Дякуємо за відвідування сайту nature.com. Версія браузера, яку ви використовуєте, має обмежену підтримку CSS. Для найкращої роботи рекомендуємо використовувати останню версію браузера (або вимкнути режим сумісності в Internet Explorer). Крім того, для забезпечення постійної підтримки цей сайт не міститиме стилів або JavaScript.
Розширення сланцю в уламкових колекторах створює значні проблеми, що призводить до нестабільності стовбура свердловини. З екологічних міркувань використання бурового розчину на водній основі з додаванням інгібіторів сланцю є кращим за буровий розчин на нафтовій основі. Іонні рідини (ІР) привернули значну увагу як інгібітори сланцю завдяки своїм регульованим властивостям та сильним електростатичним характеристикам. Однак іонні рідини (ІР) на основі імідазолілу, що широко використовуються в бурових розчинах, виявилися токсичними, небіорозкладними та дорогими. Глибокі евтектичні розчинники (ГР) вважаються більш економічно ефективною та менш токсичною альтернативою іонним рідинам, але вони все ще не відповідають необхідному екологічному стану. Нещодавні досягнення в цій галузі призвели до впровадження природних глибоких евтектичних розчинників (ПГР), відомих своєю справжньою екологічністю. У цьому дослідженні досліджувалися ПГР, які містять лимонну кислоту (як акцептор водневих зв'язків) та гліцерин (як донор водневих зв'язків) як добавки до бурового розчину. Бурові розчини на основі NADES були розроблені відповідно до API 13B-1, і їхню ефективність порівнювали з буровими розчинами на основі хлориду калію, іонними рідинами на основі імідазолію та буровими розчинами на основі хлориду холіну:сечовини-DES. Фізико-хімічні властивості запатентованих NADES детально описані. Під час дослідження були оцінені реологічні властивості, втрати рідини та властивості бурового розчину щодо інгібування утворення сланцю, і було показано, що при концентрації 3% NADES співвідношення межі текучості/пластичної в'язкості (YP/PV) збільшилося, товщина шламової кірки зменшилася на 26%, а об'єм фільтрату зменшився на 30,1%. Примітно, що NADES досяг вражаючого коефіцієнта інгібування розширення на 49,14% та збільшив видобуток сланцю на 86,36%. Ці результати пояснюються здатністю NADES змінювати поверхневу активність, дзета-потенціал та міжшарові відстані глин, що обговорюється в цій статті для розуміння основних механізмів. Очікується, що цей екологічно чистий буровий розчин революціонізує бурову галузь, забезпечуючи нетоксичну, економічно ефективну та високоефективну альтернативу традиційним інгібіторам корозії сланцю, прокладаючи шлях для екологічно безпечних методів буріння.
Сланець – це універсальна гірська порода, яка служить як джерелом, так і резервуаром вуглеводнів, а його пориста структура1 забезпечує потенціал як для видобутку, так і для зберігання цих цінних ресурсів. Однак сланець багатий на глинисті мінерали, такі як монтморилоніт, смектит, каолініт та іліт, що робить його схильним до набухання під впливом води, що призводить до нестабільності стовбура свердловини під час бурових операцій2,3. Ці проблеми можуть призвести до непродуктивного часу (NPT) та низки експлуатаційних проблем, включаючи заклинювання труб, втрату циркуляції бурового розчину, руйнування стовбура свердловини та забруднення долота, що збільшує час відновлення та вартість. Традиційно бурові розчини на нафтовій основі (OBDF) були кращим вибором для сланцевих формацій через їхню здатність протистояти розширенню сланцю4. Однак використання бурових розчинів на нафтовій основі тягне за собою вищі витрати та екологічні ризики. Бурові розчини на синтетичній основі (SBDF) розглядалися як альтернатива, але їхня придатність за високих температур є незадовільною. Бурові розчини на водній основі (WBDF) є привабливим рішенням, оскільки вони безпечніші, екологічніші та економічно ефективніші, ніж OBDF5. Для посилення здатності WBDF до інгібування сланцевого утворення використовувалися різні інгібітори сланцевого утворення, включаючи традиційні інгібітори, такі як хлорид калію, вапно, силікат та полімер. Однак ці інгібітори мають обмеження щодо ефективності та впливу на навколишнє середовище, особливо через високу концентрацію K+ в інгібіторах хлориду калію та чутливість силікатів до pH.6 Дослідники досліджували можливість використання іонних рідин як добавок до бурового розчину для покращення реології бурового розчину та запобігання набуханню сланцю та утворенню гідратів. Однак ці іонні рідини, особливо ті, що містять імідазоліл-катіони, зазвичай є токсичними, дорогими, небіорозкладними та потребують складних процесів приготування. Щоб вирішити ці проблеми, люди почали шукати більш економічну та екологічно чисту альтернативу, що призвело до появи глибоких евтектичних розчинників (DES). DES - це евтектична суміш, утворена донором водневих зв'язків (HBD) та акцептором водневих зв'язків (HBA) при певному молярному співвідношенні та температурі. Ці евтектичні суміші мають нижчі температури плавлення, ніж їх окремі компоненти, головним чином через делокалізацію заряду, спричинену водневими зв'язками. Багато факторів, включаючи енергію кристалічної решітки, зміну ентропії та взаємодію між аніонами та HBD, відіграють ключову роль у зниженні температури плавлення DES.
У попередніх дослідженнях до бурового розчину на водній основі додавали різні добавки для вирішення проблеми розширення сланцю. Наприклад, Офей та ін. додали хлорид 1-бутил-3-метилімідазолію (BMIM-Cl), що значно зменшило товщину шламової скоринки (до 50%) та зменшило значення YP/PV на 11 за різних температур. Хуан та ін. використовували іонні рідини (зокрема, бромід 1-гексил-3-метилімідазолію та бромід 1,2-біс(3-гексилімідазолію-1-іл)етан) у поєднанні з частинками Na-Bt та значно зменшили набухання сланцю на 86,43% та 94,17% відповідно12. Крім того, Ян та ін. використовували бромід 1-вініл-3-додецилімідазолію та бромід 1-вініл-3-тетрадецилімідазолію для зменшення набухання сланцю на 16,91% та 5,81% відповідно.13 Ян та ін. також використовували 1-вініл-3-етилімідазолій бромід і зменшили розширення сланцю на 31,62%, зберігаючи при цьому коефіцієнт вилучення сланцю на рівні 40,60%.14 Крім того, Луо та ін. використовували тетрафторборат 1-октил-3-метилімідазолію для зменшення набухання сланцю на 80%.15, 16 Дай та ін. використовували іонні рідкі кополімери для інгібування сланцю та досягли 18% збільшення лінійного вилучення порівняно з амінними інгібіторами.17
Іонні рідини самі по собі мають деякі недоліки, що спонукало вчених шукати більш екологічно чисті альтернативи іонним рідинам, і так народився DES. Ханцзя першим використав глибокі евтектичні розчинники (DES), що складалися з вінілхлориду пропіонової кислоти (1:1), вінілхлориду 3-фенілпропіонової кислоти (1:2) та 3-меркаптопропіонової кислоти + ітаконової кислоти + вінілхлориду (1:1:2), що пригнічувало набухання бентоніту на 68%, 58% та 58% відповідно18. У вільному експерименті М. Х. Расул використав співвідношення гліцерину та карбонату калію (DES) 2:1 та значно зменшив набухання зразків сланцю на 87%19,20. Ма використав сечовину:вінілхлорид, щоб значно зменшити розширення сланцю на 67%.21 Расул та ін. Комбінацію DES та полімеру використовували як інгібітор сланцю подвійної дії, що досягло чудового ефекту пригнічення сланцю22.
Хоча глибокі евтектичні розчинники (DES) загалом вважаються більш екологічною альтернативою іонним рідинам, вони також містять потенційно токсичні компоненти, такі як солі амонію, що ставить під сумнів їхню екологічність. Ця проблема призвела до розробки природних глибоких евтектичних розчинників (NADES). Вони досі класифікуються як DES, але складаються з природних речовин і солей, включаючи хлорид калію (KCl), хлорид кальцію (CaCl2), солі Епсома (MgSO4.7H2O) та інші. Численні потенційні комбінації DES та NADES відкривають широкий простір для досліджень у цій галузі та, як очікується, знайдуть застосування в різних галузях. Кілька дослідників успішно розробили нові комбінації DES, які довели свою ефективність у різних застосуваннях. Наприклад, Насер та ін. у 2013 році синтезували DES на основі карбонату калію та вивчили його теплофізичні властивості, які згодом знайшли застосування в сферах інгібування гідратів, добавок до бурових розчинів, делігніфікації та нанофібриляції.23 Джорді Кім та його колеги розробили NADES на основі аскорбінової кислоти та оцінили його антиоксидантні властивості в різних застосуваннях.24 Крістер та ін. розробили NADES на основі лимонної кислоти та визначили його потенціал як допоміжної речовини для колагенових продуктів.25 Лю І та його колеги підсумували застосування NADES як екстракційного та хроматографічного середовища у всебічному огляді, тоді як Місан та ін. обговорили успішне застосування NADES у агропродовольчому секторі. Вкрай важливо, щоб дослідники бурових розчинів почали звертати увагу на ефективність NADES у своїх застосуваннях. нещодавні дослідження. У 2023 році Расул та ін. використовували різні комбінації природних глибоких евтектичних розчинників на основі аскорбінової кислоти26, хлориду кальцію27, хлориду калію28 та солі Епсома29 та досягли вражаючого інгібування сланцю та вилучення сланцю. Це дослідження є одним з перших досліджень, у якому представлено NADES (зокрема, формуляцію на основі лимонної кислоти та гліцерину) як екологічно чистий та ефективний інгібітор сланцю у бурових розчинах на водній основі, який характеризується чудовою екологічною стабільністю, покращеною здатністю до інгібування сланцю та покращеними характеристиками рідини порівняно з традиційними інгібіторами, такими як KCl, іонні рідини на основі імідазолілу та традиційні DES.
Дослідження включатиме власне приготування NADES на основі лимонної кислоти (CA) з подальшою детальною фізико-хімічною характеристикою та його використанням як добавки до бурового розчину для оцінки властивостей бурового розчину та його здатності до інгібування набухання. У цьому дослідженні CA виступатиме як акцептор водневих зв'язків, тоді як гліцерин (Gly) виступатиме як донор водневих зв'язків, відібраний на основі критеріїв скринінгу MH для утворення/відбору NADES у дослідженнях інгібування сланцевого випаровування30. Вимірювання інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур'є (FTIR), рентгенівської дифракції (XRD) та дзета-потенціалу (ZP) з'ясують взаємодію NADES-глина та механізм, що лежить в основі інгібування набухання глини. Крім того, це дослідження порівняє буровий розчин на основі CA NADES з DES32 на основі 1-етил-3-метилімідазолію хлориду [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl та хлориду холіну:сечовини (1:2), щоб дослідити їх ефективність в інгібуванні сланцевого випаровування та покращенні характеристик бурового розчину.
Лимонну кислоту (моногідрат), гліцерин (99 USP) та сечовину було придбано у EvaChem, Куала-Лумпур, Малайзія. Хлорид холіну (>98%), [EMIM]Cl 98% та хлорид калію було придбано у Sigma Aldrich, Малайзія. Хімічні структури всіх хімічних речовин показано на рисунку 1. Зелена діаграма порівнює основні хімічні речовини, що використовувалися в цьому дослідженні: імідазоліл-іонна рідина, хлорид холіну (DES), лимонна кислота, гліцерин, хлорид калію та NADES (лимонна кислота та гліцерин). Таблиця екологічності хімічних речовин, що використовувалися в цьому дослідженні, представлена ​​в таблиці 1. У таблиці кожна хімічна речовина оцінюється на основі токсичності, біорозкладності, вартості та екологічної стійкості.
Хімічні структури матеріалів, використаних у цьому дослідженні: (a) лимонна кислота, (b) [EMIM]Cl, (c) холін хлорид та (d) гліцерин.
Кандидати на роль донорів та акцепторів водневих зв'язків (HBD) для розробки NADES на основі CA (природного глибокого евтектичного розчинника) були ретельно відібрані відповідно до критеріїв відбору MH 30, які призначені для розробки NADES як ефективних інгібіторів сланцевих утворень. Згідно з цим критерієм, компоненти з великою кількістю донорів та акцепторів водневих зв'язків, а також полярними функціональними групами вважаються придатними для розробки NADES.
Крім того, для порівняння в цьому дослідженні були обрані іонна рідина [EMIM]Cl та глибокоевтектичний розчинник холін хлорид:сечовина (DES), оскільки вони широко використовуються як добавки до бурових розчинів33,34,35,36. Крім того, порівнювали хлорид калію (KCl), оскільки він є поширеним інгібітором.
Лимонну кислоту та гліцерин змішували в різних молярних співвідношеннях для отримання евтектичних сумішей. Візуальний огляд показав, що евтектична суміш була однорідною, прозорою рідиною без каламуті, що свідчить про успішне змішування донора водневого зв'язку (HBD) та акцептора водневого зв'язку (HBA) у цій евтектичній композиції. Попередні експерименти були проведені для спостереження за температурно-залежною поведінкою процесу змішування HBD та HBA. Згідно з наявною літературою, пропорцію евтектичних сумішей оцінювали за трьох конкретних температур вище 50 °C, 70 °C та 100 °C, що вказує на те, що евтектична температура зазвичай знаходиться в діапазоні 50–80 °C. Для точного зважування компонентів HBD та HBA використовували цифрові ваги Mettler, а для нагрівання та перемішування HBD та HBA зі швидкістю 100 об/хв у контрольованих умовах використовували нагрівальну пластину Thermo Fisher.
Теплофізичні властивості нашого синтезованого глибокоевтектичного розчинника (DES), включаючи густину, поверхневий натяг, показник заломлення та в'язкість, були точно виміряні в діапазоні температур від 289,15 до 333,15 K. Слід зазначити, що цей температурний діапазон був обраний головним чином через обмеження існуючого обладнання. Комплексний аналіз включав поглиблене вивчення різних теплофізичних властивостей цієї рецептури NADES, що виявило їхню поведінку в діапазоні температур. Зосередження уваги на цьому конкретному температурному діапазоні дає розуміння властивостей NADES, які мають особливе значення для низки застосувань.
Поверхневий натяг готового NADES вимірювали в діапазоні від 289,15 до 333,15 K за допомогою вимірювача міжфазного натягу (IFT700). Краплі NADES формуються в камері, заповненій великим об'ємом рідини, за допомогою капілярної голки за певних умов температури та тиску. Сучасні системи візуалізації вводять відповідні геометричні параметри для розрахунку міжфазного натягу за допомогою рівняння Лапласа.
Для визначення показника заломлення свіжоприготованого NADES у діапазоні температур від 289,15 до 333,15 K було використано рефрактометр ATAGO. Прилад використовує тепловий модуль для регулювання температури з метою оцінки ступеня заломлення світла, що усуває необхідність використання водяної бані з постійною температурою. Призматичну поверхню рефрактометра слід очистити, а розчин зразка рівномірно розподілити по ній. Калібруйте за допомогою відомого стандартного розчину, а потім зчитайте показник заломлення з екрану.
В'язкість отриманого NADES вимірювали в діапазоні температур від 289,15 до 333,15 K за допомогою ротаційного віскозиметра Брукфілда (кріогенного типу) при швидкості зсуву 30 об/хв та розмірі шпинделя 6. Віскозиметр вимірює в'язкість, визначаючи крутний момент, необхідний для обертання шпинделя з постійною швидкістю в рідкому зразку. Після того, як зразок поміщають на екран під шпинделем та затягують, віскозиметр відображає в'язкість у сантипуазах (сП), надаючи цінну інформацію про реологічні властивості рідини.
Для визначення густини свіжоприготованого природного глибокого евтектичного розчинника (НДЕЕ) у діапазоні температур 289,15–333,15 K було використано портативний густиномір DMA 35 Basic. Оскільки прилад не має вбудованого нагрівача, перед використанням густиноміра NADES його необхідно попередньо нагріти до заданої температури (± 2 °C). Пропустіть через пробірку щонайменше 2 мл зразка, і густина одразу ж відобразиться на екрані. Варто зазначити, що через відсутність вбудованого нагрівача результати вимірювання мають похибку ± 2 °C.
Для оцінки pH свіжоприготованого NADES у діапазоні температур 289,15–333,15 K ми використовували настільний pH-метр Kenis. Оскільки вбудованого нагрівального пристрою немає, NADES спочатку нагрівали до потрібної температури (±2 °C) за допомогою нагрівальної плити, а потім вимірювали безпосередньо за допомогою pH-метра. Повністю занурюйте зонд pH-метра в NADES та запишіть кінцеве значення після стабілізації показника.
Для оцінки термічної стабільності природних глибоких евтектичних розчинників (NADES) було використано термогравіметричний аналіз (TGA). Зразки аналізували під час нагрівання. За допомогою високоточних терезів та ретельного контролю процесу нагрівання було побудовано графік залежності втрати маси від температури. NADES нагрівали від 0 до 500 °C зі швидкістю 1 °C за хвилину.
Щоб розпочати процес, зразок NADES необхідно ретельно перемішати, гомогенізувати та видалити поверхневу вологу. Підготовлений зразок потім поміщають у кювету для термогравіметричного аналізу (TGA), яка зазвичай виготовлена ​​з інертного матеріалу, такого як алюміній. Для забезпечення точних результатів прилади TGA калібруються з використанням еталонних матеріалів, зазвичай вагових стандартів. Після калібрування починається експеримент TGA, і зразок нагрівається контрольованим чином, зазвичай з постійною швидкістю. Безперервний моніторинг взаємозв'язку між вагою зразка та температурою є ключовою частиною експерименту. Прилади TGA збирають дані про температуру, вагу та інші параметри, такі як потік газу або температура зразка. Після завершення експерименту TGA зібрані дані аналізуються для визначення зміни ваги зразка як функції температури. Ця інформація є цінною для визначення температурних діапазонів, пов'язаних з фізичними та хімічними змінами у зразку, включаючи такі процеси, як плавлення, випаровування, окислення або розкладання.
Буровий розчин на водній основі був ретельно розроблений відповідно до стандарту API 13B-1, а його конкретний склад наведено в таблиці 2 для довідки. Лимонну кислоту та гліцерин (99 USP) були придбані у Sigma Aldrich, Малайзія, для приготування природного глибокого евтектичного розчинника (NADES). Крім того, у Sigma Aldrich, Малайзія, також був придбаний звичайний інгібітор сланцевого утворення хлорид калію (KCl). 1-етил, 3-метилімідазолій хлорид ([EMIM]Cl) з чистотою понад 98% був обраний завдяки його значному впливу на покращення реології бурового розчину та інгібування сланцевого утворення, що було підтверджено в попередніх дослідженнях. Як KCl, так і ([EMIM]Cl) будуть використані в порівняльному аналізі для оцінки ефективності інгібування сланцевого утворення NADES.
Багато дослідників надають перевагу використанню бентонітових пластівців для вивчення набухання сланцю, оскільки бентоніт містить ту саму групу «монтморилоніту», яка викликає набухання сланцю. Отримання справжніх зразків керна сланцю є складним завданням, оскільки процес відбору керна дестабілізує сланець, в результаті чого зразки не є повністю сланцем, а зазвичай містять суміш шарів пісковика та вапняку. Крім того, зразки сланцю зазвичай не містять груп монтморилоніту, які викликають набухання сланцю, і тому вони непридатні для експериментів з гальмування набухання.
У цьому дослідженні ми використовували відновлені частинки бентоніту діаметром приблизно 2,54 см. Гранули були виготовлені шляхом пресування 11,5 грамів порошку натрієвого бентоніту в гідравлічному пресі під тиском 1600 фунтів на квадратний дюйм. Товщину гранул було точно виміряно перед розміщенням у лінійному дилатометрі (ЛД). Потім частинки занурювали у зразки бурового розчину, включаючи базові зразки та зразки, в які вводили інгібітори, що використовуються для запобігання набуханню сланцю. Зміна товщини гранул потім ретельно контролювалася за допомогою ЛД, а вимірювання реєструвалися з інтервалом у 60 секунд протягом 24 годин.
Рентгенівська дифракція показала, що склад бентоніту, особливо його 47% монтморилонітового компонента, є ключовим фактором для розуміння його геологічних характеристик. Серед монтморилонітових компонентів бентоніту монтморилоніт є основним компонентом, що становить 88,6% від загальної кількості компонентів. Тим часом кварц становить 29%, іліт - 7% та карбонат - 9%. Невелика частина (близько 3,2%) - це суміш іліту та монтморилоніту. Крім того, він містить мікроелементи, такі як Fe2O3 (4,7%), алюмосилікат срібла (1,2%), мусковіт (4%) та фосфат (2,3%). Крім того, присутні невеликі кількості Na2O (1,83%) та силікату заліза (2,17%), що дозволяє повною мірою оцінити складові елементи бентоніту та їх відповідні пропорції.
У цьому розділі комплексного дослідження детально описано реологічні та фільтраційні властивості зразків бурового розчину, приготованих з використанням природного глибокого евтектичного розчинника (NADES) та використаних як добавка до бурового розчину в різних концентраціях (1%, 3% та 5%). Зразки шламу на основі NADES потім порівнювали та аналізували зі зразками шламу, що складаються з хлориду калію (KCl), CC:сечовини DES (глибинний евтектичний розчинник холін хлорид:сечовина) та іонних рідин. У цьому дослідженні було розглянуто низку ключових параметрів, включаючи показники в'язкості, отримані за допомогою віскозиметра FANN до та після впливу умов старіння при 100°C та 150°C. Вимірювання проводилися при різних швидкостях обертання (3 об/хв, 6 об/хв, 300 об/хв та 600 об/хв), що дозволяє провести комплексний аналіз поведінки бурового розчину. Отримані дані потім можна використовувати для визначення ключових властивостей, таких як межа текучості (YP) та пластична в'язкість (PV), які дають уявлення про роботу рідини за різних умов. Випробування фільтрації під високим тиском та високою температурою (HPHT) при тиску 400 psi та 150°C (типові температури у високотемпературних свердловинах) визначають ефективність фільтрації (товщину осаду та об'єм фільтрату).
У цьому розділі використовується найсучасніше обладнання – лінійний дилатометр Grace HPHT (M4600) – для ретельної оцінки властивостей інгібування набухання сланцю наших бурових розчинів на водній основі. LSM – це сучасна машина, що складається з двох компонентів: ущільнювальної плити та лінійного дилатометра (модель: M4600). Бентонітові плити були підготовлені до аналізу за допомогою ущільнювача Grace Core/Plate Compactor. Потім LSM надає негайні дані про набухання цих плит, що дозволяє провести комплексну оцінку властивостей інгібування набухання сланцю. Випробування на розширення сланцю проводилися за навколишніх умов, тобто за температури 25°C та тиску 1 psia.
Випробування на стабільність сланцю включає ключовий тест, який часто називають випробуванням на вилучення сланцю, випробуванням на занурення сланцю або випробуванням на дисперсію сланцю. Щоб розпочати цю оцінку, шлам із сланцю розділяється на ситі BSS №6, а потім поміщається на сито №10. Потім шлам подається в резервуар для збору, де його змішують з базовою рідиною та буровим розчином, що містить NADES (природний глибокий евтектичний розчинник). Наступним кроком є ​​розміщення суміші в печі для інтенсивного процесу гарячої прокатки, забезпечуючи ретельне перемішування шламу та бурового розчину. Через 16 годин шлам видаляють з пульпи, дозволяючи сланцю розкластися, що призводить до зменшення ваги шламу. Випробування на вилучення сланцю проводилося після того, як шлам із сланцю витримувався в буровому розчині при температурі 150°C та тиску 1000 psi⁻¹ протягом 24 годин.
Щоб виміряти ступінь вилучення сланцевого шламу, ми профільтрували його через дрібніше сито (40 меш), потім ретельно промили водою та, нарешті, висушили в печі. Ця копітка процедура дозволяє нам оцінити видобутий шлам порівняно з початковою вагою, зрештою обчислюючи відсоток успішно вилученого сланцевого шламу. Джерелом зразків сланцю є район Ніах, район Мірі, Саравак, Малайзія. Перед випробуваннями на дисперсію та вилучення зразки сланцю були піддані ретельному рентгеноструктурному аналізу (XRD) для кількісного визначення їхнього глинистого складу та підтвердження їхньої придатності для випробувань. Склад глинистих мінералів зразка такий: іліт 18%, каолініт 31%, хлорит 22%, вермикуліт 10% та слюда 19%.
Поверхневий натяг є ключовим фактором, що контролює проникнення катіонів води в мікропори сланцю через капілярний ефект, що буде детально досліджено в цьому розділі. У цій статті розглядається роль поверхневого натягу в когезійних властивостях бурових розчинів, підкреслюючи його важливий вплив на процес буріння, особливо на інгібування сланцем. Ми використовували міжфазний тензіометр (IFT700) для точного вимірювання поверхневого натягу зразків бурового розчину, що виявляє важливий аспект поведінки рідини в контексті інгібування сланцем.
У цьому розділі детально розглядається відстань між d-шарами, яка є міжшаровою відстанню між шарами алюмосилікату та одним шаром алюмосилікату в глинах. Аналіз охоплював зразки вологого розчину, що містили 1%, 3% та 5% CA NADES, а також 3% KCl, 3% [EMIM]Cl та 3% DES на основі CC:сечовини для порівняння. Сучасний настільний рентгенівський дифрактометр (D2 Phaser), що працює при 40 мА та 45 кВ з випромінюванням Cu-Kα (λ = 1,54059 Å), відіграв вирішальну роль у реєстрації піків рентгенівської дифракції як вологих, так і сухих зразків Na-Bt. Застосування рівняння Брегга дозволяє точно визначити відстань між d-шарами, тим самим надаючи цінну інформацію про поведінку глини.
У цьому розділі для точного вимірювання дзета-потенціалу використовується вдосконалений прилад Malvern Zetasizer Nano ZSP. Ця оцінка надала цінну інформацію про характеристики заряду зразків розбавленого бурового розчину, що містять 1%, 3% та 5% CA NADES, а також 3% KCl, 3% [EMIM]Cl та 3% CC:DES на основі сечовини для порівняльного аналізу. Ці результати сприяють нашому розумінню стабільності колоїдних сполук та їх взаємодії в рідинах.
Зразки глини досліджували до та після впливу природного глибокого евтектичного розчинника (NADES) за допомогою польового емісійного скануючого електронного мікроскопа (FESEM) Zeiss Supra 55 VP, оснащеного енергодисперсійним рентгенівським випромінюванням (EDX). Роздільна здатність зображення становила 500 нм, а енергія електронного пучка – 30 кВ та 50 кВ. FESEM забезпечує візуалізацію морфології поверхні та структурних особливостей зразків глини з високою роздільною здатністю. Метою цього дослідження було отримати інформацію про вплив NADES на зразки глини шляхом порівняння зображень, отриманих до та після впливу.
У цьому дослідженні для вивчення впливу NADES на зразки глини на мікроскопічному рівні було використано технологію скануючої електронної мікроскопії з польовою емісією (FESEM). Метою цього дослідження є з'ясування потенційного застосування NADES та його впливу на морфологію глини та середній розмір частинок, що надасть цінну інформацію для досліджень у цій галузі.
У цьому дослідженні для візуального опису мінливості та невизначеності середньої відсоткової похибки (AMPE) в різних експериментальних умовах використовувалися смуги похибок. Замість того, щоб побудувати графік окремих значень AMPE (оскільки побудова значень AMPE може приховати тенденції та перебільшити невеликі варіації), ми розраховуємо смуги похибок, використовуючи правило 5%. Такий підхід гарантує, що кожна смуга похибок представляє інтервал, у якому очікується, що будуть знаходитися 95% довірчий інтервал та 100% значень AMPE, тим самим забезпечуючи чіткіше та стислише резюме розподілу даних для кожної експериментальної умови. Використання смуг похибок на основі правила 5% таким чином покращує інтерпретованість та надійність графічних зображень і допомагає забезпечити більш детальне розуміння результатів та їх наслідків.
У процесі синтезу природних глибоких евтектичних розчинників (NADES) було ретельно вивчено кілька ключових параметрів під час внутрішнього процесу приготування. Ці критичні фактори включають температуру, молярне співвідношення та швидкість змішування. Наші експерименти показують, що коли HBA (лимонна кислота) та HBD (гліцерин) змішуються у молярному співвідношенні 1:4 при 50°C, утворюється евтектична суміш. Відмінною рисою евтектичної суміші є її прозорий, однорідний вигляд та відсутність осаду. Таким чином, цей ключовий крок підкреслює важливість молярного співвідношення, температури та швидкості змішування, серед яких молярне співвідношення було найбільш впливовим фактором у приготуванні DES та NADES, як показано на рисунку 2.
Показник заломлення (n) виражає відношення швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в другому, щільнішому середовищі. Показник заломлення представляє особливий інтерес для природних глибоких евтектичних розчинників (NADES), якщо розглядати оптично чутливі застосування, такі як біосенсори. Показник заломлення досліджуваного NADES при 25 °C становив 1,452, що, що цікаво, нижче, ніж у гліцерину.
Варто зазначити, що показник заломлення NADES зменшується з температурою, і цю тенденцію можна точно описати формулою (1) та рисунком 3, при цьому абсолютна середня відсоткова похибка (AMPE) досягає 0%. Така температурна залежність пояснюється зниженням в'язкості та густини за високих температур, що змушує світло проходити через середовище з вищою швидкістю, що призводить до зниження значення показника заломлення (n). Ці результати дають цінне розуміння стратегічного використання NADES в оптичному зондуванні, підкреслюючи їхній потенціал для застосування в біосенсорах.
Поверхневий натяг, який відображає тенденцію поверхні рідини мінімізувати свою площу, має велике значення для оцінки придатності природних глибоких евтектичних розчинників (NADES) для застосувань на основі капілярного тиску. Дослідження поверхневого натягу в діапазоні температур 25–60 °C надає цінну інформацію. При 25 °C поверхневий натяг NADES на основі лимонної кислоти становив 55,42 мН/м, що значно нижче, ніж у води та гліцерину. На рисунку 4 показано, що поверхневий натяг значно зменшується зі збільшенням температури. Це явище можна пояснити збільшенням кінетичної енергії молекул та подальшим зменшенням сил міжмолекулярного тяжіння.
Лінійну тенденцію до зменшення поверхневого натягу, що спостерігається в досліджуваному NADES, можна добре виразити рівнянням (2), яке ілюструє основну математичну залежність у діапазоні температур 25–60 °C. Графік на рисунку 4 чітко зображує тенденцію поверхневого натягу з температурою з абсолютною середньою процентною похибкою (AMPE) 1,4%, що кількісно визначає точність отриманих значень поверхневого натягу. Ці результати мають важливі наслідки для розуміння поведінки NADES та його потенційного застосування.
Розуміння динаміки густини природних глибоких евтектичних розчинників (NADES) має вирішальне значення для полегшення їх застосування в численних наукових дослідженнях. Густина NADES на основі лимонної кислоти при 25°C становить 1,361 г/см3, що вище за густину вихідного гліцерину. Цю різницю можна пояснити додаванням акцептора водневих зв'язків (лимонної кислоти) до гліцерину.
Візьмемо, наприклад, NADES на основі цитрату, його густина падає до 1,19 г/см3 при 60°C. Збільшення кінетичної енергії при нагріванні призводить до диспергування молекул NADES, що змушує їх займати більший об'єм, що призводить до зменшення густини. Спостережуване зменшення густини демонструє певну лінійну кореляцію зі збільшенням температури, яку можна правильно виразити формулою (3). На рисунку 5 графічно представлено ці характеристики зміни густини NADES із абсолютною середньою процентною похибкою (AMPE) 1,12%, що забезпечує кількісну міру точності повідомлених значень густини.
В'язкість – це сила тяжіння між різними шарами рідини в русі, яка відіграє ключову роль у розумінні застосовності природних глибоких евтектичних розчинників (NADES) у різних сферах застосування. При 25 °C в'язкість NADES становила 951 сП, що вище, ніж у гліцерину.
Спостережуване зниження в'язкості зі зростанням температури головним чином пояснюється ослабленням міжмолекулярних сил тяжіння. Це явище призводить до зниження в'язкості рідини, тенденція, чітко продемонстрована на рисунку 6 та кількісно виражена рівнянням (4). Примітно, що при 60°C в'язкість падає до 898 сП із загальною середньою відсотковою похибкою (AMPE) 1,4%. Детальне розуміння залежності в'язкості від температури в NADES має велике значення для його практичного застосування.
Значення pH розчину, що визначається негативним логарифмом концентрації іонів водню, є критичним, особливо в чутливих до pH застосуваннях, таких як синтез ДНК, тому перед використанням необхідно ретельно дослідити значення pH NADES. Взявши за приклад NADES на основі лимонної кислоти, можна спостерігати виразно кислий pH 1,91, що різко контрастує з відносно нейтральним pH гліцерину.
Цікаво, що pH природного розчинника, розчинного в дегідрогеназі лимонної кислоти (NADES), демонстрував нелінійну тенденцію до зниження зі збільшенням температури. Це явище пояснюється посиленням молекулярних коливань, які порушують баланс H+ у розчині, що призводить до утворення іонів [H]+ та, в свою чергу, до зміни значення pH. Хоча природний pH лимонної кислоти коливається від 3 до 5, присутність кислого водню в гліцерині ще більше знижує pH до 1,91.
Поведінку pH NADES на основі цитрату в діапазоні температур 25–60 °C можна належним чином представити рівнянням (5), яке забезпечує математичний вираз для спостережуваної тенденції pH. На рисунку 7 графічно зображено цей цікавий зв'язок, підкреслюючи вплив температури на pH NADES, який, як повідомляється, становить 1,4% для AMPE.
Термогравіметричний аналіз (ТГА) природного лимоннокислого глибокоевтектичного розчинника (NADES) систематично проводився в діапазоні температур від кімнатної температури до 500 °C. Як видно з рисунків 8a та b, початкова втрата маси до 100 °C була зумовлена ​​головним чином абсорбованою водою та гідратаційною водою, пов'язаною з лимонною кислотою та чистим гліцерином. Значне збереження маси, близько 88%, спостерігалося до 180 °C, що було зумовлено головним чином розкладанням лимонної кислоти до аконітової кислоти та подальшим утворенням метилмалеїнового ангідриду(III) при подальшому нагріванні (рисунок 8b). Вище 180 °C також можна було спостерігати чітку появу акролеїну (акрилальдегіду) в гліцерині, як показано на рисунку 8b37.
Термогравіметричний аналіз (ТГА) гліцерину виявив двостадійний процес втрати маси. Початкова стадія (від 180 до 220 °C) включає утворення акролеїну, після чого відбувається значна втрата маси при високих температурах від 230 до 300 °C (Рисунок 8a). Зі збільшенням температури послідовно утворюються ацетальдегід, вуглекислий газ, метан і водень. Примітно, що при 300 °C зберігається лише 28% маси, що свідчить про те, що притаманні властивості NADES 8(a)38,39 можуть бути дефектними.
Для отримання інформації про утворення нових хімічних зв'язків свіжоприготовані суспензії природних глибоких евтектичних розчинників (NADES) були проаналізовані за допомогою інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур'є (FTIR). Аналіз проводили шляхом порівняння спектра суспензії NADES зі спектрами чистої лимонної кислоти (CA) та гліцерину (Gly). Спектр CA показав чіткі піки при 1752 1/см та 1673 1/см, які представляють валентні коливання зв'язку C=O та також характерні для CA. Крім того, в області відбитків пальців спостерігався значний зсув деформаційних коливань OH при 1360 1/см, як показано на рисунку 9.
Аналогічно, у випадку гліцерину, зміщення валентних та деформаційних коливань OH були виявлені при хвильових числах 3291 1/см та 1414 1/см відповідно. Тепер, аналізуючи спектр отриманого NADES, було виявлено значне зміщення в спектрі. Як показано на рисунку 7, валентне коливання зв'язку C=O змістилося з 1752 1/см до 1720 1/см, а деформаційне коливання зв'язку -OH гліцерину змістилося з 1414 1/см до 1359 1/см. Ці зміщення хвильових чисел вказують на зміну електронегативності, що вказує на утворення нових хімічних зв'язків у структурі NADES.