Экспериментальные исследования процессов агрегации и самосборки наночастиц в нефтяных дисперсных системах

Abstract

Впервые описана новая модель для определения структурных характеристик нефтяных дисперсных систем импульсным методом ядерного магнитного резонанса. Главное ее отличие заключается в подходе, основанном на явлении сольватации, которое приводит к неэкспоненциальной ядерной релаксации молекул углеводородов. Получены формулы для расчета радиуса асфальтенового ядра, толщины адсорбционно-соль­ватной оболочки дисперсных наночастиц. Проведены эксперименты с модельными дисперсными системами с различными добавками асфальтено-смолистых веществ, исследована структура нативных нефтей с высоким содержанием асфальтенов. Получено, что радиус асфальтеного ядра изменяется от 27 до 106 нм, толщина адсорбционно-сольватного слоя из смол составляет 8-55 нм. Рассмотрен механизм агрегации ядра при изменении содержания асфальтенов. Рост радиуса ядра описывается не монотонной зависимостью, отражающей наличие у асфальтенов долгоживущих метастабильных состояний, что однозначно подтверждается периодическими колебаниями энергии активации дисперсионной среды. Показано, что основную роль в формировании надмолекулярных структур играют слабые водородные связи с энергией 5,6-8,9 кДж/моль, которые обусловливают формирование в дисперсной системе фрактальных агрегатов с переменной плотностью от центра к периферии комплекса. При этом, чем больше линейные размеры конечных агрегатов, тем ниже энергия связи. Расчет фрактальной размерности асфальтеновых кластеров показал, что она составляет 1,739 ед. С использованием энергии активации дисперсной фазы и дисперсионной среды впервые для нативных нефтей построена функция агрегации ядра от безразмерной энергии, которая может быть использована при разработке новых нанотехнологий в нефтепромысловом деле, а также для формирования банка данных структурных параметров нефтей различных регионов.