Dodecyltrimethylammonium chloride adsorption at the silica/water interface studied by Sum Frequency Generation

La génération des fréquences somme (SFG), une technique spectroscopique spécifique aux interfaces, a été utilisée pour caractériser les changements de la structure macromoléculaire du surfactant cationique chlorure de dodécyltriméthylammonium (DTAC) à l’interface silice/eau dans une plage de pH variant entre 3 et 11. Les conditions expérimentales ont été choisies pour imiter les conditions les plus communes trouvées pendant les opérations de récupération assistée du pétrole. Particulièrement, la silice a été étudiée, car elle est un des composantes des surfaces minérales des réservoirs de grès, et l’adsorption du surfactant a été étudiée avec une force ionique pertinente pour les fluides de la fracturation hydraulique. Les spectres SFG ont présenté des pics détectables avec une amplitude croissante dans la région des étirements des groupes méthylène et méthyle lorsque le pH est diminué jusqu’à 3 ou augmenté jusqu’à 11, ce qui suggère des changements de la structure des agrégats de surfactant à l’interface silice/eau à une concentration de DTAC au-delà de la concentration micellaire critique. De plus, des changements dans l’intensité SFG ont été observés pour le spectre de l’eau quand la concentration de DTAC augmente de 0,2 à 50 mM dans les conditions acide, neutre et alcaline. À pH 3, près du point de charge zéro de la surface de silice, l’excès de charge positive en raison de l’adsorption du surfactant cationique crée un champ électrostatique qui oriente les molécules d’eau à l’interface. À pH 7 et 11, ce qui sont des valeurs au-dessus du point de charge zéro de la surface de silice, le champ électrostatique négatif à l’interface silice/eau diminue par un ordre de grandeur avec l’adsorption du surfactant comme résultat de la compensation de la charge négative à la surface par la charge positive du DTAC. Les résultats SFG ont été corrélés avec des mesures de l’angle de contact et de la tension interfaciale à pH 3, 7 et 11. Sum Frequency Generation (SFG), an interface specific spectroscopic technique, was used to characterize the changes in the macromolecular structure of the cationic surfactant dodecyltrimethylammonium chloride (DTAC) at the silica/water interface at pH values ranging from 3 to 11. The experimental conditions were selected to mimic conditions common during enhanced oil recovery operations. In particular, silica was studied since it is one of the most abundant mineral components of sandstone reservoirs, and surfactant adsorption was studied at an ionic strength (100 mM NaCl) relevant to hydraulic fracturing fluids. SFG spectra showed detectable peaks with increasing amplitude in the methylene and methyl stretching region when the pH was lowered to 3 or increased to 11, suggesting changes in the surfactant aggregate structure at the silica/water interface at a DTAC concentration above the critical micelle concentration. In addition, changes in the SFG intensity were observed for the water spectrum when increasing the DTAC concentration from 0.2 to 50 mM under acidic, neutral or alkaline conditions. At pH 3, near the point of zero charge of the silica surface, the excess positive charge due to adsorption of the cationic surfactant creates an electrostatic field that orients water molecules at the interface. At pH 7 and 11, which are above the point of zero charge of the silica surface, the negative electrostatic field at the silica/water interface decreases in magnitude with surfactant adsorption due to compensation of the negative surface charge by the positively charged DTAC. The SFG results were correlated with contact angle and interfacial tension measurements at pH 3, 7 and 11.

Keyphrases: Spectroscopie nonlinéaire, Interfaces minéraux/eau, Mouillabilité, Tension interfaciale, Fracturation hydraulique, Surfactants d’alkylammonium, Nonlinear spectroscopy, Alkylammonium surfactants, Mineral/Water interfaces, Wettability, Interfacial tension, Hydraulic fracturing