CO₂ RESPONSIVE NANOPARTICLES FOR ENVIRONMENTAL AND INDUSTRIAL APPLICATIONS

Abstract

This thesis investigates the interfacial behavior, colloidal stability, foam stabilization capacity, and CO₂ uptake of CO₂-responsive silica nanoparticles, synthesized via surface functionalization with single and dual silane chemistries. The surface modification was carried out using N1-(3-trimethoxysilylpropyl) diethylenetriamine and N,N-diethylaminopropyl trimethoxysilane to impart CO₂-responsiveness and tunable surface properties. Comprehensive characterization techniques were employed to assess their physicochemical properties. Colloidal stability was analyzed using analytical centrifugation, while foamability and foam stability were evaluated under CO₂ and N₂ environments using a Dynamic Foam Analyzer (DFA 100). The results demonstrate that surface chemistry, pH, and gas environment are critical parameters influencing interfacial rheology and particle-mediated stabilization mechanisms. Notably, the engineered nanoparticles exhibited colloidal stability and foam stabilization without the use of conventional surfactants under acidic conditions. This study offers valuable insights into the design of stimuli-responsive nanomaterials for applications in enhanced oil recovery (EOR) and CO₂ capture, and contrasts their performance with traditional surfactant-based systems.

تتناول هذه الرسالة سلوك الجسيمات النانوية المستجيبة لغاز ثاني أكسيد الكربون (CO₂) عند السطح البيني، واستقرارها الغرواني، وقدرتها على تثبيت الرغوة، بالإضافة إلى قابليتها لالتقاط غاز CO₂. وقد تم تصنيع هذه الجسيمات النانوية من السيليكا من خلال تعديل سطحي باستخدام كيمياء السيلان الأحادي والثنائي والثلاثي. شمل التعديل السطحي استخدام مركب N1-(3-trimethoxysilylpropyl) diethylenetriamine ومركب N,N-diethylaminopropyl trimethoxysilane بهدف إضفاء خاصية الاستجابة لثاني أكسيد الكربون وتعديل خصائص السطح بطريقة قابلة للضبط.

تم استخدام تقنيات توصيف شاملة لتقييم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للجسيمات. وقد تم تحليل الاستقرار الغرواني باستخدام جهاز الطرد المركزي الضوئي التحليلي، بينما تم تقييم قابلية تشكيل الرغوة وثباتها في بيئتي CO₂ وN₂ باستخدام جهاز تحليل الرغوة الديناميكي (DFA 100).

أظهرت النتائج أن كيمياء السطح، ودرجة الحموضة (pH)، ونوع الغاز المستخدم هي عوامل حاسمة تؤثر على سلوك السطح البيني وآليات التثبيت التي تعتمد على الجسيمات. ومن الجدير بالذكر أن الجسيمات المصممة أظهرت استقراراً غروانيًا وقدرة على تثبيت الرغوة دون الحاجة إلى استخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي التقليدية في الظروف الحمضية.

توفر هذه الدراسة رؤى علمية مهمة لتصميم مواد نانوية ذكية تستجيب للمؤثرات الخارجية، ما يفتح آفاقًا لتطبيقها في مجالات استخلاص النفط (EOR) والتقاط غاز ثاني أكسيد الكربون، مع إبراز تميز أدائها مقارنة بالأنظمة التقليدية المعتمدة على المواد الخافضة للتوتر السطحي.