L'innovativa teoria sui tensioattivi di un gruppo della Rice University rimuove i limiti di un modello vecchio di 100 anni per il comportamento interfacciale nel recupero avanzato del petrolio.

Il laboratorio dell'ingegnere chimico della Rice, Walter Chapman, ha personalizzato un modello ormai logoro per analizzare i fluidi contenenti tensioattivi che vengono pompati nei pozzi per estrarre quanto più petrolio possibile dalle rocce in profondità.

Per portare a termine l'attività di modellazione è stato necessario un cambiamento nel modo di pensare del laboratorio che utilizza modelli matematici sofisticati per analizzare come i fluidi interagiscono tra loro e le strutture che li contengono. I ricercatori hanno impiegato un metodo di modellazione termodinamica standard noto come teoria del gradiente di densità (DGT), che è stato utilizzato per prevedere le proprietà interfacciali di sistemi puri e misti. Hanno modificato il modello DGT per caratterizzare meglio le molecole di tensioattivo che in realtà sono molto più complesse di quanto consentito dai modelli precedenti.

Ciò potrebbe aiutare i produttori a estrarre ancora più petrolio dai pozzi che altrimenti sarebbero considerati esauriti.

Il lavoro condotto dallo studente laureato Chapman e Rice Xiaoqun Mu appare sulla rivista dell'American Chemical Society Ricerca chimica industriale e ingegneristica .

Le molecole nei tensioattivi hanno parti idrofile (che attirano l'acqua) e idrofobe (che evitano l'acqua). Il sapone è un tipo di tensioattivo progettato per separare i contaminanti dalla pelle o dai tessuti e consentire loro di essere trasportati dall'acqua. I tensioattivi funzionano più o meno allo stesso modo nei pozzi, dove riducono la tensione superficiale tra roccia, acqua e olio, rilasciando l'olio da pompare in superficie.

Ai produttori di petrolio piace sapere come reagirà un tensioattivo quando raggiunge una ricca formazione. Poiché le misurazioni sperimentali sono costose e richiedono tempo, molti modelli sono stati sviluppati per prevedere gli effetti dei tensioattivi. Fino ad ora, le formule DGT usate per predire quelle reazioni hanno trattato le molecole di tensioattivo come un singolo punto piuttosto che le catene complesse che realmente sono.

"Questo è un limite nei modelli, " Chapman ha detto. "Il modello DGT non ha mai avuto la capacità di descrivere come le proprietà dei fluidi sono influenzate dalla forma della molecola".

Mu ha tratto ispirazione dai colleghi di Rice che costruiscono modelli computazionali con la teoria del funzionale della densità, che viene utilizzato per analizzare le strutture dei sistemi atomici e molecolari.

"Uso DGT dal primo anno del mio dottorato di ricerca, quindi avevo una comprensione abbastanza completa dei pro e dei contro del modello. La sua natura ci ha impedito di applicarlo a molecole con strutture a catena anfifiliche (tensioattivi), " ha detto. "Ma il modello è semplice rispetto ad altri, e abbiamo visto il potenziale per estenderlo per gestire i tensioattivi.

"Ispirato dal lavoro del nostro gruppo sulla teoria del funzionale della densità, abbiamo creato l'idea che la molecola del tensioattivo possa essere modellata in DGT collegando un gruppo di testa idrofilo a un gruppo di coda idrofobo, " Mu ha detto. "Con l'aiuto di diversi colleghi, abbiamo sviluppato un modo semplice per aggiungere questo termine di formazione di catene alla teoria del gradiente di densità".

Dare conto della raffinatezza del tensioattivo non è sufficiente; il modello deve includere anche la temperatura, pressione, composizione e altre condizioni nel pozzo. Quando combinato, incorpora più della fisica in gioco tra tutte le molecole e dà agli ingegneri un'idea migliore della miscela appropriata da iniettare.

Poiché i tensioattivi fanno parte di tanti prodotti industriali, quali detersivi e disperdenti, Chapman ha affermato che la tecnica di modellazione potrebbe avere un'ampia applicazione. "Vogliamo che la nostra teoria del gradiente di densità sia abbastanza semplice da consentire alle persone di farne uso, " ha detto. "DGT dovrebbe essere un calcolo più veloce da fare."

A quello scopo, Mu ha detto che nulla è stato trattenuto dalla pubblicazione. "Abbiamo allegato un'appendice molto dettagliata, " ha detto. "Stiamo spiegando il 100% di come abbiamo derivato e applicato questo modello in modo che le persone possano implementarlo o migliorarlo ulteriormente".