活性剂在水中开始形成微小簇（临界胶束浓度）的特征点，然后趋于平稳。石英表面带负电，而SDS亦带负电，因此其吸附受静电排斥限制，主要依赖于较弱的范德华力以及其疏水尾部与表面的亲和。相比之下，ZSC由更大、更复杂的分子构成，含有多种含氧和含氮基团，能与石英表面的硅醇基形成多重氢键。这些额外的“粘附点”使ZSC能在表面上密集排列，尽管结合仍主要为物理吸附，并未形成新的化学键。

用简单模型拟合吸附模式

为了以工程上可用的方式描述这些行为，作者将数据与标准的吸附等温线曲线进行了比较，测试了三种模型——Langmuir、Freundlich和Temkin。对两种表面活性剂而言，假设分子在相对均匀表面上形成单层的Langmuir模型总体拟合最好，SDS与ZSC均显示出很高的相关性。其余两种模型也能较合理地拟合数据，并提示实际的石英表面仍存在一定不均一性，并在较高浓度下可能出现多层吸附。对Temkin模型参数的分析表明吸附能相对较低，支持表面活性剂主要由物理力而非强化学键束缚的观点。

对更环保采油的意义

在实际采油中，过高的吸附既有利也有弊。ZSC强烈黏附于石英意味着更多表面活性剂被岩石消耗，留在油–水界面的有效量减少。相比之下，SDS在富石英的岩石上所浪费的量较少。因此研究得出结论：在纯石英体系中，ZSC的吸附显著强于SDS，且两者主要遵循由Langmuir模型良好描述的单层物理吸附。尽管这可能限制ZSC单独直接应用，但先前研究表明加入碱或纳米颗粒可减少天然与合成表面活性剂的吸附。本研究结果为设计此类改良且更环保的配方提供了可靠基线，并将有助于在含粘土等更真实的砂岩中指导未来试验。

引用: 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

关键词: 提高采收率, 表面活性剂吸附, 天然表面活性剂, 砂岩油藏, 石英矿物