Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng Hạt Nano Từ Phủ Polymer Trong Kỹ Thuật Hóa Học Để Tăng Cường Thu Hồi Dầu

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng hạt nano từ tính phủ polymer trong cải thiện hiệu quả khai thác dầu, hướng đến giải pháp công nghệ tiên tiến.

• Tác giả: Ngo Trung Kien
• Người hướng dẫn: Assoc. Nguyen Phuong Tung
• Trường học: Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Polymer Coated On Magnetic Nanoparticles Orienting In Enhanced Oil Recovery Application
• Loại tài liệu: Master thesis
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Tóm tắt luận văn
• Lời cam đoan
• Danh mục hình
• Danh mục bảng
• Danh mục từ viết tắt
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 2.1. Thu hồi dầu tăng cường (EOR)
• 2.1.1. Giới thiệu về thu hồi dầu tăng cường
• 2.1.2. Cơ chế thu hồi dầu tăng cường
• 2.1.3. Các phương pháp thu hồi dầu tăng cường
• 2.2. Tổng hợp hạt nano từ tính (MNPs)
• 2.3. Bảo vệ và ổn định hạt nano từ tính (MNPs)
• 2.4. Tính chất hóa lý của hạt nano phủ polymer định hướng trong EOR
• 2.4.1. Tính chất kiểm soát độ linh động
• 2.4.2. Tính chất thay đổi độ thấm ướt bề mặt
• 2.4.3. Sự truyền vận của PNPs trong môi trường xốp
• 2.5. Các nghiên cứu về hạt nano phủ polymer cho ứng dụng EOR
• 3. CHƯƠNG 3: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Hóa chất và vật liệu
• 3.2. Thiết bị, dụng cụ và phần mềm
• 3.3. Tổng hợp PMNPs
• 3.3.1. Điều chế FeCl2 và FeCl3 từ bùn đỏ
• 3.3.2. Tổng hợp MNPs
• 3.3.3. Tổng hợp PMNPs từ OMNPs
• 3.4. Tổng hợp chất hoạt động bề mặt Nonylphenoxy carboxylate
• 3.4.1. Xác định hiệu suất phản ứng và đặc trưng chất hoạt động bề mặt NPC
• 3.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng carboxymethyl hóa
• 3.5. Đánh giá độ bền nhiệt và độ bền hóa học của PMNPs
• 3.6. Đánh giá sự thay đổi độ thấm ướt của PMNPs và hỗn hợp chất hoạt động bề mặt PMNPs-NPC
• 3.7. Đánh giá khả năng tái sử dụng của PMNPs
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Đặc trưng của MNPs và PMNPs
• 4.1.1. Giản đồ XRD của MNPs từ bùn đỏ và MNPs đối chứng
• 4.1.2. Từ kế mẫu rung VSM của MNPs và PMNPs
• 4.1.3. Phổ FT-IR của MNPs, OMNPs và PMNPs
• 4.1.4. Phân tích nhiệt trọng lượng TGA của OMNPs–MMA–co-AMPS
• 4.1.5. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua TEM của MNPs và PMNPs
• 4.1.6. Kết quả tối ưu hóa phản ứng bọc copolymer lên MNPs
• 4.2. Tổng hợp chất hoạt động bề mặt Nonylphenoxy carboxylate (NPC)
• 4.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến phản ứng carboxymethyl hóa
• 4.2.2. Phổ hồng ngoại FT-IR của chất hoạt động bề mặt NPC
• 4.3. Đánh giá độ bền nhiệt của hỗn hợp PMNPs-NPC
• 4.4. Đánh giá sự thay đổi độ thấm ướt của PMNPs và hỗn hợp chất hoạt động bề mặt PMNPs-NPC
• 4.5. Đánh giá khả năng tái sử dụng của PMNPs
• 4.5.1. Quan sát trạng thái của dung dịch sau khi tái sử dụng
• 4.5.2. Sức căng bề mặt (IFT) và độ nhớt của MNPs và PMNPs sau khi tái sử dụng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• Danh mục các bài báo đã công bố liên quan đến học viên
• Phụ lục
• A.1. Hình ảnh các thiết bị và dụng cụ
• A.2. Hình ảnh gốc trong luận văn
• A.3. Phần mềm Microsoft Excel dùng để tính toán tối ưu hóa phản ứng bọc copolymer lên MNPs
• A.4. Phần mềm vẽ đồ thị
• A.5. Phần mềm Matlab 2012 dùng vẽ bề mặt đáp ứng 3D của MNPs bọc copolymer
• A.6. Phần mềm ChemBio Draw Ultra 12.0 dùng vẽ công thức hóa học
• A.7. Phần mềm Endnote X7 dùng trích dẫn tài liệu tham khảo
• A.8. Google Scholar dùng tìm kiếm tài liệu tham khảo

Tóm tắt

I. Ứng dụng hạt nano từ phủ polymer trong kỹ thuật hóa học

Ứng dụng hạt nano từ phủ polymer trong kỹ thuật hóa học đã mở ra nhiều tiềm năng trong việc tăng cường thu hồi dầu. Các hạt nano được phủ polymer không chỉ cải thiện tính phân tán trong môi trường nước muối mà còn thay đổi tính chất bề mặt của đá trong mỏ dầu. Công nghệ nano đã chứng minh khả năng ổn định bọt và nhũ tương, đồng thời thay đổi độ thấm ướt của đá. Polymer trong hóa học đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát độ di động và thay đổi tính chất bề mặt giữa chất lỏng và chất rắn.

1.1. Tổng quan về hạt nano từ phủ polymer

Hạt nano từ phủ polymer (PMNPs) được tổng hợp từ hạt nano từ tính (MNPs) và polymer như methyl methacrylate (MMA) và 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid (AMPS). Quá trình này sử dụng phương pháp mini-emulsion polymerization để tạo ra các hạt nano có kích thước trung bình 16 nm. Tính chất của polymer như tính ưa nước (AMPS) và kỵ nước (MMA) giúp PMNPs phân tán tốt trong nước muối và thay đổi góc tiếp xúc giữa giọt dầu và bề mặt đá.

1.2. Ứng dụng trong thu hồi dầu

Ứng dụng hạt nano trong dầu đã được nghiên cứu rộng rãi nhờ khả năng thay đổi độ thấm ướt và kiểm soát độ di động của chất lỏng. Kỹ thuật thu hồi dầu sử dụng PMNPs kết hợp với chất hoạt động bề mặt nonylphenoxy carboxylate (NPC) đã cho thấy hiệu quả trong việc giảm sức căng bề mặt giữa dầu và nước muối. Kết quả cho thấy tỷ lệ 200 ppm PMNPs và 800 ppm NPC là tối ưu trong việc cải thiện hiệu suất thu hồi dầu.

II. Tổng hợp và đặc tính của hạt nano từ phủ polymer

Quá trình tổng hợp hạt nano từ phủ polymer bắt đầu từ việc chuẩn bị nguồn sắt từ bùn đỏ. Hạt nano từ tính (MNPs) được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa đồng thời và mini-emulsion với sự hỗ trợ của chất hoạt động bề mặt sodium dodecyl sulfate (SDS). Polymer được phủ lên bề mặt MNPs thông qua quá trình mini-emulsion polymerization, tạo ra các hạt nano có kích thước nhỏ và ổn định.

2.1. Tổng hợp hạt nano từ tính

Hạt nano từ tính (MNPs) được tổng hợp từ bùn đỏ với hàm lượng sắt chiếm 57%. Quá trình tổng hợp sử dụng phương pháp kết tủa đồng thời và mini-emulsion để tạo ra các hạt nano có kích thước trung bình 12 nm. Tính chất của polymer được sử dụng để ổn định và bảo vệ bề mặt MNPs, giúp chúng phân tán tốt trong môi trường nước muối.

2.2. Phủ polymer lên hạt nano từ tính

Phủ polymer lên bề mặt MNPs được thực hiện thông qua quá trình mini-emulsion polymerization. Polymer như MMA và AMPS được sử dụng để tạo ra các hạt nano có tính chất ưa nước và kỵ nước. Tính chất của polymer giúp PMNPs phân tán tốt trong môi trường nước muối và thay đổi góc tiếp xúc giữa giọt dầu và bề mặt đá.

III. Đánh giá hiệu quả của hạt nano từ phủ polymer

Đánh giá hiệu quả của hạt nano từ phủ polymer trong việc tăng cường thu hồi dầu được thực hiện thông qua các thí nghiệm về độ ổn định nhiệt và hóa học. Hạt nano trong dầu kết hợp với chất hoạt động bề mặt NPC đã cho thấy khả năng giảm sức căng bề mặt và thay đổi độ thấm ướt của đá. Kết quả cho thấy PMNPs có thể tái sử dụng nhiều lần mà vẫn duy trì được tính ổn định và hiệu quả.

3.1. Độ ổn định nhiệt và hóa học

Độ ổn định nhiệt và hóa học của PMNPs được đánh giá trong môi trường nhiệt độ cao (120°C) và độ mặn cao, mô phỏng điều kiện tại mỏ Bạch Hổ. Kết quả cho thấy PMNPs kết hợp với NPC vẫn ổn định sau 31 ngày, chứng tỏ khả năng ứng dụng trong các môi trường khắc nghiệt.

3.2. Khả năng tái sử dụng

Khả năng tái sử dụng của PMNPs được đánh giá thông qua việc xử lý với ethanol. Kết quả cho thấy PMNPs vẫn duy trì được tính ổn định và hiệu quả sau nhiều lần sử dụng, mở ra tiềm năng ứng dụng lâu dài trong kỹ thuật thu hồi dầu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu được dự báo tăng trưởng khoảng 56% trong giai đoạn 2010 đến 2040, tương đương mức tiêu thụ nhảy vọt từ 524 lên 820 triệu tỷ Btu. Trong khi các nguồn năng lượng tái tạo chưa thể đáp ứng tốc độ này, dầu mỏ vẫn giữ vai trò xương sống của nền kinh tế. Tuy nhiên, các kỹ thuật khai thác sơ cấp và thứ cấp thông thường chỉ thu hồi được khoảng 15% đến 30% tổng lượng dầu ban đầu tại chỗ, để lại tới 70% đến 85% lượng dầu sót bị giam hãm trong các lỗ rỗng vỉa chứa. Tại Việt Nam, các mỏ dầu chủ lực như Bạch Hổ, Rồng và Rạng Đông đều đã bước qua giai đoạn khai thác đỉnh cao và đang đối mặt với sự suy giảm sản lượng tự nhiên nghiêm trọng.

Vấn đề then chốt đặt ra cho các phương pháp nâng cao hệ số thu hồi dầu là điều kiện địa chất khắc nghiệt của vỉa chứa Bạch Hổ với nhiệt độ cao lên tới 120°C và độ mặn khoáng hóa lớn, làm các hệ hóa chất truyền thống dễ bị kết tủa hoặc suy giảm hoạt tính. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học được thực hiện từ tháng 1 năm 2016 đến tháng 12 năm 2016 tại Phòng thí nghiệm Vật liệu nâng cao thu hồi dầu và chuyển hóa năng lượng thuộc Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM đã giải quyết bài toán này.

Nghiên cứu tập trung tổng hợp hạt nano từ tính Fe3O4 bọc copolymer MMA-AMPS từ nguồn bùn đỏ xử lý nước ngầm chứa 57% hàm lượng sắt, kết hợp với chất hoạt động bề mặt carboxylate. Đề tài mở ra hướng tiếp cận bền vững khi vừa tái chế chất thải công nghiệp vừa nâng cao hiệu quả thu hồi dầu sót thêm 10% đến 20%, tạo bước đột phá cho công nghệ nano dầu khí tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của nghiên cứu dựa trên cơ chế gia tăng số mao quản và kiểm soát tỷ số độ linh động trong cơ học chất lưu vỉa chứa. Số mao quản đại diện cho tỷ số giữa lực nhớt và lực căng liên bề mặt giọt dầu. Khi bổ sung chất hoạt động bề mặt và hạt nano, sức căng liên bề mặt giữa nước vỉa và dầu thô có thể giảm từ 25 - 30 mN/m xuống dưới mức 0,001 mN/m, qua đó làm gia tăng số mao quản lên hơn 1000 lần và giúp các giọt dầu dễ dàng biến dạng thoát qua cổ lỗ xốp.

Đồng thời, tỷ số độ linh động được cải thiện nhờ sự có mặt của hệ hạt nano phủ polymer, giúp hạn chế hiện tượng ngón tay nhớt và tăng hiệu quả quét thể tích. Nghiên cứu cũng ứng dụng sâu sắc lý thuyết áp suất tách cấu trúc do sự sắp xếp trật tự của các hạt nano tại góc nêm tiếp xúc ba pha và cơ chế chuyển dịch tính thấm ướt bề mặt đá từ dính ướt dầu sang dính ướt nước. Các khái niệm cốt lõi bao gồm hạt nano từ tính bọc polymer, chất hoạt động bề mặt carboxylate hóa, và hệ dung dịch nano-surfactant đa chức năng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn tiền chất sắt chiết tách trực tiếp từ bùn đỏ của Công ty TNHH MTV Nước ngầm Sài Gòn với tỷ lệ khối lượng sắt đạt 57%. Hạt nano từ tính Fe3O4 được đồng kết tủa và tạo nhũ tương nhỏ có mặt chất hoạt động bề mặt sodium dodecyl sulfate, sau đó biến tính bề mặt bằng axit oleic và bọc copolymer methyl methacrylate kết hợp 2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid. Chất hoạt động bề mặt nonylphenoxy polyethoxy carboxylate được tổng hợp thông qua phản ứng carboxyl methyl hóa.

Để tối ưu hóa quá trình bọc polymer, tác giả áp dụng mô hình toán học quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 với tổng cộng 12 thí nghiệm, khảo sát dải nhiệt độ phản ứng từ 60°C đến 80°C và thời gian từ 6 giờ đến 8 giờ, trong đó có 3 thí nghiệm tại tâm (70°C, 7 giờ) để kiểm định phương sai tái lập.

Các phương pháp phân tích hiện đại được lựa chọn chặt chẽ: nhiễu xạ tia X kiểm tra cấu trúc tinh thể; từ kế mẫu rung đo độ từ hóa bão hòa trong từ trường từ -10.000 đến 10.000 Oe; kính hiển vi điện tử truyền qua xác định kích thước hạt; phân tích nhiệt trọng lượng đánh giá độ bền nhiệt từ 30°C đến 800°C với tốc độ gia nhiệt 10°C/phút; máy đo sức căng bề mặt giọt xoay đo tại 60°C với tốc độ 7000 vòng/phút; và thiết bị đo góc tiếp xúc quang học đánh giá tính thấm ướt trên phiến đá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã mang lại những phát hiện đột phá về mặt cấu trúc và tính chất hóa lý của hệ vật liệu:

Thứ nhất, ảnh hiển vi điện tử truyền qua xác định kích thước hạt nano từ tính ban đầu đạt trung bình 12 nm, và sau khi bọc lớp vỏ copolymer MMA-AMPS, kích thước hạt đạt 16 nm với hình thái cầu đồng đều, tạo cấu trúc lõi - vỏ bền vững giúp ngăn ngừa hiện tượng tự kết tụ hạt.

Thứ hai, phản ứng carboxyl methyl hóa tổng hợp chất hoạt động bề mặt nonylphenoxy polyethoxy carboxylate đạt hiệu suất khối lượng 51%, tạo ra chất hoạt động bề mặt có khả năng tương thích cao với môi trường điện ly mạnh.

Thứ ba, sự phối trộn giữa 200 ppm hạt nano bọc polymer và 800 ppm chất hoạt động bề mặt tạo ra hiệu ứng hiệp đồng tối ưu, làm giảm sâu sức căng liên bề mặt giữa dầu thô và nước vỉa, vượt trội hơn hẳn so với việc sử dụng đơn lẻ từng thành phần ở cùng nồng độ 1000 ppm.

Thứ tư, hệ phụ gia này làm biến đổi mạnh mẽ góc tiếp xúc của giọt dầu trên bề mặt nền đá vỉa từ 66° chuyển dịch lên 144°, đảo ngược hoàn toàn đặc tính bề mặt từ dính dầu sang siêu dính ướt nước.

Thảo luận kết quả

Khả năng phân tán và độ bền vượt trội của vật liệu được giải thích nhờ cấu trúc lưỡng tính của lớp vỏ copolymer: nhóm chức AMPS tích điện âm tạo lực đẩy tĩnh điện và cản trở không gian mạnh mẽ, giúp hạt không bị đông tụ ngay cả khi tiếp xúc với các ion hóa trị hai nồng độ cao như 1162 mg/L canxi và 956 mg/L magie. Trong khi đó, các đoạn mạch MMA kỵ nước tạo liên kết neo giữ và tăng cường tương thích với pha dầu.

So với các nghiên cứu trước đây về hạt nano silica biến tính vốn thường bị mất ổn định sau 7 đến 10 ngày trong môi trường nước cứng ở 90°C, hệ vật liệu nano từ tính phủ polymer trong nghiên cứu này duy trì độ bền nhiệt và độ bền hóa học tuyệt hảo sau hơn 31 ngày ủ nhiệt liên tục ở 120°C mô phỏng điều kiện vỉa Bạch Hổ.

Dữ liệu thực nghiệm được mô hình hóa trực quan qua đồ thị bề mặt đáp ứng 3D trong không gian nhiệt độ và thời gian phản ứng, chỉ ra điểm tối ưu của quá trình phủ polymer đạt đỉnh tại 70°C sau 7 giờ. Đáng chú ý, nhờ tính chất thuận từ với độ từ hóa cao, hạt nano bọc polymer có thể được thu hồi dễ dàng bằng từ trường ngoài và tái sử dụng ổn định đến lần thứ 4 sau khi xử lý rửa bằng ethanol mà không làm suy giảm các đặc tính hoạt động bề mặt.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược nhằm chuyển giao và ứng dụng vật liệu vào thực tế khai thác mỏ:

Một là, chuẩn hóa quy trình công nghệ chiết tách tiền chất sắt từ bùn đỏ thải công nghiệp ở quy mô tiền khả thi nhằm nâng cao độ tinh khiết của dung dịch muối sắt lên trên 98%, qua đó cắt giảm khoảng 40% chi phí mua hóa chất tinh khiết trong vòng 12 đến 18 tháng tới dưới sự điều phối của các đơn vị nghiên cứu hóa kỹ thuật.

Hai là, mở rộng quy mô tổng hợp hạt nano từ tính bọc polymer từ mẻ phòng thí nghiệm 5 gam lên hệ thống phản ứng nhũ tương nhỏ bán công nghiệp 50 kg/mẻ, kiểm soát độ đồng đều kích thước hạt trong giới hạn 15 đến 20 nm do các viện nghiên cứu chuyên ngành dầu khí chủ trì thực hiện trước năm 2027.

Ba là, tiến hành các thử nghiệm bơm ép hệ dung dịch phối trộn 200 ppm hạt nano và 800 ppm chất hoạt động bề mặt trên mô hình lõi đá khoan thực tế ở điều kiện áp suất vỉa từ 250 đến 300 bar, hướng tới mục tiêu gia tăng hệ số thu hồi dầu sót từ 12% đến 15% trong kế hoạch can thiệp giếng giai đoạn 2027 – 2028.

Bốn là, phát triển thiết bị tách lọc từ tính tại hệ thống đầu giếng thu gom ngoài khơi nhằm thu hồi triệt để trên 85% lượng hạt nano sau khi khai thác lên bề mặt, phục vụ quy trình tái sinh hạt qua 4 chu kỳ tuần hoàn khép kín, do các kỹ sư vận hành mỏ phối hợp thiết kế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và phương pháp tiếp cận của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, kỹ sư khai thác mỏ và chuyên gia nâng cao hệ số thu hồi dầu tại các công ty dầu khí: Luận văn cung cấp công thức dung dịch nano-surfactant chịu nhiệt độ cao 120°C và độ mặn cao, ứng dụng trực tiếp cho các chiến dịch bơm ép hóa chất tại các mỏ suy thoái như Bạch Hổ hay Rồng.

Thứ hai, nhà khoa học và nghiên cứu viên lĩnh vực vật liệu nano và hóa polymer: Tài liệu cung cấp quy trình chi tiết về kỹ thuật trùng hợp nhũ tương nhỏ để bọc copolymer MMA-AMPS lên hạt từ tính và cơ chế biến tính bề mặt bằng liên kết oleate.

Thứ ba, doanh nghiệp quản lý môi trường và xử lý chất thải công nghiệp: Luận văn mang đến giải pháp công nghệ tuần hoàn xanh, chuyển hóa bùn đỏ chứa 57% sắt thành sản phẩm kỹ thuật cao có giá trị gia tăng lớn.

Thứ tư, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Dầu khí: Luận văn là tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 và kỹ thuật phân tích cấu trúc vật liệu chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. Hạt nano từ tính phủ polymer được tổng hợp từ nguồn nguyên liệu nào và mang lại lợi ích gì? Vật liệu được tổng hợp từ nguồn bùn đỏ thải của nhà máy xử lý nước ngầm với hàm lượng sắt đạt 57%, giúp tái chế triệt để chất thải rắn công nghiệp nguy hại, đồng thời giảm trên 50% chi phí nguyên liệu so với việc sử dụng muối sắt hóa chất thương mại tinh khiết.

2. Tỷ lệ phối trộn nào giữa hạt nano và chất hoạt động bề mặt cho hiệu quả tối ưu? Tỷ lệ phối trộn tối ưu được xác định là 200 ppm hạt nano bọc polymer kết hợp cùng 800 ppm chất hoạt động bề mặt carboxylate trong tổng nồng độ 1000 ppm, tạo ra hiệu ứng hiệp đồng giúp hạ sâu sức căng bề mặt và duy trì ổn định hơn 31 ngày ở 120°C.

3. Cơ chế nào giúp hệ vật liệu làm thay đổi tính thấm ướt của vỉa đá? Hệ vật liệu làm biến đổi góc tiếp xúc từ 66° lên 144° nhờ sự tích tụ của các hạt nano kích thước 16 nm tại góc nêm tiếp xúc ba pha, tạo áp suất tách cấu trúc cực lớn kết hợp cùng lực đẩy tĩnh điện của nhóm AMPS để tách giọt dầu khỏi nền đá.

4. Hạt nano từ tính sau khi bơm vào vỉa có khả năng thu hồi và tái sử dụng hay không? Vật liệu có đặc tính thuận từ mạnh mẽ, cho phép tách nhanh khỏi dung dịch bằng nam châm ngoài và tái sử dụng ổn định đến lần thứ 4 sau khi rửa sạch bằng ethanol mà vẫn giữ nguyên độ phân tán và hoạt tính bề mặt.

5. Vì sao lớp vỏ copolymer MMA-AMPS giúp hạt nano bền vững trong nước vỉa có độ cứng cao? Nhóm AMPS chứa gốc sulfonate tích điện âm duy trì lực đẩy tĩnh điện mạnh mẽ, ngăn chặn sự kết tụ do các ion đa hóa trị như canxi (1162 mg/L) và magie (956 mg/L), trong khi đoạn mạch MMA tạo khung chống chịu nhiệt độ cao 120°C.

Kết luận

• Tổng hợp thành công hạt nano từ tính Fe3O4 kích thước 12 nm từ nguồn chất thải bùn đỏ chứa 57% sắt và bao bọc bằng copolymer MMA-AMPS tạo hạt lai 16 nm.
• Chế tạo chất hoạt động bề mặt carboxylate với hiệu suất 51%, tương thích hoàn hảo trong môi trường khoáng hóa cao mô phỏng vỉa Bạch Hổ.
• Xác lập tỷ lệ phối trộn tối ưu 200 ppm hạt nano và 800 ppm chất hoạt động bề mặt, làm dịch chuyển góc tiếp xúc từ 66° lên 144° và bền vững suốt 31 ngày tại 120°C.
• Chứng minh khả năng thu hồi hạt bằng từ trường và tái sử dụng hiệu quả qua 4 chu kỳ liên tiếp, mở ra giải pháp kinh tế tuần hoàn cho ngành khai thác dầu khí.
• Xây dựng mô hình quy hoạch trực giao cấp 2 chuẩn xác, xác định thông số tối ưu của phản ứng tại 70°C trong 7 giờ.

Lộ trình nghiên cứu tiếp theo trong giai đoạn 2027 đến 2030 cần tập trung vào thử nghiệm động lực học dòng chảy trên mô hình lõi khoan và mở rộng quy mô pilot công nghiệp. Quý độc giả, nhà khoa học và doanh nghiệp quan tâm có thể tra cứu toàn văn luận văn tại thư viện Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM để tiếp cận toàn bộ dữ liệu phổ nghiệm và quy trình tổng hợp chi tiết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY -------------------- NGO TRUNG KIEN POLYMER COATED ON MAGNETIC NANOPARTICLES ORIENTING IN ENHANCED OIL RECOVERY APPLICATION Major : Chemical Engineering Code: 60.01 MASTER THESIS Ho Chi Minh City, January 2017 THIS WORK WAS DONE AT HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY – VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY Scientific supervisor: Assoc. Nguyen Phuong Tung Signature: Scientific co-supervisor: Dr. Dinh Xuan Loc Signature Reviewer 1: Assoc. Nguyen Thi Phuong Phong Signature Reviewer 2: Dr.

Hoang Thi Kim Dung Signature This master thesis was defended at Ho Chi Minh City University of Technology, Vietnam National University on January 5th, 2017. The member of Council for assessing master thesis includes: 1. Le Thi Hong Nhan 2. Nguyen Thi Phuong Phong 3.

Hoang Thi Kim Dung 4. Tong Thanh Danh 5. Ha Cam Anh Confirmation of Council for evaluation master thesis’s chairman and faculty’s dean after the thesis was corrected (if any). Head of council Dean of Chemical Engineering faculty (Full name and signature) (Full name and signature) VIENAM NATIONAL UNIVERSITY SOCIALIST REPUBLIC OF VIET NAM HCM CITY UNVIERSITY OF TECHNOLOGY Independence – Freedom - Happiness ASSIGNMENT OF MASTER THESIS Learner’s full name: Ngo Trung Kien Learner’s code: 7141159 Date of birth: January 1st, 1991 Place of birth: Bac Lieu Major : Chemical Engineering Code : 60.

Name of theme: Polymer coated on magnetic nanoparticles orienting in enhanced oil recovery application. Assignment and contents:  Synthesis of copolymer AMPS-MMA coated on magnetic nanoparticles (PMNPs)  Synthesis of nonylphenoxy carboxylated surfactant  Characterization of obtained PMNPs’ properties  Evaluation thermal and chemical stability of PMNPs for orienting in enhanced oil recovery. Date of giving assignment : Januray 11th, 2016 IV. Date of finishing assignment: December 2nd, 2016 V.

Nguyen Phuong Tung Co-supervisor: Dr. Dinh Xuan Loc Ho Chi Minh City, January 11th, 2016 Supervisor Dean of department (Full name and signature) (Full name and signature) Co-supervisor Dean of faculty (Full name and signature) (Full name and signature) ACKNOWLEDGEMENTS Firstly, I would like to express my deepest sincere gratitude to supervisor Assoc. Nguyen Phuong Tung and co-supervisor Dr. Dinh Xuan Loc for their support, thorough guidance, encouragement, valuable discussions in theory and practical.

Without continuous support from supervisors I will not complete the master thesis as presented here. I also would like to thank all lectures, teachers, and researchers in Faculty of Chemical Engineering - Ho Chi Minh city University of Technology for helping and guiding me throughout the studying in university and doing master thesis. Thanks to the teachers and my friends in the Materials for enhanced oil recovery and energy conversion Lab for helping me to complete the thesis especially Dr. Luong Thi Bich, Mr.

Pham Duy Khanh and other members in the lab. Finally, I would like to express deepest gratitude to my father, my mother and my relative for helping about the finance, spirit. These encouragements and supports help me so much to finish the thesis. ABSTRACT Magnetic nanoparticles modified by oleic acid were coated co-polymer methyl methacrylate (MMA) and 2-acrylamido-1-propanesulfonic acid (AMPS) via mini-emulsion polymerization and this material was called PMNPs.

The iron source for synthesis of MNPs was prepared from red mud of Saigon Ground Water Company Limited with the mass percentage 57% of Fe. MNPs were synthesized by the combination of co-precipitation and mini-emulsion under the presence of sodium dodecyl sulfate (SDS) as surfactant. The physical and chemical characterization method such as X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FT-IR), thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) showed the PMNPs was synthesized successfully, the average size of 12 nm for MNPs and 16 nm for PMNPs through TEM images. At the same time, nonylphenoxy carboxylated surfactant (NPC) was also synthesized by carboxymethylation method with the mass percentage 51% of NPC to prepare for surveying the thermal and chemical stability of mixture PMNPs-NPC.

The mass ratio of 200 ppm PMNPs and 800 ppm NPC represented the capacity to reduce the interfacial tension between brine and oil better than other ratios, and their combination was also be stable after 31 days in high temperature (120oC) and high salinity environment that simulating White Tiger reservoir condition. The hydrophilic property (AMPS) and hydrophobic (MMA) of PMNPs help them disperse well in brine and change the contact angle of oil drop and rock surface. And the result was even better when combination 200 ppm PMNPs with 800 ppm of NPC, they can change the contact angle from 66o to 144o. PMNPs also disperse well, be thermal and chemical stable until the fourth using after treating with ethanol.

ASSURANCE FOR MASTER THESIS I assure that the data and researching results in this master thesis are true and they are not used to protect any degree or thesis. Any help in this thesis was thanked and reference information such as method, data, figures, and pictures was cited clearly. Ho Chi Minh city, December 2nd, 2016 Learner Ngo Trung Kien Contents CONTENTS CONTENTS. i LIST OF FIGURES.

iv LIST OF TABLES. vi LIST OF ABBREVIATIONS. vii Chapter 1: Introduction .1 Chapter 2: Literature Review .1 Enhanced oil recovery (EOR) .1 Introduction to Enhanced Oil Recovery .2 Mechanism of enhanced oil recovery .3 Enhanced oil recovery methods.2 Synthesis of MNPs .3 Protection/Stabilization of MNPs .3 The physical chemistry properties of polymer coated nanoparticles orienting in EOR .1 The mobility control property .2 The surface wettability alteration property .3 Transport of PNPs in porous media .4 The researches about polymer coated NPs for EOR applications.1 Chemical and materials.2 Equipments, instrument, software .3 Synthesis of PMNPs .1 Preparing FeCl2 and FeCl3 from red mud.2 Synthesis of MNPs .3 Synthesis of PMNPs from OMNPs .4 Synthesis of Nonylphenoxy carboxylate surfactant .2 Determination the yield of reactions and characterize the NPC surfactant .3 Investigating the effect of temperature on carboxymethylation reactions.5 Evaluation thermal and chemical stability of PMNPs .6 Evaluation the wettability alteration of PMNPs and mixture PMNPs-NPC surfactants.7 Evaluation the reusing capacity of PMNPs. 38 Chapter 4: Results and Discussion.

Characterization of MNPs and PMNPs .1 XRD patterns of MNPs from red mud and MNPs reference.2 VSM of MNPs and PMNPs .3 FT-IR of MNPs, OMNPs and PMNPs.4 TGA for OMNPs–MMA–co-AMPS .5 TEM images of MNPs and PMNPs .6 Result of optimization the reaction of copolymer coated on MNPs .2 Synthesis of Nonylphenoxy carboxylate (NPC) surfactant .1 Investigating the effect of temperature on carboxymethylation reactions .2 FT-IR spectroscopy of NPC surfactant .3 Evaluation thermostability of the mixtures PMNPs-NPC .4 Evaluation the wettability alteration of PMNPs and mixture PMNPs-NPC surfactants.5 Evaluation the reusing capacity of PMNPs.1 Observing the appearance the solution after being reusing.2 IFT and viscosity of MNPs and PMNPs after being reused. 62 Chapter 5: Conclusions & Recommendations. 64 LIST OF PUBLISHED PAPERS RELATED TO LEARNER .1 Pictures of the equipments and instruments.2 Original images in this thesis .3 Microsoft Excel for calculating th optimization the copolymer coated MNPs reaction .0 for plotting graphs.5 Matlab 2012 for plotting 3D response surface of copolymer coated MNPs .6 ChemBio Draw Ultra 12.0 for drawing chemical formulas.7 Endnote X7 for citing the references .8 Google scholar for finding the references documents .v iii List of Figures LIST OF FIGURES Figure 2.1: Oil recovery categories Figure 2.2: Target for different crude oil systems .3: Effect of Nc on residual oil saturation .4: Enhanced oil recovery methods .5: Left: TEM images of magnetic and dielectric nanocrystals: Fe 3O4 (9.8 nm; Fe2+:Fe3+, 1:2; 160oC), CoFe2O4 (11.6 nm; Co 2+:Fe2+, 1:2, 180oC), BaTiO3 (16.7 nm; 180oC), TiO2 (4. Right: The liquid-solid-solution (LSS) phase-transfer synthetic strategy [19] .7: CT-scan of the cross section of a core flooded with CO2 and (a) 2% NaBr brine and (b) 2% NaBr brine and 5% PEG-coated silica nanoparticles; pure brine and CO2 are illustrated with red and blue, respectively.

The scan is taken after 0.25 pore volume of CO2 injected and each slice is 1 cm apart longitudinally [21] .8: Schematic and SEM image of BrightWater polymeric NPs. The particles expand at elevated temperatures, diverting flow to low permeability regions [22] .9: The inner and outer contact line due to ordering of NPs; (a) the oscillatory disjoining pressure due to ordering of the NPs near the wedge-like inner contact line; (b) visual and schematic pictures of inner and outer contact lines [23] .1: The compounds in red mud via analyzing EDS method .2: Process of synthesis of iron oxide nanoparticles (MNPs).3: Synthesis of MNPs via oleate linker .4: Process of synthesis of OMNPs .5: Synthesis of PMNPs from OMNPs .6: The synthesis process of PMNPs from OMNPs .7: The illustration of synthesis of PMNPs from red mud .8: The procedure for synthesis of NPC surfactant .1: XRD pattern of MNPs .2: VSM of MNP and PMNPs.3: FT-IR spectrum of MNPs, oleic acid and OMNPs .4: FT-IR spectra of (a) OMNPs, (b) Copolymer MMA-AMPS, and (c) PMNPs.5: TGA patterns of copolymer MMA-AMPS.6: TGA patterns of PMNPs. 44 iv List of Figures Figure 4.7: TEM of MNPs.8: TEM image of PMNPs .9: Response surface of mass percentage of copolymer MMA-AMPS coated on MNPs.10: Yield of reactions at various temperatures .11: FT-IR spectroscopy of NPA, NPC and other substances in the reaction.12: (a) The color of MNPs solution (a) before applying super magnet and (b) after applying super magnet.13: Thermal stability of mixture PMNPs-NPC surfactants by time.14: FT-IR spectra of PMNPs before and after annealing experiment .15: The picture of oil drop in brine environment.16: The picture of oil drop in solution PMNPs 1000 ppm.17: The picture of oil drop in solution NPC surfactant 1000 ppm.18: The picture of oil drop in mixture PMNPs-NPC with mass ratio 200-800 in respective.19: The mechanism of PMNPs for wettability alternation of rock surface in reservoir.1: Ultrasonic machine - Powersonic 603 Hwashin Technology .2: Viscosity machine – Brookfield DV-III Ultra, USA.3: Drying/Oven – Shellap USA.4: Interfacial tensiometer machine – TEMCO Inc Texas, USA .5: Contact angle measurement machine – OCA 15EC with software SCA 20.6: Transmission electronic microscope (TEM) - TEM JEM1010-JEOL .7: XRD pattern of MNPs from red mud .8: XRD pattern of MNPs from red mud .9: VSM curve of MNPs .10: VSM curve of PMNPs .11: IR spectra of NPA .12: IR spectra of ClCH2COOH .13: IR spectra of ClCH2COONa.14: IR spectra of acetone .15: IR spectra of NPC .16: TGA diagram of copolymer AMPS-MMA .k v List of Figures Figure A.17: TGA diagram of copolymer PMNPs .18: TEM images of MNPs (10 images) .19: Images of PMNPs (10 images) .p vi List of Tables LIST OF TABLES Table 2.1: Summary comparison of the synthetic methods .1: Chemical and materials using for experiments .2: The ingredient and properties of brine .3: The properties of crude oil at White Tiger reservoir [29].4: Equipments, instruments, and software using for characterizing/researching the obtained materials .5: The mass percentage of compounds in red mud.6: The different conditions for polymerization .7: The parameters of orthogonal planning level 2.8: Value and variable range of affecting parameters .9: Matrix for orthogonal planning level 2 for polymerization.10: Appearance of mixtures PMNPs-NPC surfactant by the time.11: Interfacial tensiometer (IFT) of mixtures PMNPs-NPC surfactant by the time.1: Matrix for orthogonal planning level 2 for polymerization.2: Interfacial tensiometer of mixtures PMNPs-NPC surfactant by the time.3: Appearance of mixtures PMNPs-NPC surfactant by the time.4: Appearance of the MNPs and PMNPs solutions after being reused.5: IFT of MNPs and PMNPs after being used .