Hvala, ker ste obiskali nature.com. Različica brskalnika, ki jo uporabljate, ima omejeno podporo za CSS. Za najboljšo izkušnjo priporočamo uporabo najnovejše različice brskalnika (ali izklop načina združljivosti v Internet Explorerju). Poleg tega za zagotovitev nadaljnje podpore to spletno mesto ne bo vključevalo slogov ali JavaScripta.
Širjenje skrilavca v klastičnih rezervoarjih povzroča znatne težave, ki vodijo v nestabilnost vrtine. Zaradi okoljskih razlogov je uporaba vrtalne tekočine na vodni osnovi z dodanimi inhibitorji skrilavca prednostnejša od vrtalne tekočine na naftni osnovi. Ionske tekočine (IL) so pritegnile veliko pozornosti kot inhibitorji skrilavca zaradi svojih prilagodljivih lastnosti in močnih elektrostatičnih značilnosti. Vendar pa so se ionske tekočine (IL) na osnovi imidazolila, ki se pogosto uporabljajo v vrtalnih tekočinah, izkazale za strupene, nerazgradljive in drage. Globoko evtektična topila (DES) veljajo za stroškovno učinkovitejšo in manj strupeno alternativo ionskim tekočinam, vendar še vedno ne dosegajo zahtevane okoljske trajnosti. Nedavni napredek na tem področju je privedel do uvedbe naravnih globoko evtektičnih topil (NADES), znanih po svoji resnični okolju prijaznosti. Ta študija je raziskala NADES, ki vsebujejo citronsko kislino (kot akceptor vodikove vezi) in glicerol (kot donor vodikove vezi) kot dodatke vrtalni tekočini. Vrtalne tekočine na osnovi NADES so bile razvite v skladu z API 13B-1, njihova učinkovitost pa je bila primerjana z vrtalnimi tekočinami na osnovi kalijevega klorida, ionskimi tekočinami na osnovi imidazolija in vrtalnimi tekočinami na osnovi holin klorida:sečnine in DES. Fizikalno-kemijske lastnosti lastniških NADES so podrobno opisane. Med študijo so bile ocenjene reološke lastnosti, izguba tekočine in lastnosti zaviranja nastajanja skrilavca vrtalne tekočine, pri čemer je bilo dokazano, da se je pri koncentraciji 3 % NADES povečalo razmerje med napetostjo tečenja in plastično viskoznostjo (YP/PV), debelina blatne pogače se je zmanjšala za 26 %, volumen filtrata pa za 30,1 %. Omeniti velja, da je NADES dosegel impresivno stopnjo zaviranja ekspanzije 49,14 % in povečal proizvodnjo skrilavca za 86,36 %. Ti rezultati so posledica sposobnosti NADES, da spremeni površinsko aktivnost, zeta potencial in medplastni razmik glin, kar je obravnavano v tem članku, da bi razumeli osnovne mehanizme. Pričakuje se, da bo ta trajnostna vrtalna tekočina revolucionirala vrtalno industrijo, saj bo zagotovila nestrupeno, stroškovno učinkovito in zelo učinkovito alternativo tradicionalnim zaviralcem korozije skrilavca, s čimer bo utrla pot okolju prijaznim praksam vrtanja.
Skrilavec je vsestranska kamnina, ki služi kot vir in rezervoar ogljikovodikov, njegova porozna struktura1 pa ponuja potencial za proizvodnjo in shranjevanje teh dragocenih virov. Vendar pa je skrilavec bogat z glinastimi minerali, kot so montmorilonit, smektit, kaolinit in ilit, zaradi česar je nagnjen k nabrekanju, ko je izpostavljen vodi, kar vodi do nestabilnosti vrtine med vrtanjem2,3. Te težave lahko povzročijo neproduktivni čas (NPT) in številne operativne težave, vključno z zagozdenimi cevmi, izgubljenim kroženjem blata, porušitvijo vrtine in obraščanjem svedra, kar poveča čas in stroške okrevanja. Tradicionalno so bile vrtalne tekočine na osnovi nafte (OBDF) prednostna izbira za formacije skrilavca zaradi njihove sposobnosti, da se upirajo širjenju skrilavca4. Vendar pa uporaba vrtalnih tekočin na osnovi nafte pomeni višje stroške in okoljska tveganja. Vrtalne tekočine na sintetični osnovi (SBDF) so bile obravnavane kot alternativa, vendar njihova primernost pri visokih temperaturah ni zadovoljiva. Vrtalne tekočine na vodni osnovi (WBDF) so privlačna rešitev, ker so varnejše, okolju prijaznejše in stroškovno učinkovitejše od OBDF5. Za izboljšanje sposobnosti zaviranja WBDF v skrilavcu so bili uporabljeni različni inhibitorji iz skrilavca, vključno s tradicionalnimi inhibitorji, kot so kalijev klorid, apno, silikat in polimer. Vendar pa imajo ti inhibitorji omejitve glede učinkovitosti in vpliva na okolje, zlasti zaradi visoke koncentracije K+ v inhibitorjih kalijevega klorida in občutljivosti silikatov na pH.6 Raziskovalci so raziskali možnost uporabe ionskih tekočin kot dodatkov vrtalni tekočini za izboljšanje reologije vrtalne tekočine in preprečevanje nabrekanja skrilavca in nastajanja hidratov. Vendar so te ionske tekočine, zlasti tiste, ki vsebujejo imidazolilne katione, na splošno strupene, drage, niso biorazgradljive in zahtevajo kompleksne postopke priprave. Da bi rešili te težave, so ljudje začeli iskati bolj ekonomično in okolju prijazno alternativo, kar je privedlo do pojava globoko evtektičnih topil (DES). DES je evtektična zmes, ki jo tvorita donor vodikove vezi (HBD) in akceptor vodikove vezi (HBA) pri določenem molskem razmerju in temperaturi. Te evtektične zmesi imajo nižja tališča kot njihove posamezne komponente, predvsem zaradi delokalizacije naboja, ki jo povzročajo vodikove vezi. Številni dejavniki, vključno z energijo mreže, spremembo entropije in interakcijami med anioni in HBD, igrajo ključno vlogo pri zniževanju tališča DES.
V prejšnjih študijah so vrtalni tekočini na vodni osnovi dodali različne dodatke za rešitev problema širjenja skrilavca. Ofei in sodelavci so na primer dodali 1-butil-3-metilimidazolijev klorid (BMIM-Cl), ki je znatno zmanjšal debelino blatne pogače (do 50 %) in zmanjšal vrednost YP/PV za 11 pri različnih temperaturah. Huang in sodelavci so uporabili ionske tekočine (natančneje 1-heksil-3-metilimidazolijev bromid in 1,2-bis(3-heksilimidazol-1-il)etan bromid) v kombinaciji z delci Na-Bt in znatno zmanjšali nabrekanje skrilavca za 86,43 % oziroma 94,17 %12. Poleg tega so Yang in sodelavci uporabili 1-vinil-3-dodecilimidazolijev bromid in 1-vinil-3-tetradecilimidazolijev bromid za zmanjšanje nabrekanja skrilavca za 16,91 % oziroma 5,81 %. 13 Yang in sodelavci Uporabili so tudi 1-vinil-3-etilimidazolijev bromid in zmanjšali širjenje skrilavca za 31,62 %, hkrati pa ohranili izkoristek skrilavca pri 40,60 %.14 Poleg tega so Luo in sodelavci uporabili 1-oktil-3-metilimidazolijev tetrafluoroborat za zmanjšanje nabrekanja skrilavca za 80 %.15, 16 Dai in sodelavci so uporabili ionske tekoče kopolimere za zaviranje skrilavca in dosegli 18-odstotno povečanje linearnega izkoristka v primerjavi z aminskimi inhibitorji.17
Ionske tekočine imajo same po sebi nekaj pomanjkljivosti, kar je znanstvenike spodbudilo k iskanju okolju prijaznejših alternativ ionskim tekočinam, in tako se je rodil DES. Hanjia je bil prvi, ki je uporabil globoko evtektična topila (DES), ki so bila sestavljena iz vinilklorida propionske kisline (1:1), vinilklorida 3-fenilpropionske kisline (1:2) in 3-merkaptopropionske kisline + itakonske kisline + vinilklorida (1:1:2), kar je zaviralo nabrekanje bentonita za 68 %, 58 % oziroma 58 %18. V prostem poskusu je MH Rasul uporabil razmerje 2:1 glicerola in kalijevega karbonata (DES) in znatno zmanjšal nabrekanje vzorcev skrilavca za 87 %19,20. Ma je ​​uporabil sečnino:vinilklorid za znatno zmanjšanje širjenja skrilavca za 67 %.21 Rasul in sod. Kombinacija DES in polimera je bila uporabljena kot dvojno delujoči zaviralec skrilavca, ki je dosegel odličen učinek zaviranja skrilavca22.
Čeprav globoko evtektična topila (DES) na splošno veljajo za bolj zeleno alternativo ionskim tekočinam, vsebujejo tudi potencialno strupene sestavine, kot so amonijeve soli, zaradi česar je njihova okolju prijaznost vprašljiva. Ta težava je privedla do razvoja naravnih globoko evtektičnih topil (NADES). Še vedno so razvrščena kot DES, vendar so sestavljena iz naravnih snovi in ​​soli, vključno s kalijevim kloridom (KCl), kalcijevim kloridom (CaCl2), Epsomovimi solmi (MgSO4.7H2O) in drugimi. Številne potencialne kombinacije DES in NADES odpirajo širok prostor za raziskave na tem področju in pričakuje se, da bodo našle uporabo na različnih področjih. Več raziskovalcev je uspešno razvilo nove kombinacije DES, ki so se izkazale za učinkovite v različnih aplikacijah. Na primer, Naser in sod. so leta 2013 sintetizirali DES na osnovi kalijevega karbonata in preučevali njegove termofizikalne lastnosti, ki so nato našle uporabo na področjih inhibicije hidratov, dodatkov vrtalni tekočini, delignifikacije in nanofibrilacije.23 Jordy Kim in sodelavci so razvili NADES na osnovi askorbinske kisline in ocenili njegove antioksidativne lastnosti v različnih aplikacijah.24 Christer in sod. razvili NADES na osnovi citronske kisline in opredelili njegov potencial kot pomožne snovi za kolagene izdelke.25 Liu Yi in sodelavci so v obsežnem pregledu povzeli uporabo NADES kot ekstrakcijskega in kromatografskega medija, medtem ko so Misan in sodelavci razpravljali o uspešni uporabi NADES v agroživilskem sektorju. Nujno je, da raziskovalci vrtalnih tekočin začnejo posvečati pozornost učinkovitosti NADES pri svojih aplikacijah. nedavno. Leta 2023 so Rasul in sodelavci uporabili različne kombinacije naravnih globokih evtektičnih topil na osnovi askorbinske kisline26, kalcijevega klorida27, kalijevega klorida28 in epsomske soli29 ter dosegli impresivno zaviranje skrilavca in izkoristek skrilavca. Ta študija je ena prvih študij, ki je predstavila NADES (zlasti formulacijo na osnovi citronske kisline in glicerola) kot okolju prijazen in učinkovit zaviralec skrilavca v vrtalnih tekočinah na vodni osnovi, ki ima odlično okoljsko stabilnost, izboljšano sposobnost zaviranja skrilavca in izboljšano delovanje tekočine v primerjavi s tradicionalnimi zaviralci, kot so KCl, ionske tekočine na osnovi imidazolila in tradicionalni DES.
Študija bo vključevala interno pripravo NADES na osnovi citronske kisline (CA), ki ji bo sledila podrobna fizikalno-kemijska karakterizacija in njena uporaba kot dodatka vrtalni tekočini za oceno lastnosti vrtalne tekočine in njene sposobnosti zaviranja nabrekanja. V tej študiji bo CA delovala kot akceptor vodikovih vezi, glicerol (Gly) pa kot donor vodikovih vezi, izbran na podlagi presejalnih kriterijev MH za nastanek/izbor NADES v študijah zaviranja nabrekanja v skrilavcu30. Meritve s Fourierjevo transformacijsko infrardečo spektroskopijo (FTIR), rentgensko difrakcijo (XRD) in zeta potencialom (ZP) bodo pojasnile interakcije med NADES in glino ter mehanizem, ki je podlaga za zaviranje nabrekanja gline. Poleg tega bo ta študija primerjala vrtalno tekočino na osnovi CA NADES z DES32 na osnovi 1-etil-3-metilimidazolijevega klorida [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl in holin klorida:sečnine (1:2), da bi raziskala njihovo učinkovitost pri zaviranju nabrekanja v skrilavcu in izboljšanju delovanja vrtalne tekočine.
Citronska kislina (monohidrat), glicerol (99 USP) in sečnina so bili kupljeni pri podjetju EvaChem, Kuala Lumpur, Malezija. Holin klorid (>98 %), [EMIM]Cl 98 % in kalijev klorid so bili kupljeni pri podjetju Sigma Aldrich, Malezija. Kemijske strukture vseh kemikalij so prikazane na sliki 1. Zeleni diagram primerja glavne kemikalije, uporabljene v tej študiji: imidazolilna ionska tekočina, holin klorid (DES), citronska kislina, glicerol, kalijev klorid in NADES (citronska kislina in glicerol). Tabela okoljske prijaznosti kemikalij, uporabljenih v tej študiji, je predstavljena v tabeli 1. V tabeli je vsaka kemikalija ocenjena glede na toksičnost, biorazgradljivost, stroške in okoljsko trajnost.
Kemijske strukture materialov, uporabljenih v tej študiji: (a) citronska kislina, (b) [EMIM]Cl, (c) holin klorid in (d) glicerol.
Kandidati za donorje in akceptorje vodikovih vezi (HBD) za razvoj NADES na osnovi CA (naravnega globoko evtektičnega topila) so bili skrbno izbrani v skladu z izbirnimi kriteriji MH 30, ki so namenjeni razvoju NADES kot učinkovitih inhibitorjev glinavca. V skladu s tem kriterijem so komponente z velikim številom donorjev in akceptorjev vodikovih vezi ter polarnih funkcionalnih skupin primerne za razvoj NADES.
Poleg tega sta bila v tej študiji za primerjavo izbrana ionska tekočina [EMIM]Cl in globoko evtektično topilo holin klorid:sečnina (DES), ker se pogosto uporabljata kot dodatka vrtalni tekočini33,34,35,36. Poleg tega je bil kalijev klorid (KCl) primerjan, ker je pogost inhibitor.
Citronsko kislino in glicerol smo zmešali v različnih molskih razmerjih, da smo dobili evtektične zmesi. Vizualni pregled je pokazal, da je evtektična zmes homogena, prozorna tekočina brez motnosti, kar kaže na to, da sta bila donor vodikove vezi (HBD) in akceptor vodikove vezi (HBA) v tej evtektični sestavi uspešno zmešana. Izvedeni so bili predhodni poskusi za opazovanje temperaturno odvisnega vedenja procesa mešanja HBD in HBA. Glede na razpoložljivo literaturo je bil delež evtektičnih zmesi ocenjen pri treh specifičnih temperaturah nad 50 °C, 70 °C in 100 °C, kar kaže, da je evtektična temperatura običajno v območju 50–80 °C. Za natančno tehtanje komponent HBD in HBA je bila uporabljena digitalna tehtnica Mettler, za segrevanje in mešanje HBD in HBA pri 100 vrt/min v nadzorovanih pogojih pa je bila uporabljena grelna plošča Thermo Fisher.
Termofizikalne lastnosti našega sintetiziranega globoko evtektičnega topila (DES), vključno z gostoto, površinsko napetostjo, lomnim količnikom in viskoznostjo, so bile natančno izmerjene v temperaturnem območju od 289,15 do 333,15 K. Treba je opozoriti, da je bilo to temperaturno območje izbrano predvsem zaradi omejitev obstoječe opreme. Celovita analiza je vključevala poglobljeno študijo različnih termofizikalnih lastnosti te formulacije NADES, ki je razkrila njihovo obnašanje v različnih temperaturah. Osredotočanje na to specifično temperaturno območje ponuja vpogled v lastnosti NADES, ki so še posebej pomembne za številne aplikacije.
Površinska napetost pripravljenega NADES-a je bila izmerjena v območju od 289,15 do 333,15 K z uporabo merilnika medfazne napetosti (IFT700). Kapljice NADES nastajajo v komori, napolnjeni z veliko količino tekočine, z uporabo kapilarne igle pri določenih temperaturnih in tlačnih pogojih. Sodobni slikovni sistemi uvajajo ustrezne geometrijske parametre za izračun medfazne napetosti z uporabo Laplaceove enačbe.
Za določitev lomnega količnika sveže pripravljenega NADES-a v temperaturnem območju od 289,15 do 333,15 K je bil uporabljen refraktometer ATAGO. Instrument uporablja termični modul za uravnavanje temperature za oceno stopnje loma svetlobe, s čimer se odpravi potreba po vodni kopeli s konstantno temperaturo. Prizmatsko površino refraktometra je treba očistiti, raztopino vzorca pa enakomerno porazdeliti po njej. Kalibrirajte z znano standardno raztopino in nato z zaslona odčitajte lomni količnik.
Viskoznost pripravljenega NADES-a je bila izmerjena v temperaturnem območju od 289,15 do 333,15 K z uporabo rotacijskega viskozimetra Brookfield (kriogeni tip) pri strižni hitrosti 30 vrt/min in velikosti vretena 6. Viskozimeter meri viskoznost z določanjem navora, potrebnega za vrtenje vretena s konstantno hitrostjo v tekočem vzorcu. Ko je vzorec nameščen na zaslonu pod vretenom in privit, viskozimeter prikaže viskoznost v centipoazih (cP), kar zagotavlja dragocene informacije o reoloških lastnostih tekočine.
Za določanje gostote sveže pripravljenega naravnega globoko evtektičnega topila (NDEES) v temperaturnem območju 289,15–333,15 K je bil uporabljen prenosni merilnik gostote DMA 35 Basic. Ker naprava nima vgrajenega grelnika, jo je treba pred uporabo merilnika gostote NADES predhodno segreti na predpisano temperaturo (± 2 °C). Skozi cev potegnite vsaj 2 ml vzorca in gostota se bo takoj prikazala na zaslonu. Omeniti velja, da imajo zaradi pomanjkanja vgrajenega grelnika rezultati meritev napako ± 2 °C.
Za oceno pH-ja sveže pripravljenega NADES-a v temperaturnem območju 289,15–333,15 K smo uporabili namizni pH-meter Kenis. Ker vgrajene grelne naprave ni, smo NADES najprej segreli na želeno temperaturo (±2 °C) z uporabo grelne plošče in nato neposredno izmerili s pH-metrom. Sondo pH-metra popolnoma potopite v NADES in po stabilizaciji odčitka zabeležite končno vrednost.
Za oceno toplotne stabilnosti naravnih globoko evtektičnih topil (NADES) je bila uporabljena termogravimetrična analiza (TGA). Vzorci so bili analizirani med segrevanjem. Z uporabo visoko natančne tehtnice in skrbnega spremljanja procesa segrevanja je bil ustvarjen graf izgube mase v odvisnosti od temperature. NADES se je segreval od 0 do 500 °C s hitrostjo 1 °C na minuto.
Za začetek postopka je treba vzorec NADES temeljito premešati, homogenizirati in odstraniti površinsko vlago. Pripravljen vzorec se nato namesti v kiveto za TGA, ki je običajno izdelana iz inertnega materiala, kot je aluminij. Za zagotovitev natančnih rezultatov se instrumenti za TGA kalibrirajo z uporabo referenčnih materialov, običajno standardov teže. Ko je kalibracija končana, se začne poskus TGA in vzorec se segreva nadzorovano, običajno s konstantno hitrostjo. Neprekinjeno spremljanje razmerja med težo vzorca in temperaturo je ključni del poskusa. Instrumenti TGA zbirajo podatke o temperaturi, teži in drugih parametrih, kot sta pretok plina ali temperatura vzorca. Ko je poskus TGA končan, se zbrani podatki analizirajo, da se določi sprememba teže vzorca kot funkcija temperature. Te informacije so dragocene pri določanju temperaturnih območij, povezanih s fizikalnimi in kemičnimi spremembami v vzorcu, vključno s procesi, kot so taljenje, izhlapevanje, oksidacija ali razgradnja.
Vrtalna tekočina na vodni osnovi je bila skrbno formulirana v skladu s standardom API 13B-1, njena specifična sestava pa je navedena v tabeli 2 za referenco. Citronska kislina in glicerol (99 USP) sta bila kupljena pri podjetju Sigma Aldrich v Maleziji za pripravo naravnega globokega evtektičnega topila (NADES). Poleg tega je bil pri podjetju Sigma Aldrich v Maleziji kupljen tudi konvencionalni inhibitor skrilavca, kalijev klorid (KCl). 1-etil, 3-metilimidazolijev klorid ([EMIM]Cl) s čistoto več kot 98 % je bil izbran zaradi njegovega pomembnega učinka na izboljšanje reologije vrtalne tekočine in inhibicije skrilavca, kar je bilo potrjeno v prejšnjih študijah. Tako KCl kot ([EMIM]Cl) bosta uporabljena v primerjalni analizi za oceno učinkovitosti inhibicije skrilavca NADES.
Mnogi raziskovalci raje uporabljajo bentonitne kosmiče za preučevanje nabrekanja skrilavca, ker bentonit vsebuje isto skupino "montmorilonit", ki povzroča nabrekanje skrilavca. Pridobivanje pravih vzorcev jedra skrilavca je zahtevno, ker postopek jedriranja destabilizira skrilavec, kar ima za posledico vzorce, ki niso v celoti iz skrilavca, ampak običajno vsebujejo mešanico plasti peščenjaka in apnenca. Poleg tega vzorci skrilavca običajno nimajo skupin montmorilonita, ki povzročajo nabrekanje skrilavca, in zato niso primerni za poskuse zaviranja nabrekanja.
V tej študiji smo uporabili rekonstituirane delce bentonita s premerom približno 2,54 cm. Granule smo izdelali s stiskanjem 11,5 grama natrijevega bentonita v prahu v hidravlični stiskalnici pri tlaku 1600 psi. Debelino granul smo natančno izmerili, preden smo jih namestili v linearni dilatometer (LD). Delce smo nato potopili v vzorce vrtalne tekočine, vključno z osnovnimi vzorci in vzorci, v katere smo vbrizgali inhibitorje, ki se uporabljajo za preprečevanje nabrekanja skrilavca. Spremembo debeline granul smo nato skrbno spremljali z uporabo LD, meritve pa smo beležili v 60-sekundnih intervalih 24 ur.
Rentgenska difrakcija je pokazala, da je sestava bentonita, zlasti njegove 47-odstotne montmorilonitne komponente, ključni dejavnik za razumevanje njegovih geoloških značilnosti. Med montmorilonitnimi komponentami bentonita je montmorilonit glavna komponenta, ki predstavlja 88,6 % vseh komponent. Kremen predstavlja 29 %, ilit 7 % in karbonat 9 %. Majhen del (približno 3,2 %) je mešanica ilita in montmorilonita. Poleg tega vsebuje elemente v sledovih, kot so Fe2O3 (4,7 %), srebrov aluminosilikat (1,2 %), muskovit (4 %) in fosfat (2,3 %). Poleg tega so prisotne majhne količine Na2O (1,83 %) in železovega silikata (2,17 %), kar omogoča popolno razumevanje sestavnih elementov bentonita in njihovih ustreznih deležev.
Ta obsežna študija podrobno opisuje reološke in filtracijske lastnosti vzorcev vrtalne tekočine, pripravljenih z uporabo naravnega globoko evtektičnega topila (NADES) in uporabljenih kot dodatek vrtalni tekočini v različnih koncentracijah (1 %, 3 % in 5 %). Vzorce suspenzije na osnovi NADES so nato primerjali in analizirali z vzorci suspenzije, ki so jo sestavljali kalijev klorid (KCl), CC:sečnina DES (globoko evtektično topilo holin klorid:sečnina) in ionske tekočine. V tej študiji je bilo zajetih več ključnih parametrov, vključno z odčitki viskoznosti, pridobljenimi z viskozimetrom FANN pred in po izpostavitvi pogojem staranja pri 100 °C in 150 °C. Meritve so bile opravljene pri različnih hitrostih vrtenja (3 vrt/min, 6 vrt/min, 300 vrt/min in 600 vrt/min), kar je omogočilo celovito analizo obnašanja vrtalne tekočine. Pridobljene podatke je nato mogoče uporabiti za določitev ključnih lastnosti, kot sta meja tečenja (YP) in plastična viskoznost (PV), ki zagotavljajo vpogled v delovanje tekočine v različnih pogojih. Visokotlačni visokotemperaturni (HPHT) filtracijski testi pri 400 psi in 150 °C (tipične temperature v visokotemperaturnih vrtinah) določajo učinkovitost filtracije (debelino pogače in volumen filtrata).
V tem razdelku uporabljamo najsodobnejšo opremo, linearni dilatometer Grace HPHT (M4600), za temeljito oceno lastnosti zaviranja nabrekanja skrilavca naših vrtalnih tekočin na vodni osnovi. LSM je najsodobnejši stroj, sestavljen iz dveh komponent: ploščnega kompaktorja in linearnega dilatometra (model: M4600). Bentonitne plošče so bile za analizo pripravljene z uporabo Grace Core/Plate Compactor. LSM nato zagotovi takojšnje podatke o nabrekanju teh plošč, kar omogoča celovito oceno lastnosti zaviranja nabrekanja skrilavca. Preskusi raztezanja skrilavca so bili izvedeni v okoljskih pogojih, tj. pri 25 °C in 1 psia.
Preizkus stabilnosti skrilavca vključuje ključni preizkus, ki ga pogosto imenujemo preizkus izkoristka skrilavca, preizkus potapljanja skrilavca ali preizkus disperzije skrilavca. Za začetek te ocene se odrezki skrilavca ločijo na situ BSS št. 6 in nato položijo na sito št. 10. Odrezki se nato dovedejo v zadrževalni rezervoar, kjer se zmešajo z osnovno tekočino in vrtalno muljjo, ki vsebuje NADES (naravno globoko evtektično topilo). Naslednji korak je namestitev mešanice v peč za intenziven postopek vročega valjanja, pri čemer se zagotovi, da se odrezki in mulj temeljito premešajo. Po 16 urah se odrezki odstranijo iz pulpe tako, da se skrilavec razgradi, kar povzroči zmanjšanje teže odrezkov. Preizkus izkoristka skrilavca je bil izveden po tem, ko so bili odrezki skrilavca 24 ur v vrtalni mulju pri 150 °C in 1000 psi.
Za merjenje izkoristka skrilavčevega blata smo ga filtrirali skozi finejše sito (40 mesh), nato temeljito sprali z vodo in na koncu posušili v pečici. Ta mukotrpen postopek nam omogoča, da ocenimo pridobljeno blato v primerjavi s prvotno težo in na koncu izračunamo odstotek uspešno pridobljenega skrilavčevega blata. Vir vzorcev skrilavca je iz okrožja Niah, okrožje Miri, Sarawak, Malezija. Pred testi disperzije in izkoristka so bili vzorci skrilavca podvrženi temeljiti rentgenski difrakcijski (XRD) analizi, da bi količinsko opredelili njihovo sestavo gline in potrdili njihovo primernost za testiranje. Mineralna sestava gline v vzorcu je naslednja: ilit 18 %, kaolinit 31 %, klorit 22 %, vermikulit 10 % in sljuda 19 %.
Površinska napetost je ključni dejavnik, ki nadzoruje prodiranje vodnih kationov v mikropore skrilavca prek kapilarnega delovanja, kar bo podrobneje preučeno v tem razdelku. Ta članek preučuje vlogo površinske napetosti pri kohezivnih lastnostih vrtalnih tekočin in poudarja njen pomemben vpliv na proces vrtanja, zlasti na inhibicijo skrilavca. Za natančno merjenje površinske napetosti vzorcev vrtalne tekočine smo uporabili medfazni tenziometer (IFT700), kar je razkrilo pomemben vidik obnašanja tekočine v kontekstu inhibicije skrilavca.
V tem razdelku je podrobno obravnavan razmik med d-plastmi, ki je medplastna razdalja med aluminosilikatnimi plastmi in eno aluminosilikatno plastjo v glinah. Analiza je zajela vzorce mokrega blata, ki so vsebovali 1 %, 3 % in 5 % CA NADES, ter 3 % KCl, 3 % [EMIM]Cl in 3 % DES na osnovi CC:sečnine za primerjavo. Najsodobnejši namizni rentgenski difraktometer (D2 Phaser), ki deluje pri 40 mA in 45 kV s sevanjem Cu-Kα (λ = 1,54059 Å), je imel ključno vlogo pri snemanju vrhov rentgenske difrakcije tako mokrih kot suhih vzorcev Na-Bt. Uporaba Braggove enačbe omogoča natančno določitev razmika med d-plastmi in s tem zagotavlja dragocene informacije o obnašanju gline.
V tem razdelku je za natančno merjenje zeta potenciala uporabljen napredni instrument Malvern Zetasizer Nano ZSP. Ta ocena je zagotovila dragocene informacije o nabojnih značilnostih vzorcev razredčenega blata, ki vsebujejo 1 %, 3 % in 5 % CA NADES, ter 3 % KCl, 3 % [EMIM]Cl in 3 % CC:DES na osnovi sečnine za primerjalno analizo. Ti rezultati prispevajo k našemu razumevanju stabilnosti koloidnih spojin in njihovih interakcij v tekočinah.
Vzorce gline so pregledali pred in po izpostavitvi naravnemu globokemu evtektičnemu topilu (NADES) z uporabo Zeiss Supra 55 VP poljskega emisijskega vrstičnega elektronskega mikroskopa (FESEM), opremljenega z energijsko disperzivnim rentgenskim žarkom (EDX). Ločljivost slikanja je bila 500 nm, energija elektronskega žarka pa 30 kV in 50 kV. FESEM omogoča visokoločljivostno vizualizacijo površinske morfologije in strukturnih značilnosti vzorcev gline. Cilj te študije je bil pridobiti informacije o vplivu NADES na vzorce gline s primerjavo slik, pridobljenih pred in po izpostavitvi.
V tej študiji je bila za raziskovanje vpliva NADES na vzorce gline na mikroskopski ravni uporabljena tehnologija vrstične elektronske mikroskopije s poljsko emisijo (FESEM). Cilj te študije je pojasniti potencialne uporabe NADES in njegov vpliv na morfologijo gline in povprečno velikost delcev, kar bo zagotovilo dragocene informacije za raziskave na tem področju.
V tej študiji so bili stolpci napak uporabljeni za vizualni opis variabilnosti in negotovosti povprečne odstotne napake (AMPE) v različnih eksperimentalnih pogojih. Namesto da bi prikazovali posamezne vrednosti AMPE (saj lahko prikazovanje vrednosti AMPE zakrije trende in pretirano poudari majhne razlike), smo stolpce napak izračunali z uporabo pravila 5 %. Ta pristop zagotavlja, da vsak stolpec napake predstavlja interval, v katerem naj bi padli 95-odstotni interval zaupanja in 100 % vrednosti AMPE, s čimer se zagotovi jasnejši in jedrnatejši povzetek porazdelitve podatkov za vsak eksperimentalni pogoj. Uporaba stolpcev napak, ki temeljijo na pravilu 5 %, tako izboljša interpretabilnost in zanesljivost grafičnih predstavitev ter pomaga zagotoviti podrobnejše razumevanje rezultatov in njihovih posledic.
Pri sintezi naravnih globoko evtektičnih topil (NADES) smo med internim postopkom priprave skrbno preučili več ključnih parametrov. Ti kritični dejavniki vključujejo temperaturo, molsko razmerje in hitrost mešanja. Naši poskusi kažejo, da se pri mešanju HBA (citronske kisline) in HBD (glicerola) v molskem razmerju 1:4 pri 50 °C tvori evtektična zmes. Posebnost evtektične zmesi je njen prozoren, homogen videz in odsotnost usedline. Ta ključni korak tako poudarja pomen molarnega razmerja, temperature in hitrosti mešanja, med katerimi je bilo molsko razmerje najpomembnejši dejavnik pri pripravi DES in NADES, kot je prikazano na sliki 2.
Lomni količnik (n) izraža razmerje med hitrostjo svetlobe v vakuumu in hitrostjo svetlobe v drugem, gostejšem mediju. Lomni količnik je še posebej zanimiv za naravna globoka evtektična topila (NADES), ko gre za optično občutljive aplikacije, kot so biosenzorji. Lomni količnik preučevanega NADES pri 25 °C je bil 1,452, kar je zanimivo nižje kot pri glicerolu.
Omeniti velja, da se lomni količnik NADES zmanjšuje s temperaturo, ta trend pa lahko natančno opišemo s formulo (1) in sliko 3, pri čemer absolutna povprečna odstotna napaka (AMPE) doseže 0 %. To temperaturno odvisno vedenje je pojasnjeno z zmanjšanjem viskoznosti in gostote pri visokih temperaturah, zaradi česar svetloba potuje skozi medij z večjo hitrostjo, kar ima za posledico nižjo vrednost lomnega količnika (n). Ti rezultati zagotavljajo dragocen vpogled v strateško uporabo NADES v optičnem zaznavanju in poudarjajo njihov potencial za biosenzorske aplikacije.
Površinska napetost, ki odraža težnjo površine tekočine, da zmanjša svojo površino, je zelo pomembna pri ocenjevanju primernosti naravnih globokih evtektičnih topil (NADES) za aplikacije, ki temeljijo na kapilarnem tlaku. Študija površinske napetosti v temperaturnem območju od 25 do 60 °C zagotavlja dragocene informacije. Pri 25 °C je bila površinska napetost NADES na osnovi citronske kisline 55,42 mN/m, kar je bistveno manj kot pri vodi in glicerolu. Slika 4 kaže, da se površinska napetost z naraščajočo temperaturo znatno zmanjšuje. Ta pojav je mogoče pojasniti s povečanjem molekularne kinetične energije in posledičnim zmanjšanjem medmolekulskih privlačnih sil.
Linearni trend padanja površinske napetosti, opažen v preučevanem NADES-u, je mogoče dobro izraziti z enačbo (2), ki ponazarja osnovno matematično razmerje v temperaturnem območju od 25 do 60 °C. Graf na sliki 4 jasno prikazuje trend površinske napetosti s temperaturo z absolutno povprečno odstotno napako (AMPE) 1,4 %, kar kvantificira natančnost sporočenih vrednosti površinske napetosti. Ti rezultati imajo pomembne posledice za razumevanje obnašanja NADES-a in njegovih potencialnih aplikacij.
Razumevanje dinamike gostote naravnih globoko evtektičnih topil (NADES) je ključnega pomena za lažjo uporabo v številnih znanstvenih študijah. Gostota NADES na osnovi citronske kisline pri 25 °C je 1,361 g/cm3, kar je več kot gostota matičnega glicerola. To razliko je mogoče pojasniti z dodatkom akceptorja vodikove vezi (citronske kisline) glicerolu.
Če za primer vzamemo NADES na osnovi citrata, njegova gostota pri 60 °C pade na 1,19 g/cm3. Povečanje kinetične energije pri segrevanju povzroči, da se molekule NADES razpršijo, zaradi česar zasedejo večji volumen, kar povzroči zmanjšanje gostote. Opazovano zmanjšanje gostote kaže določeno linearno korelacijo z naraščanjem temperature, kar lahko pravilno izrazimo s formulo (3). Slika 5 grafično prikazuje te značilnosti spremembe gostote NADES z absolutno povprečno odstotno napako (AMPE) 1,12 %, kar zagotavlja kvantitativno mero natančnosti poročanih vrednosti gostote.
Viskoznost je privlačna sila med različnimi plastmi tekočine v gibanju in igra ključno vlogo pri razumevanju uporabnosti naravnih globokih evtektičnih topil (NADES) v različnih aplikacijah. Pri 25 °C je bila viskoznost NADES 951 cP, kar je več kot pri glicerolu.
Opaženo zmanjšanje viskoznosti z naraščajočo temperaturo je v glavnem mogoče pojasniti z oslabitvijo medmolekularnih privlačnih sil. Ta pojav povzroči zmanjšanje viskoznosti tekočine, kar je jasno prikazano na sliki 6 in kvantificirano z enačbo (4). Pri 60 °C viskoznost pade na 898 cP s skupno povprečno odstotno napako (AMPE) 1,4 %. Podrobno razumevanje odvisnosti viskoznosti od temperature v NADES je zelo pomembno za njegovo praktično uporabo.
pH raztopine, ki ga določa negativni logaritem koncentracije vodikovih ionov, je ključnega pomena, zlasti pri aplikacijah, občutljivih na pH, kot je sinteza DNK, zato je treba pH NADES pred uporabo skrbno preučiti. Če za primer vzamemo NADES na osnovi citronske kisline, lahko opazimo izrazito kisli pH 1,91, kar je v ostrem nasprotju z relativno nevtralnim pH glicerola.
Zanimivo je, da je pH naravnega topila, topnega v citronski kislini dehidrogenazi (NADES), z naraščajočo temperaturo kazal nelinearen trend zniževanja. Ta pojav pripisujemo povečanim molekularnim vibracijam, ki porušijo ravnovesje H+ v raztopini, kar vodi do nastanka ionov [H]+ in posledično do spremembe vrednosti pH. Medtem ko se naravni pH citronske kisline giblje od 3 do 5, prisotnost kislega vodika v glicerolu dodatno zniža pH na 1,91.
Obnašanje pH vrednosti NADES na osnovi citrata v temperaturnem območju 25–60 °C lahko ustrezno predstavimo z enačbo (5), ki zagotavlja matematični izraz za opaženi trend pH. Slika 7 grafično prikazuje to zanimivo razmerje in poudarja vpliv temperature na pH NADES, ki naj bi za AMPE znašal 1,4 %.
Termogravimetrična analiza (TGA) naravnega globoko evtektičnega topila citronske kisline (NADES) je bila sistematično izvedena v temperaturnem območju od sobne temperature do 500 °C. Kot je razvidno iz slik 8a in b, je bila začetna izguba mase do 100 °C predvsem posledica absorbirane vode in hidratacijske vode, povezane s citronsko kislino in čistim glicerolom. Do 180 °C je bila opažena znatna ohranitev mase, približno 88 %, kar je bilo predvsem posledica razgradnje citronske kisline v akonitno kislino in posledične tvorbe metilmaleinskega anhidrida(III) pri nadaljnjem segrevanju (slika 8b). Nad 180 °C je bilo mogoče opaziti tudi jasen pojav akroleina (akrilaldehida) v glicerolu, kot je prikazano na sliki 8b37.
Termogravimetrična analiza (TGA) glicerola je pokazala dvostopenjski proces izgube mase. Začetna faza (180 do 220 °C) vključuje tvorbo akroleina, ki ji sledi znatna izguba mase pri visokih temperaturah od 230 do 300 °C (slika 8a). Z naraščanjem temperature se zaporedno tvorijo acetaldehid, ogljikov dioksid, metan in vodik. Omeniti velja, da se je pri 300 °C ohranilo le 28 % mase, kar kaže na to, da so lahko intrinzične lastnosti NADES 8(a)38,39 okvarjene.
Za pridobitev informacij o nastanku novih kemijskih vezi smo sveže pripravljene suspenzije naravnih globokih evtektičnih topil (NADES) analizirali s Fourierjevo transformacijsko infrardečo spektroskopijo (FTIR). Analiza je bila izvedena s primerjavo spektra suspenzije NADES s spektri čiste citronske kisline (CA) in glicerola (Gly). Spekter CA je pokazal jasne vrhove pri 1752 1/cm in 1673 1/cm, ki predstavljata raztezne vibracije vezi C=O in sta značilni tudi za CA. Poleg tega je bil v območju prstnega odtisa opažen pomemben premik upogibnih vibracij OH pri 1360 1/cm, kot je prikazano na sliki 9.
Podobno so bili v primeru glicerola ugotovljeni premiki razteznih in upogibnih vibracij OH pri valovnih številih 3291 1/cm oziroma 1414 1/cm. Z analizo spektra pripravljenega NADES smo ugotovili pomemben premik v spektru. Kot je prikazano na sliki 7, se je raztezna vibracija vezi C=O premaknila s 1752 1/cm na 1720 1/cm, upogibna vibracija vezi -OH glicerola pa s 1414 1/cm na 1359 1/cm. Ti premiki valovnih števil kažejo na spremembo elektronegativnosti, kar kaže na nastanek novih kemičnih vezi v strukturi NADES.