一种有机Janus纳米片稳定水基二氧化碳泡沫及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种有机Janus纳米片稳定水基二氧化碳泡沫及其制备方法与应用。首先提供有机Janus纳米片的制备方法：S1、将疏水端分子在乙醇与水的混合液中进行自发有序排列；S2、将亲水端分子加入至S1的溶液中，并调节pH值为6.0～6.5，进行有机Janus纳米片单体的合成；S3、向S2的溶液中加入乙醇，并调节pH值为6.0～6.5，进行加热回流；然后调节pH值为7.0～8.0，加入乙醇钠，调节温度至70～85℃，在惰性气氛下进行反应，调节pH至8.0～9.0，搅拌至完全溶解即得。所述水基CO2泡沫由CO2和液相制成，液相为表面活性剂和有机Janus纳米片的水溶液。本发明专利技术有机Janus纳米片合成无需构建相界面，制备方法简单，反应条件温和，且过程中可通过调节溶液pH值与合成时间，控制纳米片的纵横比，得到目的尺寸的Janus纳米片。得到目的尺寸的Janus纳米片。

【技术实现步骤摘要】
一种有机Janus纳米片稳定水基二氧化碳泡沫及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种有机Janus纳米片稳定水基二氧化碳泡沫及其制备方法与应用，属于纳米材料制备技术和碳封存及利用


技术介绍

[0002]化石燃料是世界能源供应的主要来源之一，然而随着社会需求的不断增长，化石燃料的大量消耗加剧了CO2等温室气体的排放。大气中CO2的过度排放导致地球温度升高，气候变化剧烈。如何降低大气中CO2浓度已受到全世界广泛的关注与重视。碳捕获、利用和封存(CCUS)技术被认为是降低大气中CO2浓度最有效的解决方案之一。将CO2注入地层是目前最具潜力的大规模封存CO2的方法之一，如注入深层盐水层、废弃的油气藏、煤层，以及用于油气提高采收率。然而，由于CO2与油、水相比粘度和密度低得多，流度高，在地层流动过程中极易发生重力分异现象和指进现象，从而导致低波及效率和封存量。
[0003]泡沫是一种多相流体，体系粘度大，在多孔介质流动过程中产生贾敏效应，增大流动阻力，降低气体流度，因此被视作高效控制流度体系。然而泡沫是一种热力学不稳定体系，析液、聚并、破裂等行为导致泡沫作用减弱。基于Pickering理论，利用纳米颗粒在泡沫表面吸附，可以提高泡沫的稳定性。大量研究证明，纳米颗粒
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表面活性剂体系可以制备粘度更高的均质泡沫，比纯表面活性剂溶液制备的泡沫具有更强的流度控制能力。纳米颗粒强化泡沫由于高贾敏阻力和壁面摩擦阻力，可以控制流体流动方向，提高波及系数。
[0004]根据颗粒尺寸和横纵比，纳米颗粒主要可以分为三类：零维纳米颗粒、一维纳米颗粒(如纳米线)、二维纳米颗粒(如纳米片)。零维纳米颗粒主要表现为球形，常用的材料基底有Si、Ti、Fe、Al等元素的氧化物，其稳泡机理主要是通过吸附于泡沫的气液界面及Plateau边界处，减小气泡之间的接触面积，形成致密粒子化膜来抑制气泡的聚并和歧化，延长液膜的排液时间，同时提高液膜骨架强度。此外，纳米颗粒可以提高液膜界面粘弹性，液膜在受到外力冲击时自我复原能力增强。但是由于零维纳米材料的形貌特点，在液膜表面呈部分堆叠吸附状态，容易产生滑移，从而导致减缓聚并的作用受到限制。此外，相比于空气或氮气，CO2扩散性更强，CO2泡沫稳定性更差。球形零维纳米材料纵横比及尺寸均较小，在气液界面吸附形成纳米强化膜时所需的量更大，且颗粒之间空隙大，CO2扩散的抑制作用受到限制。一维纳米颗粒主要通过在液膜内形成网状结构提高液相的粘度，从而抑制液膜析液导致液膜变薄来提高泡沫的稳定性。另一方面，一维纳米颗粒可以促进界面处表面活性剂分子排列更加紧密，增大气体透过液膜的难度，从而减缓气泡的聚并和歧化。但一维纳米颗粒的缺点也很明显，液膜机械强度无法得到有效增强，且一维纳米颗粒在液膜表面的分布普遍不均匀，且在稍高浓度下，自身易发生缠绕团聚成大分子聚合物，从而使其难以在相界面处维持稳定状态。另外，和零维纳米颗粒相似，一维纳米颗粒稳定CO2泡沫时仍需大量颗粒的吸附，造成成本提升。
[0005]基于上述问题，二维纳米颗粒用于稳定相界面受到了关注。首先，从形态学分析，
相较于零维和一维纳米颗粒，二维纳米颗粒因为其独特的片状形貌，较大的纵横比使其具备更稳定地吸附于相界面的潜力，从而在界面处形成界面铠甲膜，不易脱落，用量小，且纳米片之间空隙小，气泡之间的传质现象受到限制，因此具有更强的抑制气泡间CO2扩散的潜力。其次，根据吸附能可知，二维纳米片难以有效地吸附到乳液或气泡表面提高稳定性，主要受纳米片亲疏水特性和尺寸控制的影响。得益于纳米片的两面特性，受到表面活性剂分子结构的启发，可以将二维纳米片两侧分别赋予亲水和疏水特性，使其获得截然相反的性质特征，即Janus特性，从而使Janus粒子自发趋于相界面，形成稳定的乳液或泡沫的强化层。目前二维Janus纳米片常被用于制备Pickering乳液，在化妆品、建筑、医药等行业均产生极大的应用价值。然而，相较于油水相界面，泡沫气水相界面的界面张力更大，气体扩散等现象更加剧烈，尤其是CO2气体，因此气水界面的稳定更加困难，目前鲜有Janus纳米片稳定泡沫的报道。泡沫的强不稳定性对Janus纳米片亲疏水平衡及易紧密吸附尺寸提出了极大的挑战。因此，需要提供一种能够实现低成本、条件温和下合成Janus纳米片，并能用于紧密包覆在泡沫表面形成超稳定水基CO2泡沫的方法，从而有效控制CO2在多孔介质运移过程中的流度，提高CO2封存安全性及地质封存量。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种有机Janus纳米片稳定水基二氧化碳泡沫，其中，二维有机Janus纳米片两亲性基团分布均匀，Janus特性强，纳米片尺寸可控，且合成简单；本专利技术涉及的二维有机Janus纳米片可以在气泡表面形成致密的纳米铠甲层，抑制CO2扩散，提高泡沫稳定性，纳米铠甲层界面粘弹性强，能有效抑制CO2窜流，控制CO2流度，有助于扩大CO2封存范围，提高地质封存量。
[0007]本专利技术中所述的“二维纳米材料”，指的是有一个维度处于纳米尺寸的纳米材料，如纳米片、纳米膜等。
[0008]本专利技术首先提供一种有机Janus纳米片的制备方法，包括如下步骤：
[0009]S1、将含有长链烷烃及伯氨基的疏水端分子经充分研磨在乙醇或其他一元醇与水的混合液中以高于室温3～5℃的温度下慢速搅拌，直至溶液无浑浊状态，所述疏水端分子完全溶解，在此期间应避免大幅震荡，使其进行自发有序排列；
[0010]S2、将含有羟基和亲水基团的亲水端分子加入至步骤S1的溶液中，加入少量弱酸并调节pH值为6.0～6.5，在惰性气氛下每隔20～30分钟降低5～10℃，逐渐降低至室温，进行有机Janus纳米片单体的合成，期间会观测到颜色明显加深，表明发生了亲核加成反应；
[0011]S3、向步骤S2的溶液中加入乙醇调整溶剂组成比例，并滴加弱酸调节pH值为6.0～6.5，静置反应5～10min；然后调节pH值为7.0～8.0，加入乙醇钠，调节温度至70～85℃，添加冷凝回流装置在惰性气氛下进行反应，向体系中加入NaOH调节pH至8.0～9.0，搅拌至完全溶解后，停止搅拌静置，即可得到所述有机Janus纳米片。
[0012]上述的制备方法中，所述疏水端分子为十八胺或十二胺等含伯胺基团的长链烷烃；
[0013]所述亲水端分子为多巴胺、酪胺或2,4
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二羟基苯乙胺等含有酚羟基和亲水基团的芳香烃类化合物。
[0014]上述的制备方法中，步骤S1中，所述疏水端分子、所述乙醇与所述水的质量比为1：
20～100：10～50。
[0015]上述的制备方法中，步骤S1中，所述自发有序排列的步骤如下：
[0016]将所述疏水端分子加入至所述乙醇或其他一元醇溶液中，于60～80℃的条件下回流至溶解；然后加入所述水，至无浑浊后停止搅拌；在50～70℃的条件进行所述自发有序排列。
[0017]上述的制备方法中，步骤S2中，所述回流的条件如下：
[0018]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有机Janus纳米片的制备方法，包括如下步骤：S1、将疏水端分子在乙醇与水的混合液中进行自发有序排列；S2、将亲水端分子加入至步骤S1的溶液中，并调节pH值为6.0～6.5，在惰性气氛下回流，进行有机Janus纳米片单体的合成；S3、向步骤S2的溶液中加入乙醇，并调节pH值为6.0～6.5，进行加热回流；然后调节pH值为7.0～8.0，加入乙醇钠，调节温度至70～85℃，在惰性气氛下进行反应，加入NaOH调节pH至8.0～9.0，搅拌至完全溶解，得到所述有机Janus纳米片。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述疏水端分子为十八胺或十二胺；所述亲水端分子为多巴胺、酪胺或2,4
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二羟基苯乙胺。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述疏水端分子、所述乙醇与所述水的质量比为1：20～100：10～50。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述自发有序排列的步骤如下：将所述疏水端分子加入至所述乙醇中，于60～80℃的条件下回流至溶解；然后加入所述水，至无浑浊后停止搅拌；在50～70℃的条件进行所述自发有序排列。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的制备方法，其特征在于：步骤S2中，所述回流的条件如下：初始温度为50～80℃，每隔20～30分钟降低5～10℃，逐渐降低至室温；步骤S2的体系中，所述亲水端分子的质量百分比为0.5～1.5％；所述亲水端分子与所述疏水端分子的质量比为1：2～5。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕其超，周同科，高正恩，阿卜胡森，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：