Paldies, ka apmeklējāt vietni nature.com. Jūsu izmantotajai pārlūkprogrammas versijai ir ierobežots CSS atbalsts. Lai nodrošinātu vislabāko pieredzi, iesakām izmantot jaunāko pārlūkprogrammas versiju (vai izslēgt saderības režīmu pārlūkprogrammā Internet Explorer). Turklāt, lai nodrošinātu nepārtrauktu atbalstu, šajā vietnē netiks iekļauti stili vai JavaScript.
Slānekļa izplešanās klastiskajās slāņos rada ievērojamas problēmas, kas noved pie urbuma nestabilitātes. Vides apsvērumu dēļ priekšroka tiek dota urbšanas šķidrumam uz ūdens bāzes ar pievienotiem slānekļa inhibitoriem, nevis urbšanas šķidrumam uz naftas bāzes. Jonu šķidrumi (IL) ir piesaistījuši lielu uzmanību kā slānekļa inhibitori, pateicoties to regulējamajām īpašībām un spēcīgajām elektrostatiskajām īpašībām. Tomēr jonu šķidrumi uz imidazolila bāzes (IL), ko plaši izmanto urbšanas šķidrumos, ir izrādījušies toksiski, bioloģiski nenoārdāmi un dārgi. Dziļie eitektiskie šķīdinātāji (DES) tiek uzskatīti par rentablāku un mazāk toksisku alternatīvu jonu šķidrumiem, taču tie joprojām neatbilst nepieciešamajai vides ilgtspējībai. Jaunākie sasniegumi šajā jomā ir noveduši pie dabisko dziļo eitektisko šķīdinātāju (NADES) ieviešanas, kas pazīstami ar savu patieso draudzīgumu videi. Šajā pētījumā tika pētīti NADES, kas satur citronskābi (kā ūdeņraža saišu akceptoru) un glicerīnu (kā ūdeņraža saišu donoru) kā urbšanas šķidruma piedevas. NADES bāzes urbšanas šķidrumi tika izstrādāti saskaņā ar API 13B-1, un to veiktspēja tika salīdzināta ar kālija hlorīda bāzes urbšanas šķidrumiem, imidazolija bāzes jonu šķidrumiem un holīna hlorīda:urīnvielas-DES urbšanas šķidrumiem. Patentēto NADES fizikāli ķīmiskās īpašības ir aprakstītas detalizēti. Pētījuma laikā tika novērtētas urbšanas šķidruma reoloģiskās īpašības, šķidruma zudums un slānekļa inhibīcijas īpašības, un tika parādīts, ka 3% NADES koncentrācijā tecēšanas robeža/plastiskās viskozitātes attiecība (YP/PV) palielinājās, dubļu kūkas biezums samazinājās par 26% un filtrāta tilpums samazinājās par 30,1%. Jāatzīmē, ka NADES sasniedza iespaidīgu izplešanās inhibīcijas ātrumu 49,14% un palielināja slānekļa ražošanu par 86,36%. Šie rezultāti tiek attiecināti uz NADES spēju modificēt mālu virsmas aktivitāti, zeta potenciālu un starpslāņu atstarpi, kas ir aplūkoti šajā rakstā, lai izprastu pamatā esošos mehānismus. Paredzams, ka šis ilgtspējīgais urbšanas šķidrums revolucionizēs urbšanas nozari, nodrošinot netoksisku, rentablu un ļoti efektīvu alternatīvu tradicionālajiem slānekļa korozijas inhibitoriem, paverot ceļu videi draudzīgām urbšanas praksēm.
Slāneklis ir daudzpusīgs iezis, kas kalpo gan kā ogļūdeņražu avots, gan rezervuārs, un tā porainā struktūra1 nodrošina potenciālu gan šo vērtīgo resursu ražošanai, gan uzglabāšanai. Tomēr slāneklis ir bagāts ar māla minerāliem, piemēram, montmorilonītu, smektītu, kaolinītu un illītu, kas padara to pakļautu pietūkumam, nonākot saskarē ar ūdeni, izraisot urbuma nestabilitāti urbšanas operāciju laikā2,3. Šīs problēmas var izraisīt neproduktīvu laiku (NPT) un virkni ekspluatācijas problēmu, tostarp iesprūdušas caurules, zaudētu dubļu cirkulāciju, urbuma sabrukumu un urbja aizsērēšanu, palielinot atjaunošanas laiku un izmaksas. Tradicionāli uz naftas bāzes veidoti urbšanas šķidrumi (OBDF) ir bijusi vēlamā izvēle slānekļa veidojumiem, jo ​​tie spēj pretoties slānekļa izplešanās4. Tomēr uz naftas bāzes veidotu urbšanas šķidrumu izmantošana rada augstākas izmaksas un vides riskus. Kā alternatīva ir apsvērti sintētiski urbšanas šķidrumi (SBDF), taču to piemērotība augstās temperatūrās nav apmierinoša. Uz ūdens bāzes veidoti urbšanas šķidrumi (WBDF) ir pievilcīgs risinājums, jo tie ir drošāki, videi draudzīgāki un rentablāki nekā OBDF5. Lai uzlabotu WBDF slānekļa inhibēšanas spēju, ir izmantoti dažādi slānekļa inhibitori, tostarp tradicionālie inhibitori, piemēram, kālija hlorīds, kaļķis, silikāts un polimērs. Tomēr šiem inhibitoriem ir ierobežojumi efektivitātes un ietekmes uz vidi ziņā, īpaši augstās K+ koncentrācijas dēļ kālija hlorīda inhibitoros un silikātu jutības pret pH dēļ.6 Pētnieki ir pētījuši iespēju izmantot jonu šķidrumus kā urbšanas šķidruma piedevas, lai uzlabotu urbšanas šķidruma reoloģiju un novērstu slānekļa pietūkumu un hidrātu veidošanos. Tomēr šie jonu šķidrumi, īpaši tie, kas satur imidazolilkatjonus, parasti ir toksiski, dārgi, bioloģiski nenoārdāmi un prasa sarežģītus sagatavošanas procesus. Lai atrisinātu šīs problēmas, cilvēki sāka meklēt ekonomiskāku un videi draudzīgāku alternatīvu, kas noveda pie dziļo eitektisko šķīdinātāju (DES) parādīšanās. DES ir eitektisks maisījums, ko veido ūdeņraža saišu donors (HBD) un ūdeņraža saišu akceptors (HBA) noteiktā molārā attiecībā un temperatūrā. Šiem eitektiskajiem maisījumiem ir zemākas kušanas temperatūras nekā to atsevišķajām sastāvdaļām, galvenokārt lādiņa delokalizācijas dēļ, ko izraisa ūdeņraža saites. DES kušanas temperatūras pazemināšanā galveno lomu spēlē daudzi faktori, tostarp režģa enerģija, entropijas izmaiņas un mijiedarbība starp anjoniem un HBD.
Iepriekšējos pētījumos ūdens bāzes urbšanas šķidrumam tika pievienotas dažādas piedevas, lai atrisinātu slānekļa izplešanās problēmu. Piemēram, Ofei et al. pievienoja 1-butil-3-metilimidazolija hlorīdu (BMIM-Cl), kas ievērojami samazināja dubļu kūkas biezumu (līdz 50%) un samazināja YP/PV vērtību par 11 dažādās temperatūrās. Huang et al. izmantoja jonu šķidrumus (konkrēti, 1-heksil-3-metilimidazolija bromīdu un 1,2-bis(3-heksilimidazolija-1-il)etāna bromīdu) kombinācijā ar Na-Bt daļiņām un ievērojami samazināja slānekļa pietūkumu par attiecīgi 86,43% un 94,17%12. Turklāt Yang et al. izmantoja 1-vinil-3-dodecilimidazolija bromīdu un 1-vinil-3-tetradecilimidazolija bromīdu, lai samazinātu slānekļa pietūkumu attiecīgi par 16,91% un 5,81%.13 Yang et al. izmantoja arī 1-vinil-3-etilimidazolija bromīdu un samazināja slānekļa izplešanos par 31,62 %, vienlaikus saglabājot slānekļa atgūšanu 40,60 % līmenī.14 Turklāt Luo et al. izmantoja 1-oktil-3-metilimidazolija tetrafluoroborātu, lai samazinātu slānekļa uzbriešanu par 80 %.15, 16 Dai et al. izmantoja jonu šķidros kopolimērus, lai kavētu slānekļa veidošanos, un panāca lineārās atgūšanas pieaugumu par 18 % salīdzinājumā ar amīnu inhibitoriem.17
Jonu šķidrumiem pašiem ir daži trūkumi, kas pamudināja zinātniekus meklēt videi draudzīgākas alternatīvas jonu šķidrumiem, un tā radās DES. Hanjia bija pirmais, kas izmantoja dziļos eitektos šķīdinātājus (DES), kas sastāvēja no vinilhlorīda propionskābes (1:1), vinilhlorīda 3-fenilpropionskābes (1:2) un 3-merkaptopropionskābes + itakonskābes + vinilhlorīda (1:1:2), kas attiecīgi kavēja bentonīta uzbriešanu par 68%, 58% un 58%18. Brīvā eksperimentā MH Rasul izmantoja glicerīna un kālija karbonāta (DES) attiecību 2:1 un ievērojami samazināja slānekļa paraugu uzbriešanu par 87%19,20. Ma izmantoja urīnvielu:vinilhlorīdu, lai ievērojami samazinātu slānekļa izplešanos par 67%.21 Rasul et al. DES un polimēra kombinācija tika izmantota kā divkāršas darbības slānekļa inhibitors, kas panāca izcilu slānekļa inhibēšanas efektu22.
Lai gan dziļi eitektiskie šķīdinātāji (DES) parasti tiek uzskatīti par zaļāku alternatīvu jonu šķidrumiem, tie satur arī potenciāli toksiskas sastāvdaļas, piemēram, amonija sāļus, kas apšauba to ekoloģisko draudzīgumu. Šī problēma ir novedusi pie dabisko dziļo eitektisko šķīdinātāju (NADES) izstrādes. Tie joprojām tiek klasificēti kā DES, bet sastāv no dabīgām vielām un sāļiem, tostarp kālija hlorīda (KCl), kalcija hlorīda (CaCl2), Epsoma sāļiem (MgSO4.7H2O) un citiem. Daudzās potenciālās DES un NADES kombinācijas paver plašas pētījumu iespējas šajā jomā, un paredzams, ka tās atradīs pielietojumu dažādās jomās. Vairāki pētnieki ir veiksmīgi izstrādājuši jaunas DES kombinācijas, kas ir izrādījušās efektīvas dažādos pielietojumos. Piemēram, Naser et al. 2013. gadā sintezēja uz kālija karbonāta bāzes veidotu DES un pētīja tā termofizikālās īpašības, kas vēlāk atrada pielietojumu hidrātu inhibīcijas, urbšanas šķidrumu piedevu, delignifikācijas un nanofibrilācijas jomās.23 Džordijs Kims un viņa kolēģi izstrādāja uz askorbīnskābes bāzes veidotu NADES un novērtēja tā antioksidanta īpašības dažādos pielietojumos. 24 Kristers un līdzautori izstrādāja uz citronskābes bāzes veidotu NADES un identificēja tā potenciālu kā palīgvielu kolagēna produktiem. 25 Liu Ji un līdzautori visaptverošā pārskatā apkopoja NADES pielietojumu kā ekstrakcijas un hromatogrāfijas vidi, savukārt Misans un līdzautori apsprieda veiksmīgus NADES pielietojumus lauksaimniecības un pārtikas nozarē. Ir obligāti, lai urbšanas šķidrumu pētnieki sāktu pievērst uzmanību NADES efektivitātei savos pielietojumos. nesen. 2023. gadā Rasuls un līdzautori izmantoja dažādas dabisko dziļo eitektisko šķīdinātāju kombinācijas, kuru pamatā ir askorbīnskābe26, kalcija hlorīds27, kālija hlorīds28 un Epsoma sāls29, un panāca iespaidīgu slānekļa inhibīciju un slānekļa atgūšanu. Šis pētījums ir viens no pirmajiem pētījumiem, kurā NADES (īpaši uz citronskābes un glicerīna bāzes veidots sastāvs) tika ieviests kā videi draudzīgs un efektīvs slānekļa inhibitors urbšanas šķidrumos uz ūdens bāzes, kam ir lieliska vides stabilitāte, uzlabota slānekļa inhibīcijas spēja un uzlabota šķidruma veiktspēja salīdzinājumā ar tradicionālajiem inhibitoriem, piemēram, KCl, imidazolila bāzes jonu šķidrumiem un tradicionālo DES.
Pētījumā tiks veikta uz vietas pagatavota citronskābes (CA) bāzes NADES, kam sekos detalizēta fizikāli ķīmiskā raksturošana un tā izmantošana kā urbšanas šķidruma piedeva, lai novērtētu urbšanas šķidruma īpašības un tā uzbriešanas inhibēšanas spēju. Šajā pētījumā CA darbosies kā ūdeņraža saišu akceptors, savukārt glicerīns (Gly) darbosies kā ūdeņraža saišu donors, kas izvēlēts, pamatojoties uz MH skrīninga kritērijiem NADES veidošanai/atlasei slānekļa inhibīcijas pētījumos30. Furjē transformācijas infrasarkanās spektroskopijas (FTIR), rentgenstaru difrakcijas (XRD) un zeta potenciāla (ZP) mērījumi noskaidros NADES un māla mijiedarbību un māla uzbriešanas inhibīcijas pamatā esošo mehānismu. Turklāt šajā pētījumā tiks salīdzināts uz CA bāzes veidots NADES ar DES32, kura pamatā ir 1-etil-3-metilimidazolija hlorīds [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl un holīna hlorīds:urīnviela (1:2), lai izpētītu to efektivitāti slānekļa inhibīcijā un urbšanas šķidruma veiktspējas uzlabošanā.
Citronskābe (monohidrāts), glicerīns (99 USP) un urīnviela tika iegādāti no EvaChem, Kualalumpura, Malaizija. Holīna hlorīds (>98%), [EMIM]Cl 98% un kālija hlorīds tika iegādāti no Sigma Aldrich, Malaizija. Visu ķīmisko vielu ķīmiskās struktūras ir parādītas 1. attēlā. Zaļā diagramma salīdzina galvenās šajā pētījumā izmantotās ķīmiskās vielas: imidazoliljonu šķidrums, holīna hlorīds (DES), citronskābe, glicerīns, kālija hlorīds un NADES (citronskābe un glicerīns). Šajā pētījumā izmantoto ķīmisko vielu ekoloģisko īpašību tabula ir sniegta 1. tabulā. Tabulā katra ķīmiskā viela ir novērtēta, pamatojoties uz toksicitāti, bioloģisko noārdīšanos, izmaksām un vides ilgtspējību.
Šajā pētījumā izmantoto materiālu ķīmiskās struktūras: (a) citronskābe, (b) [EMIM]Cl, (c) holīna hlorīds un (d) glicerīns.
Ūdeņraža saišu donoru (HBD) un ūdeņraža saišu akceptoru (HBA) kandidāti CA (dabiskā dziļā eitektiskā šķīdinātāja) bāzes NADES izstrādei tika rūpīgi atlasīti saskaņā ar MH 30 atlases kritērijiem, kas paredzēti NADES izstrādei kā efektīviem slānekļa inhibitoriem. Saskaņā ar šo kritēriju komponenti ar lielu skaitu ūdeņraža saišu donoru un akceptoru, kā arī polārām funkcionālām grupām tiek uzskatīti par piemērotiem NADES izstrādei.
Turklāt šajā pētījumā salīdzināšanai tika izvēlēts jonu šķidrums [EMIM]Cl un holīna hlorīda:urīnvielas dziļais eitektiskais šķīdinātājs (DES), jo tie tiek plaši izmantoti kā urbšanas šķidruma piedevas33,34,35,36. Turklāt tika salīdzināts kālija hlorīds (KCl), jo tas ir izplatīts inhibitors.
Citronskābe un glicerīns tika sajaukti dažādās molārās attiecībās, lai iegūtu eitektiskus maisījumus. Vizuāla pārbaude parādīja, ka eitektiskais maisījums bija homogēns, caurspīdīgs šķidrums bez duļķainības, kas norāda, ka ūdeņraža saites donors (HBD) un ūdeņraža saites akceptors (HBA) šajā eitektiskajā sastāvā ir veiksmīgi sajaukti. Tika veikti iepriekšēji eksperimenti, lai novērotu HBD un HBA sajaukšanas procesa atkarību no temperatūras. Saskaņā ar pieejamo literatūru eitektisko maisījumu proporcija tika novērtēta trīs specifiskās temperatūrās virs 50 °C, 70 °C un 100 °C, kas norāda, ka eitektiskā temperatūra parasti ir 50–80 °C diapazonā. Lai precīzi nosvērtu HBD un HBA komponentus, tika izmantots Mettler digitālais svars, un HBD un HBA sildīšanai un maisīšanai ar ātrumu 100 apgr./min kontrolētos apstākļos tika izmantota Thermo Fisher karstā plāksne.
Mūsu sintezētā dziļā eitektiskā šķīdinātāja (DES) termofizikālās īpašības, tostarp blīvums, virsmas spraigums, refrakcijas indekss un viskozitāte, tika precīzi izmērītas temperatūras diapazonā no 289,15 līdz 333,15 K. Jāatzīmē, ka šis temperatūras diapazons tika izvēlēts galvenokārt esošā aprīkojuma ierobežojumu dēļ. Visaptverošā analīze ietvēra padziļinātu dažādu šī NADES formulējuma termofizikālo īpašību izpēti, atklājot to uzvedību dažādās temperatūras diapazonā. Koncentrēšanās uz šo konkrēto temperatūras diapazonu sniedz ieskatu NADES īpašībās, kas ir īpaši svarīgas vairākos pielietojumos.
Sagatavotā NADES virsmas spraigums tika mērīts diapazonā no 289,15 līdz 333,15 K, izmantojot starpfāžu sprieguma mērītāju (IFT700). NADES pilieni tiek veidoti kamerā, kas piepildīta ar lielu šķidruma tilpumu, izmantojot kapilāro adatu noteiktos temperatūras un spiediena apstākļos. Mūsdienu attēlveidošanas sistēmas ievieš atbilstošus ģeometriskos parametrus, lai aprēķinātu starpfāžu spraigumu, izmantojot Laplasa vienādojumu.
Svaigi pagatavota NADES refrakcijas indeksa noteikšanai temperatūras diapazonā no 289,15 līdz 333,15 K tika izmantots ATAGO refraktometrs. Instruments izmanto termisko moduli temperatūras regulēšanai, lai novērtētu gaismas laušanas pakāpi, tādējādi novēršot nepieciešamību pēc ūdens vannas ar nemainīgu temperatūru. Refraktometra prizmas virsma ir jānotīra, un parauga šķīdums vienmērīgi jāsadala pa to. Kalibrē ar zināmu standarta šķīdumu un pēc tam nolasa refrakcijas indeksu no ekrāna.
Sagatavotā NADES viskozitāte tika mērīta temperatūras diapazonā no 289,15 līdz 333,15 K, izmantojot Brukfīlda rotācijas viskozimetru (kriogēnā tipa) ar bīdes ātrumu 30 apgr./min un vārpstas izmēru 6. Viskozimetrs mēra viskozitāti, nosakot griezes momentu, kas nepieciešams, lai vārpstu pagrieztu ar nemainīgu ātrumu šķidrā paraugā. Pēc tam, kad paraugs ir novietots uz sieta zem vārpstas un pievilkts, viskozimetrs parāda viskozitāti centipoīzos (cP), sniedzot vērtīgu informāciju par šķidruma reoloģiskajām īpašībām.
Svaigi pagatavota dabīgā dziļā eitektiskā šķīdinātāja (NDEES) blīvuma noteikšanai temperatūras diapazonā no 289,15 līdz 333,15 K tika izmantots pārnēsājams blīvuma mērītājs DMA 35 Basic. Tā kā ierīcei nav iebūvēta sildītāja, pirms NADES blīvuma mērītāja lietošanas tā ir jāuzsilda līdz norādītajai temperatūrai (± 2 °C). Caur mēģeni ievelciet vismaz 2 ml parauga, un blīvums nekavējoties tiks parādīts ekrānā. Jāatzīmē, ka iebūvēta sildītāja trūkuma dēļ mērījumu rezultātiem ir ± 2 °C kļūda.
Lai novērtētu svaigi pagatavota NADES pH līmeni temperatūras diapazonā no 289,15 līdz 333,15 K, mēs izmantojām Kenis galda pH metru. Tā kā nav iebūvētas sildīšanas ierīces, NADES vispirms tika uzkarsēts līdz vajadzīgajai temperatūrai (±2 °C), izmantojot sildvirsmu, un pēc tam mērīts tieši ar pH metru. Pilnībā iegremdējiet pH metra zondi NADES un pēc tam, kad rādījums ir stabilizējies, reģistrējiet galīgo vērtību.
Termogravimetriskā analīze (TGA) tika izmantota, lai novērtētu dabisko dziļi eitektisko šķīdinātāju (NADES) termisko stabilitāti. Paraugi tika analizēti karsēšanas laikā. Izmantojot augstas precizitātes svarus un rūpīgi uzraugot karsēšanas procesu, tika ģenerēts masas zuduma grafiks pret temperatūru. NADES tika karsēts no 0 līdz 500 °C ar ātrumu 1 °C minūtē.
Lai sāktu procesu, NADES paraugs ir rūpīgi jāsamaisa, jāhomogenizē un jānoņem virsmas mitrums. Pēc tam sagatavoto paraugu ievieto TGA kivetē, kas parasti ir izgatavota no inerta materiāla, piemēram, alumīnija. Lai nodrošinātu precīzus rezultātus, TGA instrumenti tiek kalibrēti, izmantojot references materiālus, parasti svara standartus. Pēc kalibrēšanas sākas TGA eksperiments, un paraugs tiek kontrolēti uzkarsēts, parasti ar nemainīgu ātrumu. Nepārtraukta parauga svara un temperatūras attiecības uzraudzība ir galvenā eksperimenta sastāvdaļa. TGA instrumenti vāc datus par temperatūru, svaru un citiem parametriem, piemēram, gāzes plūsmu vai parauga temperatūru. Kad TGA eksperiments ir pabeigts, apkopotie dati tiek analizēti, lai noteiktu parauga svara izmaiņas kā temperatūras funkciju. Šī informācija ir vērtīga, lai noteiktu temperatūras diapazonus, kas saistīti ar fizikālām un ķīmiskām izmaiņām paraugā, tostarp tādiem procesiem kā kušana, iztvaikošana, oksidēšanās vai sadalīšanās.
Ūdens bāzes urbšanas šķidrums tika rūpīgi izstrādāts saskaņā ar API 13B-1 standartu, un tā specifiskais sastāvs ir norādīts 2. tabulā atsaucei. Citronskābe un glicerīns (99 USP) tika iegādāti no Sigma Aldrich, Malaizija, lai pagatavotu dabisko dziļo eitektisko šķīdinātāju (NADES). Turklāt no Sigma Aldrich, Malaizija, tika iegādāts arī parastais slānekļa inhibitors kālija hlorīds (KCl). 1-etil, 3-metilimidazolija hlorīds ([EMIM]Cl) ar tīrību vairāk nekā 98% tika izvēlēts, jo tam ir ievērojama ietekme uz urbšanas šķidruma reoloģijas uzlabošanu un slānekļa inhibīciju, kas tika apstiprināts iepriekšējos pētījumos. Gan KCl, gan ([EMIM]Cl) tiks izmantoti salīdzinošajā analīzē, lai novērtētu NADES slānekļa inhibīcijas veiktspēju.
Daudzi pētnieki slānekļa pietūkuma izpētei dod priekšroku bentonīta pārslu izmantošanai, jo bentonīts satur to pašu "montmorilonīta" grupu, kas izraisa slānekļa pietūkumu. Īstu ​​slānekļa serdeņu paraugu iegūšana ir sarežģīta, jo serdeņu ņemšanas process destabilizē slānekli, kā rezultātā paraugi nav pilnībā no slānekļa, bet parasti satur smilšakmens un kaļķakmens slāņu maisījumu. Turklāt slānekļa paraugos parasti trūkst montmorilonīta grupu, kas izraisa slānekļa pietūkumu, un tāpēc tie nav piemēroti pietūkuma inhibīcijas eksperimentiem.
Šajā pētījumā mēs izmantojām rekombinētas bentonīta daļiņas ar aptuveni 2,54 cm diametru. Granulas tika izgatavotas, presējot 11,5 gramus nātrija bentonīta pulvera hidrauliskajā presē ar spiedienu 1600 psi. Granulu biezums tika precīzi izmērīts pirms ievietošanas lineārajā dilatometrā (LD). Pēc tam daļiņas tika iegremdētas urbšanas šķidruma paraugos, tostarp bāzes paraugos un paraugos, kuros injicēti inhibitori, ko izmanto, lai novērstu slānekļa pietūkumu. Granulu biezuma izmaiņas pēc tam tika rūpīgi uzraudzītas, izmantojot LD, mērījumus reģistrējot 60 sekunžu intervālos 24 stundas.
Rentgenstaru difrakcija parādīja, ka bentonīta sastāvs, īpaši tā 47% montmorilonīta komponents, ir galvenais faktors tā ģeoloģisko īpašību izpratnē. Starp bentonīta montmorilonīta komponentiem montmorilonīts ir galvenā sastāvdaļa, kas veido 88,6% no kopējā komponentu daudzuma. Tikmēr kvarcs veido 29%, illīts - 7% un karbonāts - 9%. Neliela daļa (aptuveni 3,2%) ir illīta un montmorilonīta maisījums. Turklāt tas satur mikroelementus, piemēram, Fe2O3 (4,7%), sudraba aluminosilikātu (1,2%), muskovītu (4%) un fosfātu (2,3%). Turklāt ir neliels daudzums Na2O (1,83%) un dzelzs silikāta (2,17%), kas ļauj pilnībā novērtēt bentonīta sastāvdaļas un to attiecīgās proporcijas.
Šajā visaptverošajā pētījuma sadaļā ir detalizēti aprakstītas urbšanas šķidruma paraugu reoloģiskās un filtrācijas īpašības, kas sagatavoti, izmantojot dabisko dziļo eitektisko šķīdinātāju (NADES), un izmantoti kā urbšanas šķidruma piedeva dažādās koncentrācijās (1%, 3% un 5%). Pēc tam NADES bāzes suspensijas paraugi tika salīdzināti un analizēti ar suspensijas paraugiem, kas sastāvēja no kālija hlorīda (KCl), CC:urīnvielas DES (holīna hlorīda dziļais eitektiskais šķīdinātājs:urīnviela) un jonu šķidrumiem. Šajā pētījumā tika aplūkoti vairāki galvenie parametri, tostarp viskozitātes rādījumi, kas iegūti, izmantojot FANN viskozimetru pirms un pēc novecošanas apstākļu iedarbības 100°C un 150°C temperatūrā. Mērījumi tika veikti dažādos griešanās ātrumos (3 apgr./min., 6 apgr./min., 300 apgr./min. un 600 apgr./min.), kas ļāva veikt visaptverošu urbšanas šķidruma uzvedības analīzi. Iegūtos datus pēc tam var izmantot, lai noteiktu galvenās īpašības, piemēram, tecēšanas robežu (YP) un plastisko viskozitāti (PV), kas sniedz ieskatu šķidruma darbībā dažādos apstākļos. Augstspiediena augstas temperatūras (HPHT) filtrācijas testi pie 400 psi un 150 °C (tipiskas temperatūras augstas temperatūras akās) nosaka filtrācijas veiktspēju (kūkas biezumu un filtrāta tilpumu).
Šajā sadaļā tiek izmantots modernākais aprīkojums — Grace HPHT lineārais dilatometrs (M4600), lai rūpīgi novērtētu mūsu uz ūdens bāzes veidoto urbšanas šķidrumu slānekļa uzbriešanas kavēšanas īpašības. LSM ir moderna iekārta, kas sastāv no divām sastāvdaļām: plākšņu blīvētāja un lineārā dilatometra (modelis: M4600). Bentonīta plāksnes tika sagatavotas analīzei, izmantojot Grace Core/Plate Compactor. Pēc tam LSM sniedz tūlītējus uzbriešanas datus uz šīm plāksnēm, ļaujot veikt visaptverošu slānekļa uzbriešanas kavēšanas īpašību novērtējumu. Slānekļa izplešanās testi tika veikti apkārtējās vides apstākļos, t.i., 25 °C temperatūrā un 1 psia spiedumā.
Slānekļa stabilitātes testēšana ietver galveno testu, ko bieži dēvē par slānekļa atgūšanas testu, slānekļa iegremdēšanas testu vai slānekļa dispersijas testu. Lai sāktu šo novērtējumu, slānekļa atgriezumus atdala uz #6 BSS sieta un pēc tam novieto uz #10 sieta. Pēc tam atgriezumus padod uzglabāšanas tvertnē, kur tos sajauc ar bāzes šķidrumu un urbšanas dubļiem, kas satur NADES (dabisko dziļo eitektisko šķīdinātāju). Nākamais solis ir maisījuma ievietošana krāsnī intensīvai karstās velmēšanas procesam, nodrošinot, ka atgriezumi un dubļi ir rūpīgi sajaukti. Pēc 16 stundām atgriezumus atdala no celulozes, ļaujot slāneklim sadalīties, kā rezultātā samazinās atgriezumu svars. Slānekļa atgūšanas tests tika veikts pēc tam, kad slānekļa atgriezumi 24 stundu laikā bija turēti urbšanas dubļos 150°C temperatūrā un 1000 psi collu spiedumā.
Lai izmērītu slānekļa dūņu atgūšanu, mēs to filtrējām caur smalkāku sietu (40 mesh), pēc tam rūpīgi noskalojām ar ūdeni un visbeidzot žāvējām krāsnī. Šī rūpīgā procedūra ļauj mums novērtēt atgūto dūņu daudzumu salīdzinājumā ar sākotnējo svaru, galu galā aprēķinot veiksmīgi atgūto slānekļa dūņu procentuālo daudzumu. Slānekļa paraugu avots ir Niah rajons, Miri rajons, Saravaka, Malaizija. Pirms dispersijas un atgūšanas testiem slānekļa paraugi tika pakļauti rūpīgai rentgenstaru difrakcijas (XRD) analīzei, lai kvantitatīvi noteiktu to māla sastāvu un apstiprinātu to piemērotību testēšanai. Parauga māla minerālu sastāvs ir šāds: illīts 18%, kaolinīts 31%, hlorīts 22%, vermikulīts 10% un vizla 19%.
Virsmas spraigums ir galvenais faktors, kas kontrolē ūdens katjonu iekļūšanu slānekļa mikroporās, izmantojot kapilāro darbību, kas tiks detalizēti pētīta šajā sadaļā. Šajā rakstā tiek pētīta virsmas spraiguma loma urbšanas šķidrumu kohēzijas īpašībās, izceļot tā svarīgo ietekmi uz urbšanas procesu, īpaši uz slānekļa inhibīciju. Mēs izmantojām starpfāžu tenzometru (IFT700), lai precīzi izmērītu urbšanas šķidruma paraugu virsmas spraigumu, atklājot svarīgu šķidruma uzvedības aspektu slānekļa inhibīcijas kontekstā.
Šajā sadaļā detalizēti aplūkots d-slāņu atstatums, kas ir starpslāņa attālums starp alumīnija silikāta slāņiem un vienu alumīnija silikāta slāni mālos. Analīze ietvēra mitru dūņu paraugus, kas saturēja 1%, 3% un 5% CA NADES, kā arī 3% KCl, 3% [EMIM]Cl un 3% CC:urīnvielas bāzes DES salīdzināšanai. Mūsdienīgs galda rentgena difraktometrs (D2 Phaser), kas darbojas ar 40 mA un 45 kV spriegumu un Cu-Kα starojumu (λ = 1,54059 Å), spēlēja būtisku lomu gan mitru, gan sausu Na-Bt paraugu rentgena difrakcijas maksimumu reģistrēšanā. Brega vienādojuma pielietojums ļauj precīzi noteikt d-slāņu atstatumu, tādējādi sniedzot vērtīgu informāciju par māla uzvedību.
Šajā sadaļā tiek izmantota uzlabotā Malvern Zetasizer Nano ZSP ierīce, lai precīzi mērītu zeta potenciālu. Šis novērtējums sniedza vērtīgu informāciju par atšķaidītu dūņu paraugu, kas satur 1%, 3% un 5% CA NADES, kā arī 3% KCl, 3% [EMIM]Cl un 3% CC:urīnvielas bāzes DES, lādiņa īpašībām salīdzinošai analīzei. Šie rezultāti veicina mūsu izpratni par koloīdo savienojumu stabilitāti un to mijiedarbību šķidrumos.
Māla paraugi tika pārbaudīti pirms un pēc iedarbības ar dabisko dziļo eitektisko šķīdinātāju (NADES), izmantojot Zeiss Supra 55 VP lauka emisijas skenējošo elektronu mikroskopu (FESEM), kas aprīkots ar enerģijas dispersīvo rentgena (EDX) funkciju. Attēlveidošanas izšķirtspēja bija 500 nm, un elektronu stara enerģija bija 30 kV un 50 kV. FESEM nodrošina augstas izšķirtspējas māla paraugu virsmas morfoloģijas un strukturālo iezīmju vizualizāciju. Šī pētījuma mērķis bija iegūt informāciju par NADES ietekmi uz māla paraugiem, salīdzinot attēlus, kas iegūti pirms un pēc iedarbības.
Šajā pētījumā tika izmantota lauka emisijas skenējošās elektronu mikroskopijas (FESEM) tehnoloģija, lai mikroskopiskā līmenī izpētītu NADES ietekmi uz māla paraugiem. Šī pētījuma mērķis ir noskaidrot NADES potenciālos pielietojumus un tā ietekmi uz māla morfoloģiju un vidējo daļiņu izmēru, kas sniegs vērtīgu informāciju pētījumiem šajā jomā.
Šajā pētījumā kļūdu joslas tika izmantotas, lai vizuāli aprakstītu vidējās procentuālās kļūdas (AMPE) mainīgumu un nenoteiktību dažādos eksperimentālos apstākļos. Tā vietā, lai attēlotu atsevišķas AMPE vērtības (jo AMPE vērtību attēlošana var maskēt tendences un pārspīlēt nelielas variācijas), mēs aprēķinām kļūdu joslas, izmantojot 5% likumu. Šī pieeja nodrošina, ka katra kļūdu josla atspoguļo intervālu, kurā paredzams, ka 95% ticamības intervāls un 100% AMPE vērtību nonāks, tādējādi sniedzot skaidrāku un kodolīgāku datu sadalījuma kopsavilkumu katram eksperimentālajam nosacījumam. Izmantojot kļūdu joslas, kuru pamatā ir 5% likums, tiek uzlabota grafisko attēlojumu interpretējamība un ticamība, kā arī sniegta detalizētāka izpratne par rezultātiem un to ietekmi.
Dabisko dziļi eitektisko šķīdinātāju (NADES) sintēzē iekšējās sagatavošanas procesā tika rūpīgi pētīti vairāki galvenie parametri. Šie kritiskie faktori ietver temperatūru, molāro attiecību un maisīšanas ātrumu. Mūsu eksperimenti liecina, ka, sajaucot HBA (citronskābi) un HBD (glicerīnu) ar molāro attiecību 1:4 50°C temperatūrā, veidojas eitektisks maisījums. Eitektiskā maisījuma atšķirīgā iezīme ir tā caurspīdīgais, homogēnais izskats un nogulumu neesamība. Tādējādi šis svarīgais solis izceļ molārās attiecības, temperatūras un maisīšanas ātruma nozīmi, starp kuriem molārā attiecība bija visietekmīgākais faktors DES un NADES sagatavošanā, kā parādīts 2. attēlā.
Refrakcijas indekss (n) izsaka gaismas ātruma vakuumā attiecību pret gaismas ātrumu otrā, blīvākā vidē. Refrakcijas indekss ir īpaši interesants dabīgiem dziļi eitektiskiem šķīdinātājiem (NADES), apsverot optiski jutīgus pielietojumus, piemēram, biosensorus. Pētītā NADES refrakcijas indekss 25 °C temperatūrā bija 1,452, kas interesanti, ka ir zemāks nekā glicerīnam.
Jāatzīmē, ka NADES refrakcijas indekss samazinās līdz ar temperatūru, un šo tendenci var precīzi aprakstīt ar formulu (1) un 3. attēlu, kur absolūtā vidējā procentuālā kļūda (AMPE) sasniedz 0%. Šo no temperatūras atkarīgo uzvedību izskaidro viskozitātes un blīvuma samazināšanās augstās temperatūrās, kā rezultātā gaisma pārvietojas caur vidi ar lielāku ātrumu, kā rezultātā refrakcijas indeksa (n) vērtība ir zemāka. Šie rezultāti sniedz vērtīgu ieskatu NADES stratēģiskajā izmantošanā optiskajā sensoru noteikšanā, izceļot to potenciālu biosensoru pielietojumos.
Virsmas spraigums, kas atspoguļo šķidruma virsmas tieksmi samazināt savu laukumu, ir ļoti svarīgs, novērtējot dabisko dziļo eitektisko šķīdinātāju (NADES) piemērotību kapilārā spiediena pielietojumiem. Virsmas spraiguma pētījums temperatūras diapazonā no 25 līdz 60 °C sniedz vērtīgu informāciju. 25 °C temperatūrā citronskābes bāzes NADES virsmas spraigums bija 55,42 mN/m, kas ir ievērojami zemāks nekā ūdenim un glicerīnam. 4. attēlā redzams, ka virsmas spraigums ievērojami samazinās, palielinoties temperatūrai. Šo parādību var izskaidrot ar molekulārās kinētiskās enerģijas palielināšanos un sekojošu starpmolekulāro pievilkšanās spēku samazināšanos.
Lineāri samazinošo virsmas spraiguma tendenci, kas novērota pētītajā NADES, var labi izteikt ar vienādojumu (2), kas ilustrē pamata matemātisko sakarību temperatūras diapazonā no 25 līdz 60 °C. 4. attēla grafiks skaidri attēlo virsmas spraiguma tendenci atkarībā no temperatūras ar absolūto vidējo procentuālo kļūdu (AMPE) 1,4%, kas kvantificē ziņoto virsmas spraiguma vērtību precizitāti. Šiem rezultātiem ir svarīga nozīme NADES uzvedības un tā potenciālo pielietojumu izpratnē.
Dabisko dziļo eitektisko šķīdinātāju (NADES) blīvuma dinamikas izpratne ir ļoti svarīga, lai atvieglotu to pielietošanu daudzos zinātniskos pētījumos. Uz citronskābes bāzes veidotā NADES blīvums 25°C temperatūrā ir 1,361 g/cm3, kas ir augstāks nekā sākotnējā glicerīna blīvums. Šo atšķirību var izskaidrot ar ūdeņraža saites akceptora (citronskābes) pievienošanu glicerīnam.
Ņemot par piemēru citrāta bāzes NADES, tā blīvums 60°C temperatūrā samazinās līdz 1,19 g/cm3. Kinētiskās enerģijas palielināšanās karsēšanas laikā izraisa NADES molekulu izkliedi, kā rezultātā tās aizņem lielāku tilpumu, kā rezultātā samazinās blīvums. Novērotais blīvuma samazinājums parāda zināmu lineāru korelāciju ar temperatūras pieaugumu, ko var pareizi izteikt ar formulu (3). 5. attēlā grafiski attēlotas šīs NADES blīvuma izmaiņu īpašības ar absolūto vidējo procentuālo kļūdu (AMPE) 1,12%, kas sniedz kvantitatīvu mērījumu ziņoto blīvuma vērtību precizitātei.
Viskozitāte ir pievilkšanās spēks starp dažādiem kustībā esoša šķidruma slāņiem, un tai ir galvenā loma dabisko dziļo eitektisko šķīdinātāju (NADES) pielietojamības izpratnē dažādos pielietojumos. 25 °C temperatūrā NADES viskozitāte bija 951 cP, kas ir augstāka nekā glicerīnam.
Novērotā viskozitātes samazināšanās, palielinoties temperatūrai, galvenokārt tiek izskaidrota ar starpmolekulāro pievilkšanās spēku pavājināšanos. Šī parādība izraisa šķidruma viskozitātes samazināšanos, un šī tendence ir skaidri parādīta 6. attēlā un kvantificēta ar vienādojumu (4). Jāatzīmē, ka 60°C temperatūrā viskozitāte samazinās līdz 898 cP ar kopējo vidējo procentuālo kļūdu (AMPE) 1,4%. Detalizēta NADES viskozitātes un temperatūras atkarības izpratne ir ļoti svarīga tās praktiskajai pielietošanai.
Šķīduma pH, ko nosaka pēc ūdeņraža jonu koncentrācijas negatīvā logaritma, ir kritiski svarīgs, īpaši pH jutīgos pielietojumos, piemēram, DNS sintēzē, tāpēc pirms lietošanas NADES pH ir rūpīgi jāizpēta. Piemēram, ņemot uz citronskābes bāzes veidotu NADES, var novērot izteikti skābu pH 1,91, kas krasi atšķiras no relatīvi neitrālā glicerīna pH.
Interesanti, ka dabiskā citronskābes dehidrogenāzes šķīstošā šķīdinātāja (NADES) pH uzrādīja nelineāru lejupejošu tendenci, palielinoties temperatūrai. Šī parādība tiek attiecināta uz pastiprinātām molekulārajām vibrācijām, kas izjauc H+ līdzsvaru šķīdumā, izraisot [H]+ jonu veidošanos un, savukārt, pH vērtības izmaiņas. Lai gan citronskābes dabiskais pH ir no 3 līdz 5, skābā ūdeņraža klātbūtne glicerīnā vēl vairāk pazemina pH līdz 1,91.
Citrātu bāzes NADES pH uzvedību temperatūras diapazonā no 25 līdz 60 °C var atbilstoši attēlot ar vienādojumu (5), kas sniedz matemātisku izteiksmi novērotajai pH tendencei. 7. attēlā grafiski attēlota šī interesantā saistība, izceļot temperatūras ietekmi uz NADES pH, kas AMPE gadījumā ir 1,4%.
Dabīgā citronskābes dziļā eitektiskā šķīdinātāja (NADES) termogravimetriskā analīze (TGA) tika sistemātiski veikta temperatūras diapazonā no istabas temperatūras līdz 500 °C. Kā redzams 8.a un 8.b attēlā, sākotnējais masas zudums līdz 100 °C galvenokārt bija saistīts ar absorbēto ūdeni un ar citronskābi un tīru glicerīnu saistīto hidratācijas ūdeni. Ievērojama masas aizture aptuveni 88% apmērā tika novērota līdz 180 °C, kas galvenokārt bija saistīta ar citronskābes sadalīšanos akonītskābē un sekojošu metilmaleīnskābes anhidrīda(III) veidošanos pēc turpmākas karsēšanas (8.b attēls). Virs 180 °C glicerīnā varēja novērot arī skaidru akroleīna (akrilaldehīda) parādīšanos, kā parādīts 8.b attēlā.
Glicerīna termogravimetriskā analīze (TGA) atklāja divpakāpju masas zuduma procesu. Sākotnējā posmā (no 180 līdz 220 °C) veidojas akroleīns, kam seko ievērojams masas zudums augstās temperatūrās no 230 līdz 300 °C (8.a attēls). Temperatūrai paaugstinoties, secīgi veidojas acetaldehīds, oglekļa dioksīds, metāns un ūdeņradis. Jāatzīmē, ka 300 °C temperatūrā saglabājās tikai 28% masas, kas liecina, ka NADES 8(a)38,39 raksturīgās īpašības varētu būt bojātas.
Lai iegūtu informāciju par jaunu ķīmisko saišu veidošanos, svaigi pagatavotas dabisko dziļo eitektisko šķīdinātāju (NADES) suspensijas tika analizētas ar Furjē transformācijas infrasarkano spektroskopiju (FTIR). Analīze tika veikta, salīdzinot NADES suspensijas spektru ar tīras citronskābes (CA) un glicerīna (Gly) spektriem. CA spektrā bija redzami skaidri maksimumi pie 1752 1/cm un 1673 1/cm, kas atspoguļo C=O saites stiepšanās vibrācijas un ir raksturīgas arī CA. Turklāt pirkstu nospiedumu apgabalā tika novērota ievērojama OH lieces vibrācijas nobīde pie 1360 1/cm, kā parādīts 9. attēlā.
Līdzīgi, glicerīna gadījumā OH stiepšanās un lieces vibrāciju nobīdes tika konstatētas attiecīgi pie viļņu skaitļiem 3291 1/cm un 1414 1/cm. Tagad, analizējot sagatavotā NADES spektru, tika konstatēta būtiska spektra nobīde. Kā parādīts 7. attēlā, C=O saites stiepšanās vibrācija mainījās no 1752 1/cm līdz 1720 1/cm, un glicerīna -OH saites lieces vibrācija mainījās no 1414 1/cm līdz 1359 1/cm. Šīs viļņu skaitļu nobīdes norāda uz elektronegativitātes izmaiņām, kas norāda uz jaunu ķīmisko saišu veidošanos NADES struktūrā.