石油と天然ガス業界は、掘削、石油採集率の向上、パイプライン輸送、製油所加工など、多くの異なる複雑なプロセスから構成されている。

原油採掘において、表面相互作用過程に関する挑戦と最適化には主に2つがある：1つ目は原油の採集率を高めることであり、もう1つはパイプの汚れを処理し、防止するための新しい方法である。

この星にしかない石油が使用できるため、既存の油田からできるだけ多くの原油を抽出し、生産プロセスを向上させる手段を研究する必要がある。1つの方法は、リサイクルプロセスを最適化し、石油貯蔵からより多くの油を得ることである。これは、石油貯蔵中の鉱物原油の放出過程を理解することを高めることによって促進することができる。別の油量を増加させる方法は、水と他の物質から原油を効果的に分離することである。

もう1つの課題は、石油生産の異なる段階で発生するスケールアップであり、これは輸送効率の低下、エネルギー消費の多さ、コストの増加につながる。この問題を引き起こす主な要因はアスファルト質であり、石油生産の各段階の界面に吸着する傾向がある。アスファルト質は、熱交換器の堆積や配管の閉塞などの堆積物の堆積や閉塞を引き起こす可能性があるため、様々な加工条件下で凝集し堆積します。

石油の採掘率を高める

採油段階では、界面活性剤や二酸化炭素駆動油などの異なる最適な採集方法を用いて採集率を高めることができる。界面活性剤または二酸化炭素をチベットに注入した後、それらはチベットと接触し、それと相互作用して、原油平衡条件と流体特性を変化させる。これにより、重有機固体は主にアスファルト質の沈降と沈殿につながる可能性がある。これらの現象は貯留層岩石の濡れ性の変化と透過率の低下をもたらし、それによって採集率の低下を招いた。

原油と油駆動剤との界面張力は重要なパラメータである。界面張力値が低いほど、油駆動剤の原油への溶解度は良好である。二酸化炭素と原油との界面張力は、二酸化炭素が最も有望な油駆動剤の1つであるため、深く研究されている。

二酸化炭素と原油との界面張力VS圧力の関数関係グラフ。Attansion Theta高圧モジュールを使用してテストした。

応用ダイジェスト：二酸化炭素を用いた原油採集率の向上

QSense QCM-Dは、分子レベルで界面活性剤吸着をシミュレーションし、リアルタイムで採油プロセスを最適化することができる。実験ではポリマーを用いて模擬吸着を行い、このようなナノスケールで原油の採集率を高めることを再現することも可能である。

固体表面へのアスファルト質の吸着

油水界面を安定させることができるほか、アスファルト質は石油回収と移送過程の異なる段階の固体表面に吸着することもできる。アスファルト質堆積のメカニズムを理解するためには、アスファルト質−固体相互作用の基本的な理解が必要である。QSense QCM−Dは、異なる溶媒条件下での様々な表面上のアスファルト質吸着とスケールの特性化に使用することができる。

アスファルト質の沈降と沈殿は、貯留層岩石の濡れ性変化と透過率の低下を招き、採集率の低下を招く。接触角測定により原油、流体、岩石間の濡れ性と界面張力関係を研究することができる。接触角測定は、オイル貯蔵条件を模擬した高圧及び高温でも行うことができる。

［界面活性剤及びエマルジョン／界面活性剤挙動］

ほとんどの工業製品は界面活性剤、洗浄剤からペンキ、化粧品から食品まで使用されています。界面活性剤は、それらが使用されるシステムに応じて、洗浄剤、湿潤剤、乳化剤、発泡剤、分散剤として使用することができる。天然に存在する界面活性剤は、不必要な製品特性をもたらすこともある。界面活性剤の特性化は、製品とプロセスの最適な性能を確保するために重要である。

界面活性剤は通常、両親媒性有機化合物であり、これはそれらが親水性（水溶性）と疎水性（水不溶性）部分を同時に含むことを意味する。これらの両親媒性のため、界面活性剤は界面に吸着し、それによって二相間の表面と界面張力を低下させる。

多くの産業プロセスにおいて、界面活性剤を添加して製品の性能を改善することができる。例えば、界面活性剤は、製品を洗浄する効率を高めるために洗浄剤として使用され、食品製品中のペンキまたは乳化剤中の湿潤剤として使用されてもよい。界面活性剤の別の態様は、界面活性剤としての天然化合物である。これらには重質原油で発見されたアスファルト質が含まれており、原油生産において様々な問題を引き起こす可能性がある。

ガス−液又は液−液界面における界面活性剤の吸着

界面活性剤の効率は、表面または界面張力を低下させ、エマルジョンを安定させる能力を測定し、その親水性−親油平衡（HLB）を研究することによって測定した。

表面張力と界面張力と濃度の関係関数を測定することにより、所与の界面活性剤または界面活性剤混合物によって生成できる表面張力または界面張力低下の最大値を決定することができる。使用する界面活性剤の量が製品のコストに直接影響するため、経済的な観点からも重要である。界面活性剤濃度や界面活性剤の毒性についても、環境要因を考慮する必要がある。臨界ミセル濃度測定は通常、製剤中の界面活性剤の最適量を決定するために用いられる。

[表面張力と界面張力をダウンロード-それは何であり、どのように測定しますか？]

界面活性剤は固体表面に吸着する

固体表面への界面活性剤の吸着を理解することは、例えば、塗料製造、水ろ過、原油製造などの過程で非常に重要である。塗料を例にとると、顔料粒子、ポリマー、界面活性剤などの異なる成分を含む複雑な水系混合物である。顔料粒子は塗料に必要な色を与え、ポリマーは粘度と界面活性剤を増加させ、塗料の安定性と濡れ性を増加させる。顔料表面に界面活性剤ではなくポリマーを優先的に吸着すると、問題が発生する。これにより、乾燥フィルムの色外観及び接着性が低下する。

原油生産におけるアスファルト質の吸着による問題

最近発見された埋蔵量の多くにアスファルト質（オイルサンド、重油）が含まれているため、アスファルト質による興味はますます高まっている。アスファルト質は原油の高分子量成分であり、その正確な分子構造は未知であり、通常はノルマルペンタンやノルマルヘプタンなどのアルカンに不溶であるが、トルエンに可溶であると分類される。アスファルト質は界面に吸着する傾向があり、それによって油水エマルジョンの安定性（エマルジョン安定性に関連する）が増加し、油貯蔵の湿潤挙動が変化する。原油加工中のアスファルト質の吸着は、配管汚染などの問題にもなる。

アスファルト質堆積のメカニズムを理解するためには、アスファルト質−固体相互作用の基本的な理解が必要である。QSense QCM−Dは、異なる溶媒条件下での様々な表面上のアスファルト質の吸着と汚染を特徴づけるために使用することができる。

アスファルト質の沈殿と沈積は、貯留層岩石の濡れ性変化と透過率の低下を招き、採油率の低下を招く。接触角測定により、油、流体、岩石間の濡れ性と界面張力測定を研究することができる。接触角測定は、高圧及び高温での石油貯蔵条件のシミュレーションによっても行うことができる。

固液界面界面活性剤の吸着動力学特性評価

私たちが見ているように、固液界面での界面活性剤とその挙動は多くの分野の核心であり、生物学的応用から汚れ除去と洗浄から石油採集率の向上に至る。QSense QCM−D技術は界面上の動力学と挙動に基づいて界面活性剤、界面活性剤系及び界面活性剤混合物を特徴づけることができる。このような表面敏感技術を利用して、界面活性剤の異なる表面への吸着と脱着動力学を研究し、吸着動力学をリアルタイムで監視することができる。表面は容易に変化することができ、これにより、表面材料、表面官能性、親水性または疎水性の影響を計画することが可能になる。吸着界面活性剤の層厚を決定し、各種界面活性剤濃度、pH値、塩濃度及び温度に基づいて吸着膜の形態変化を追跡することもできる。この技術はまた、界面活性剤と、例えば脂質小胞またはポリマーと高分子電解質層との間の相互作用を探索し、特性化することができる。

［界面活性剤及びエマルジョン／エマルジョン安定性］

エマルジョンは2種以上の液体の混合物であり、通常は互いに相溶しない。熱力学の観点から、エマルジョンは不安定な系であり、液体−液体系はその界面エネルギーを分離し、低下させる自然な傾向があるためである。

エマルジョンの安定性は、物理化学的性質が経時的に変化することに抵抗する系の能力と定義することができる。エマルジョンの安定性は、塗料、食品、農業配合物、パーソナルケア、石油を含む多くの産業用途において非常に重要である。乳化、凝集、凝集などのいくつかのメカニズムは破乳を引き起こす。

エマルジョン安定性はほとんどの工業製品やプロセスに必要であるが、エマルジョンの安定性を必要としない加工プロセスもある。例えば、原油回収には輸送前に原油を水から分離する必要があり、廃水処理にも油水エマルジョンは必要ありません。

界面レオロジー試験による乳状液の安定性予測

界面レオロジーは特殊なレオロジー分岐であり、界面に形成される特別な二次元系を研究することに関連している。レオロジーは流体流動を研究するものであるように、界面レオロジーは流体界面流動特性を研究するものである。

食品と飲料における界面レオロジー

タンパク質は食品中の界面活性剤としてもよいが、他の安定剤を添加して安定性を高めることもできる。レシチンは数少ない天然界面活性剤の一つである。環境と健康問題が注目されるにつれて、天然界面活性剤はますます人々の興味を引き起こしている。

応用ダイジェストダウンロード：気液と油水の界面における蛋白質の吸着と界面ゲル化

応用ダイジェストダウンロード：気液界面上の単分子層の界面レオロジー

Webワークショップの視聴：インタフェースレオロジー：基礎から応用へ

工業級非イオン乳化剤の表面特性評価

ポリオキシエチレン界面活性剤は、塗料、食品、農業配合物、パーソナルケア、石油などの工業用途に広く使用されており、乳液と泡の安定性が重要である。アルコールエトキシレートは、従来、多くの用途で乳化剤として使用されてきたより有毒なアルキルフェノールエトキシレートを置換している。しかし、直鎖アルコールエトキシレートはアルキルフェノールエトキシレートと同様に良好な乳化剤性能を示しておらず、これは主に後者がより巨大な尾を持っているためである。これは極性ヘッドと炭化水素テールの大きさが異なり、界面に密接に堆積した薄膜の形成を阻害しているためである。

EO基の数が異なる2種類のC 10−Guerbetアルコール工業級非イオン界面活性剤の吸着と表面レオロジー特性を研究した。、それらはC 10 EO 6とC 10 EO 14です。

2種類の界面活性剤の界面圧力等温線は再配向モデルに適合している。しかし、表面レオロジーデータには異なる解釈がある。これは、C 10 EO 6が拡散緩和プロセスのモデルフレームワークで説明できることを示し、C 10 EO 14は拡散緩和プロセスから外れ、その表面レオロジー反応は非イオン性ポリマー界面活性剤に近いことを示している。図1（C 10 EO 6）と図2（C 10 EO 14）は、2つの周波数（0.02 Hzと0.5 Hz）で2種類の界面活性剤が振動摂動して得られる貯蔵弾性率（E′）と損失弾性率（E″）を示している。実線と破線は拡散モデルから得られる適切な実験データである。その結果、C 10 EO 6界面活性剤の実験データのみが提案モデルと良好な一致を示した。

図1.C 10 EO 6界面活性剤は、2つの周波数（0.02 Hz−三角形）及び（0.5 Hz−菱形）における弾性率（E'、中空記号）及び損失弾性率（E'、中実記号）と界面活性剤本体濃度の関係関数を貯蔵する。実線と破線は拡散モデルの実験データの最適フィット曲線である。

図2.2つの周波数（0.02 Hz−三角形）及び（0.5 Hz−菱形）におけるC 10 EO 14界面活性剤の貯蔵弾性率（E'、中空記号）及び損失弾性率（E'、中実記号）と界面活性剤本体濃度の関係関数。実線と破線は拡散モデルの実験データの最適フィット曲線である。

2つの界面活性剤の表面レオロジー特性は、空気／水界面に粘弾性層が形成されていることを示しているが、吸着膜はオキシエチレン基の数が異なるため、異なる挙動を示している。より小さな界面活性剤については、吸着およびレオロジーデータは拡散モデルに符合し、一方、より大きなC 10 EO 14界面活性剤はポリマー界面活性剤に近い表面挙動を示した。また、両界面活性剤の膨張弾性と粘度の比較は、EO基の数を増加させることにより弾性を増加させることができることを示している。吸着した界面活性剤膜の弾性は、発泡体及びエマルジョン安定性に直接関係する。したがって、C 10 EO 14界面活性剤は、短いC 10 EO 6界面活性剤と比較して、より安定した凝集防止層を形成する可能性がある。それでも、前者は界面活性剤の拡散性が高いため、C 10 EO 6を使用する方がC 10 EO 14フォームよりも形成能力が強い。したがって、これらの結果は、オキシエチレン基を含有する非イオン界面活性剤を使用することにより、安定した発泡体及びエマルジョンを合理的に開発するための興味深い応用を見出すことができる。

文献依据:P. Ramírez, L.M. Pérez-Mosqueda, L.A. Trujillo-Cayado, M. Ruiz, J. Munoz, R.Miller, Equilibrium and surface rheology of two polyoxyethylene surfactants (CiEOj) differing in the number of oxyethylene groups, Colloids Surf., A 375(2011) 130–135.

アスファルト安定油-水エマルジョン

油が回収されると、複雑な油−水エマルジョンが形成される。油−水界面に吸着したアスファルト質は、これらのエマルジョンの安定性を高める傾向がある。通常、安定した油−水エマルジョンは必要ありません。これにより、ポンプ及び輸送費が増加し、配管、ポンプ及び蒸留塔が腐食するためです。

アスファルト質の界面活性は、簡単な界面張力測定により光学張力計で評価することができる。高圧キャビティをシステムに組み込むことにより、高圧および高温での測定を実現することができる。

もう一つの広範な応用方法は油水界面の界面レオロジーを研究することである。界面の弾性は油水エマルジョンの安定性と関係がある。吸着アスファルト質層の界面レオロジー性は振動液滴法で研究することができる。もう1つの方法は、浮動針レオロジー計に基づく界面せん断レオロジー（ISR）を用いてアスファルト質の堆積密度の関係関数を特性化することである。

ブルースター角度顕微鏡は、空気−水界面でアスファルト質を可視化する形態学的研究を行うことができる。

応用ダイジェストダウンロード：空気−水と油−水の界面における蛋白質の界面ゲル化吸着

下応用ダイジェストダウンロード：フィルム構造のイメージング：ブルースター角顕微鏡

Webワークショップの視聴：インタフェースレオロジー：基礎から応用へ

［界面活性剤とエマルジョン／破乳］

エマルジョン安定性が多くの工業プロセスや製品において重要であるのと同様に、破乳は他の環境においても重要である。

反乳化作用や破乳は、原油生産や廃水処理において特に重要である。原油生産では、通常、油中水エマルジョンが製造される。これらのエマルジョンは、多くの原油中に天然に存在するアスファルト質および樹脂のために非常に安定している可能性がある。原油と水の効果的な分離は原油品質の面で極めて重要であると同時に、低コストで高品質の水相を分離することを確保しなければならない。

破乳剤は油中水エマルジョンを不安定にするために用いられる

プロセスの観点から見ると、破乳には2つの側面がある：発生速度と原油中の余剰水量を分離する。生産される石油は通常、会社とパイプラインの規格に合致しなければならない。一般に、湿潤な原油処理装置から船積みされた油は、原油1千バレル当たり0.2%未満のBS＆W（基本的な沈殿物と水）または4.5 kgの塩を含むことがある。このかなり低い濃度要件は、腐食と塩の堆積を減らすためである。

エマルションが油と水に分離する過程は、水滴周囲のエマルション膜の不安定性を伴う。化学的破乳剤の添加、エマルジョンの温度の上昇、電場の印加によるエマルジョンの凝集促進、物理的特性の変化など、エマルジョンの安定性を破壊するために使用できるいくつかの方法がある。化学破乳剤の添加は現在よく使われている方法である。

破乳剤は、油水界面の移動及び乳化剤の影響を中和するための界面活性を有する試薬である。破乳の過程では、適切な破乳剤の選択が重要である。原油には様々な成分の種類が多いため、原油の種類に応じて破乳剤を選ぶことが重要である。界面レオロジーパラメータ、特に界面膨張弾性は、エマルジョン安定性と関係がある。破乳剤添加時の油水界面の界面レオロジーを測定することにより破乳剤の有効性を得ることができる。

［界面活性剤とエマルジョン／フォーム］

発泡体は多くの工業製品やプロセスの中で非常に重要である。ボディケアや食品には通常泡が必要であるが、印刷、ポンプ、潤滑などのいくつかの産業プロセスでは泡は不要であり、消泡剤を使用する必要がある。浮選や石油採集率の向上など多くのプロセスが泡を利用している。

泡は空気−水エマルジョンと考えることができる。油水エマルジョンにおけるように、気体−水界面間の表面張力を低下させて発泡体を形成するために界面活性剤分子が必要である。

石油の採掘率を高める泡

二酸化炭素、メタン、窒素などのガス注入は、原油の採集率を高めるのに一般的である。しかし、ガスは水や油に比べて粘度や密度が低いため、気体通路が高透過率領域や気体を介して多孔質媒体の上部に移動するなどの問題が発生する。そのため、空気圧駆動の容積走査効率が悪いことが多い。気体駆動の効率を高めるためには、泡注入を使用することをお勧めします。

発泡体は、排気量及びパージ効率を高めるためにガス流動性を低下させる方法を提供する。泡に基づくEOR法の主な問題は泡の安定性である。有効な回収剤となるためには、多孔質構造においてフォームを安定化させる必要がある。界面活性剤は泡の安定性において重要な地位にある。例えば、安定した水中二酸化炭素発泡プラスチック（最も研究されている発泡体系の1つ）を製造するためには、貯蔵条件下で二酸化炭素−水界面を安定させる界面活性剤を開発することが重要である。