一种疏水纳米颗粒与表面活性剂复配分散体制备装置及应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种疏水纳米颗粒与表面活性剂复配分散体制备装置及应用，属于纳米颗粒协同表面活性剂提高泡沫稳定性的技术领域。
【背景技术】
[0002]泡沫作为一种智能流体被广泛地应用于油气田开发领域，涵盖了钻井、固井、油气井作业、增产措施、提高采收率等各个方面。然而，在将泡沫应用于油气田开发过程中，由于其自身热力学不稳定的特性，导致泡沫流动过程中极易破灭，使得其调剖、封堵等特性大大降低。因此，高效利用泡沫辅助油气田开发的关键环节是提高泡沫稳定性。
[0003]纳米科技的蓬勃发展，为纳米材料提供了从电子、通信、生物到能源等极其广泛的潜在应用范围。由于纳米颗粒尺度小、体积效应和表面效应大、吸附性能强等特性，使得人们提出了利用纳米颗粒与表面活性剂复配来协同提高泡沫稳定性的方法。其优势主要在于:纳米颗粒在气液界面的吸附能够抑制泡沫的聚并和歧化现象的发生；纳米颗粒在气泡液膜中形成架桥结构提高泡沫的稳定性。
[0004]张水燕在其博士论文《锂皂石及HMHEC与表面活性剂协同稳定的泡沫》中指出亲水的锂皂石颗粒与表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)在合适的配比条件下具有非常好的协同稳泡效果，其协同稳泡的机理是CTAB在锂皂石上吸附从而改变了锂皂石颗粒的亲水性，使其具有合适的亲疏水性质，实现协同稳定泡沫的作用。Bernard P.Binks等人研宄了亲水纳米二氧化硅颗粒与表面活性剂双癸基二甲基溴化铵(d1-C1(lDMAB)协同稳定泡沫的机理，指出在合适的d1-C1(lDMAB浓度下，能够将亲水纳米二氧化娃颗粒的润湿角由8°变为63°，使其疏水性增强，并且正是通过一定程度地增加其疏水性从而使得二者能够协同稳定泡沫[Soft Matter, 2008，4(12):2373-2382]。孙乾等人研宄了部分疏水纳米二氧化硅颗粒与表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)协同稳泡的机理，指出合适配比的纳米二氧化娃颗粒与SDS能够明显提升泡沫的稳定性，进而提高原油采收率[Energy&FueIs, 2014，28(4):2384-2394]。
[0005]中国专利CN102746841A公开一种油气田用添加纳米颗粒的复合泡沫体系及其制备方法，公开了用改性纳米二氧化硅颗粒与十二烷基硫酸钠复配制备复合泡沫体系的方法。
[0006]通过以上研宄可以发现，纳米颗粒在与表面活性剂协同稳泡过程中，颗粒的疏水性和电性质是两个重要因素，并且颗粒的疏水性更为重要。只有纳米颗粒处于一个合适的疏水性时(极度疏水也无法稳定泡沫，润湿角在60°?120°最佳)，才能最佳地稳定泡沫。因此，人们多采用亲水纳米颗粒与表面活性剂复配，利用表面活性剂在亲水纳米颗粒表面吸附改变其亲疏水的性质，进而得到稳定的泡沫体系。很少采用疏水纳米颗粒与表面活性剂复配，以降低疏水纳米颗粒疏水性提高泡沫稳定性的方法，主要是因为疏水纳米颗粒在与表面活性剂复配时由于其疏水性，无法形成疏水纳米颗粒与表面活性剂分散液，进而无法复配稳泡。中国专利CN102746841A中为了形成疏水纳米颗粒与表面活性剂分散液，采用了加入无水乙醇作为助剂。但是当无水乙醇的加入量较少时，纳米颗粒极易在分散液中产生聚并，影响其稳泡效果，增大了使用量，无形中增加了生产成本；当无水乙醇的加入量较多时，反而由于无水乙醇是一种消泡剂，使其丧失了稳泡作用。
[0007]因此，能否找到一种合适的方法将疏水纳米颗粒分散到水中，与表面活性剂形成复配体系，提高纳米颗粒的利用效率，降低生产成本，为纳米材料在油气田开发中应用的推广提供可行性显得尤为重要。
[0008]中国专利CN103127744A公开了一种将油相纳米颗粒转移到水相中的方法，公开了利用超声乳化的方式形成水包油微乳液，对该微乳液进行蒸发、干燥，得到稳定剂-纳米颗粒复合干胶状物，然后加入能够溶解稳定剂的极性溶剂，进而实现将纳米颗粒分散到极性溶剂中的目的。该方法需要将纳米颗粒用油酸或油胺包覆，然后分散在易挥发的非极性有机试剂中，另外还需要加入无水乙醇等助剂以及聚乙烯吡咯烷酮等稳定剂。该种将纳米颗粒分散至水相的方法无法实现利用表面活性剂来调控纳米颗粒亲疏水性处于一个合理的范围，进而实现稳定泡沫的作用，该专利主要目的是将油相中合成的纳米颗粒分散在水相中，增加其应用范围，并没有考虑将纳米颗粒与表面活性剂复配体系分散在水相中。
【发明内容】
[0009]针对现有技术的不足，本发明提供一种疏水纳米颗粒与表面活性剂复配分散体制备装置，利用超声波空化作用将疏水纳米颗粒分散到能与之复配的表面活性剂溶液中，并在超声波空化作用下，利用分散开的纳米颗粒高表面能、高吸附性等特性，使溶液中的表面活性剂分子吸附在纳米颗粒表面，不仅能够实现对纳米颗粒亲疏水性的调节，还能利用吸附在纳米颗粒表面的表面活性剂分子间的斥力作用，形成稳定的分散体系。
[0010]本发明还提供一种利用上述制备装置制备疏水纳米颗粒与表面活性剂复配分散体的方法。
[0011]本发明的技术方案在于:
[0012]一种疏水纳米颗粒与表面活性剂复配分散体制备装置，包括供水管路、复配混合管路和集料管路；
[0013]所述复配混合管路包括串联成回路的超声波分散仪和储液罐，在所述超声波分散仪和储液罐之间设置有供物料单向循环的第二柱塞泵；
[0014]所述供水管路与所述超声波分散仪的顶部相连；
[0015]所述集料管路与所述储液罐的出料端相连。
[0016]根据本发明优选的，所述超声波分散仪包括仪器桶、在所述仪器桶内由上而下依次设置有第一超滤膜和第二超滤膜将所述仪器桶分为三个腔体，依次为:第一腔体、第二腔体和第三腔体，在第一腔体内设置有第一超声波发射探头；在所述第二腔体内设置有第二超声波发射探头；在所述仪器桶的桶壁上贯通设置有表面活性剂投放管道和第一腔体相连通；在所述仪器桶的桶壁上贯通设置有疏水纳米颗粒投放管道和所述第二腔体相连通。
[0017]根据本发明优选的，所述超声波分散仪包括活动启闭的顶盖。此处设计的优点在于，便于对整个装置进行维护、保养，利于对所述超滤膜进行更换或清理。
[0018]根据本发明优选的，所述仪器桶的内桶壁上设置有第一卡环和第二卡环，所述第一超滤膜和第二超滤膜分别通过第一卡环和第二卡环分别搭设在所述仪器桶内。
[0019]根据本发明优选的，所述供水管路通过三通管与所述超声波分散仪和储液罐相连；所述供水管路包括储水罐、第一柱塞泵和流量计。
[0020]根据本发明优选的，所述集料管路通过三通管与所述储液罐和超声波分散仪相连；所述集料管路包括复配分散体储罐和第三柱塞泵。
[0021]根据本发明优选的，所述仪器桶整体为矩形，在所述桶壁内侧设置有温控装置；在所述温控装置相邻的桶壁上分别设置有第一超声波发射探头或第二超声波发射探头。
[0022]根据本发明优选的，所述第一超滤膜孔径为1nm?lOOnm，所述第二超滤膜孔径为1nm?lOOnm。根据实验需求进行选择，其四周由铜丝固定，并由密封圈包裹铜丝，上下两层超滤膜由腔体内壁上的卡环在特定高度进行固定。所述第一超声波发射探头和第二超声波发射探头的效频率均为15kHz?40kHz，功率为2000? ;所述第一超声波发射探头和第二超声波发射探头均包括多个探头，所述探头与所述桶壁垂直设置，所述相邻设置的探头的间距为5cm。
[0023]一种利用上述制备装置制备疏水纳米颗粒与表面活性剂复配分散体的方法，包括步骤如下:
[0024](I)根据实验需要选择合适孔径的第一超滤膜和第二超滤膜，并先将第二超滤膜安装第二卡环上，然后将第一超滤膜安装在第一卡环上；
[0025](2)盖紧超声波分散仪顶盖，由表面活性剂投放管道向超声波分散仪的第一腔体内投放所需质量的表面活性剂，由疏水纳米颗粒投放管道向超声波分散仪的第二腔体内投放所需质量的疏水纳米颗粒；投放结束后关闭表面活性剂投放管道和疏水纳米颗粒投放管道;
[0026](3)利用第一柱塞泵将储水罐中的水注入超声波分散仪中；流量计用于记录注入水的量；
[0027](4)注入水后，通过第二柱塞泵使所述疏水纳米颗粒、表面活性剂和水在复配混合管路内单向循环，开启第一超声波发射探头和第二超声波发射探头；在超声波分散仪内水体循环流动过程中，水首先在超声波分散仪内上部空间与表面活性剂混合，在第一超声波发射探头超声空化的作用下形成表面活性剂与水的分散溶液，然后经由第一超滤膜进入第二腔体，未到达第一超滤膜尺寸要求的将被滞留在所述第一腔体内，直至经第一超声波发