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석유증진회수에 적합한 나노 에멀젼의 제조 및 필터링 시험 분석
손한암,이근주,조장우,임경철,김진웅,김현태,Son, Han Am,Lee, Keun Ju,Cho, Jang Woo,Im, Kyung Chul,Kim, Jin Woong,Kim, Hyun Tae 대한자원환경지질학회 2013 자원환경지질 Vol.46 No.1
최근 나노기술을 이용한 석유증진회수기술은 미국을 중심으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 지금까지의 연구에서는 주로 다공성 매체 내 나노입자의 유동특성이나 나노 에멀젼 자체의 안정성 평가에만 중점을 두었으며, 다공성 매체 내 나노 에멀젼의 유동시 중요한 역할을 하는 나노 에멀젼과 공극의 크기 효과는 분석하지 않았다. 이 연구에서는 석유증진회수기술에 적용 가능한 나노기반의 에멀젼을 제조하였으며, 그 특성을 분석하였다. 또한 다공성 매체 내 나노 에멀젼의 유동특성을 파악하기 위해 필터링 시험을 통해 나노 에멀젼의 크기효과를 분석하였다. 연구결과 나노 에멀젼의 제조시 SCA(Silane Coupling Agent)나 PVA(poly Vinyl Aclohol)를 첨가하여 에멀젼을 제조할 때 안정성이 개선되며, 물에 비해 데칸의 비율이 높을수록 점성도가 높아지고, 액적크기가 증가하는 것을 확인하였다. 대기압조건하에서 수행한 필터링 시험에서는 분리된 물이 주로 통과하고 액적은 통과하지 못하는 것이 확인되었다. 이는 액적의 유동력이 필터에 작용하는 모세관압을 극복하지 못하였기 때문에 나타난 현상이다. 흡입압력을 작용한 필터링시험에서는 $60{\mu}m$ 크기 이상의 필터에서는 대부분 액적이 통과 하였으나, $45{\mu}m$ 이하의 필터에서는 통과비율이 급격히 저하되는 것을 확인하였다. 이러한 현상은 필터 공극 통과시 강한 전단응력에 의해 액적이 변형되거나 파괴되어 공극을 막기 때문에 나타나는 현상으로 보인다. 이 연구에서 밝혀진 기본적인 나노 에멀젼의 특성 및 필터링 시험 결과는 향후 안정적인 나노 에멀젼 제조나, 다공성 매체 내 잔류오일 회수연구에 중요한 역할을 할 수 있을 것이다. Researches on the oil recovery enhancement using the nanotechnology has recently been studied in the United States. The previous researches has focused mainly on the flow characteristics of nanoparticles in porous media, and the stability of the nano-emulsion itself. However, the analysis did not deal with the size effects between a nano-emulsion and the pore size which has an important role when nano-emulsion flows in the porous media. In this research, nano-based emulsion was fabricated which is able to be applied for the enhanced oil recovery techniques and its characteristics was analyzed. In addition, in order to identify the characteristics of nano-emulsions flowing through the porous media, the size effect was analysed by filtering test. According to the results, when the emulsion was fabricated, SCA(Silane Coupling Agent) or PVA(Poly Vinyl Alcohol) are added to improve the stability of emulsion. As the ratio of the decane to water increased, the viscosity of emulsion and the droplet size also increased. For the filtering test at the atmospheric conditions, the droplet did not go through the filter; only the separated water from the emulsion was able to be filtered. This phenomenon occurred because the droplet was not able to overcome the capillary pressure. At the filtering test by suction pressure, most of the emulsion was filtered over the filter size of $60{\mu}m$. However, the ratio of filtration was rapidly degraded at less than $45{\mu}m$ filters. This is caused due to deformation and destruction of the droplet by strong shear stress when passing through the pore. The results from the study on the basic characteristic of nano-emulsion and filtering test will be expected to play as the important role for the fabrication of the stable nano-emulsion or the research on the recovery of residual oil in porous media.
나노입자기반 CO<sub>2</sub> 폼을 이용한 CO<sub>2</sub> 지중저장에 대한 기술적 고찰
손한암,Son, Han Am 대한자원환경지질학회 2020 자원환경지질 Vol.53 No.2
이산화탄소(CO<sub>2</sub>)를 대염수층에 폼 상태로 주입할 경우 그대로 주입했을 때보다 CO<sub>2</sub>의 상대투과도가 감소하고 점성도가 증가하여 유동도가 감소한다. 이로 인해 대염수층과의 CO<sub>2</sub>와의 접촉효율이 증가하면서 궁극적으로 CO<sub>2</sub> 저장효율이 향상된다. 일반적으로 CO<sub>2</sub> 폼 형성을 위해서 계면활성제를 사용하였는데, 최근에는 계면활성제만을 사용했을 때보다 안정적인 폼 형성을 위해서 나노입자를 이용한 연구가 많이 수행되고 있다. 이 논문에서는 나노입자 기반 CO<sub>2</sub> 폼을 이용한 CO<sub>2</sub> 저장기술에 대해서 소개하였다. 친수성 나노입자의 일부표면을 CO<sub>2</sub> 친화적인 부분으로 개질하면 입자는 CO<sub>2</sub>와 물에 양친성을 나타내므로 고온, 고염도 조건의 심부 대염수층에서도 폼은 상대적으로 안정적인 상태를 유지할 수 있다. 경제적인 측면에서 나노기반 CO<sub>2</sub> 폼 주입공법은 일반적인 CO<sub>2</sub> 주입보다 비용이 증가하지만 주입 효율성이 향상되므로 가격 경쟁력이 있을 것으로 추정된다. 환경적 측면에서 살펴보자면 세계적으로 오염물질 제거, 석유생산 등 특수한 목적을 위해 대수층이나 저류층에 계면활성제나 나노물질 등의 화학물질 주입이 가능한 상황이다. 그러나 일부 연구에 의하면 나노입자나 계면활성제에는 수생동물에 영향을 줄 수 있는 독성이 있는 것으로 알려져 있기에 환경적 검증된 물질을 사용해야 할 것이다. 따라서 향후에도 추가적인 연구개발을 통해 환경적으로도 안전하면서도 경제적으로도 합리적인 나노기반 CO<sub>2</sub> 폼 제조 및 주입에 대한 연구가 필요할 것이다. When CO<sub>2</sub> foam is injected into the saline aquifer, the relative permeability of CO<sub>2</sub> decreases and its viscosity increases, thereby reducing mobility in porous media and ultimately improving CO<sub>2</sub> storge with enhanced sweep efficiency. In general, surfactants were used to fabricate CO<sub>2</sub> foam. Recently, nanoparticles have been used to form stable foam than surfactant. This paper introduces CO<sub>2</sub> storage technology using nanoparticle stabilized CO<sub>2</sub> foam. If the surface of the hydrophilic nanoparticles is partially modified into a CO<sub>2</sub>-philic portion, the particles have an affinity for CO<sub>2</sub> and water, thus forming a stable CO<sub>2</sub> foam even in deep saline aquifers under high temperature and high salinity conditions, thereby it can be stored in the pores of the rock. In terms of economics, injection method using nanopaticle-stabilized CO<sub>2</sub> foam is more expensive than the conventional CO<sub>2</sub> injection, but it is estimated that it will have price competitiveness because the injection efficiency is improved. From an environmental point of view, it is possible to inject chemical substances such as surfactants and nanomaterials into aquifers or reservoirs for specific purposes such as pollutant removal and oil production. However, some studies have shown that nanoparticles and surfactants are toxic to aquatic animals, so environmentally proven substances should be used. Therefore, further research and development will be needed to study the production and injection of nanoparticle-stabilized CO<sub>2</sub> foam that are environmentally safe and economically reasonable.