Ви благодариме што ја посетивте страницата nature.com. Верзијата на прелистувачот што ја користите има ограничена поддршка за CSS. За најдобро искуство, препорачуваме да ја користите најновата верзија на прелистувачот (или да го исклучите режимот на компатибилност во Internet Explorer). Дополнително, за да се обезбеди континуирана поддршка, оваа страница нема да вклучува стилови или JavaScript.
Експанзијата на шкрилци во кластичните резервоари создава значителни проблеми, што доведува до нестабилност на бунарите. Од еколошки причини, употребата на течност за дупчење на база на вода со додадени инхибитори на шкрилци е попосакувана во однос на течноста за дупчење на база на нафта. Јонските течности (IL) привлекоа големо внимание како инхибитори на шкрилци поради нивните подесливи својства и силни електростатски карактеристики. Сепак, јонските течности (IL) на база на имидазолил, широко користени во течностите за дупчење, се покажаа како токсични, небиоразградливи и скапи. Длабоките евтектички растворувачи (DES) се сметаат за поекономична и помалку токсична алтернатива на јонските течности, но тие сè уште не ја исполнуваат потребната еколошка одржливост. Неодамнешните достигнувања во оваа област доведоа до воведување на природни длабоки евтектички растворувачи (NADES), познати по нивната вистинска еколошка прифатливост. Оваа студија ги испитуваше NADES, кои содржат лимонска киселина (како акцептор на водородна врска) и глицерол (како донатор на водородна врска) како адитиви на течноста за дупчење. Течностите за дупчење базирани на NADES беа развиени во согласност со API 13B-1 и нивните перформанси беа споредени со течности за дупчење базирани на калиум хлорид, јонски течности базирани на имидазолиум и течности за дупчење базирани на холин хлорид:уреа-DES. Физичко-хемиските својства на патентираниот NADES се опишани детално. Реолошките својства, загубата на течности и својствата на инхибиција на шкрилци на течноста за дупчење беа оценети за време на студијата, и беше покажано дека при концентрација од 3% NADES, односот на напон на истегнување/пластична вискозност (YP/PV) беше зголемен, дебелината на калливата погача беше намалена за 26%, а волуменот на филтратот беше намален за 30,1%. Имено, NADES постигна импресивна стапка на инхибиција на експанзија од 49,14% и го зголеми производството на шкрилци за 86,36%. Овие резултати се припишуваат на способноста на NADES да ја модифицира површинската активност, зета потенцијалот и меѓуслојното растојание на глините, кои се дискутирани во овој труд за да се разберат основните механизми. Се очекува оваа одржлива течност за дупчење да ја револуционизира индустријата за дупчење, обезбедувајќи нетоксична, економична и многу ефикасна алтернатива на традиционалните инхибитори на корозија од шкрилци, отворајќи го патот за еколошки практики на дупчење.
Шкрилецот е разноврсна карпа која служи и како извор и како резервоар на јаглеводороди, а неговата порозна структура1 обезбедува потенцијал и за производство и за складирање на овие вредни ресурси. Сепак, шкрилецот е богат со глинени минерали како што се монтморилонит, смектит, каолинит и илит, што го прави склонен кон отекување кога е изложен на вода, што доведува до нестабилност на бунарот за време на операциите на дупчење2,3. Овие проблеми можат да доведат до непродуктивно време (NPT) и мноштво оперативни проблеми, вклучувајќи заглавени цевки, изгубена циркулација на кал, колапс на бунарот и замачкување на дупчето, зголемувајќи го времето и трошоците за закрепнување. Традиционално, течностите за дупчење на база на нафта (OBDF) се претпочитан избор за формации на шкрилци поради нивната способност да се спротивстават на експанзијата на шкрилци4. Сепак, употребата на течности за дупчење на база на нафта повлекува повисоки трошоци и еколошки ризици. Течностите за дупчење на база на синтетички материјали (SBDF) се разгледуваат како алтернатива, но нивната соодветност на високи температури е незадоволителна. Течностите за дупчење на база на вода (WBDF) се привлечно решение бидејќи се побезбедни, поеколошки и поекономични од OBDF5. Различни инхибитори на шкрилци се користат за подобрување на способноста на WBDF за инхибиција на шкрилци, вклучувајќи традиционални инхибитори како што се калиум хлорид, вар, силикат и полимер. Сепак, овие инхибитори имаат ограничувања во однос на ефикасноста и влијанието врз животната средина, особено поради високата концентрација на K+ во инхибиторите на калиум хлорид и pH чувствителноста на силикатите.6 Истражувачите ја истражувале можноста за користење на јонски течности како адитиви на течности за дупчење за да се подобри реологијата на течноста за дупчење и да се спречи отекување на шкрилците и формирање на хидрати. Сепак, овие јонски течности, особено оние што содржат имидазолил катјони, се генерално токсични, скапи, небиоразградливи и бараат сложени процеси на подготовка. За да се решат овие проблеми, луѓето почнаа да бараат поекономична и еколошки поприфатлива алтернатива, што доведе до појава на длабоки евтектички растворувачи (DES). DES е евтектична мешавина формирана од донатор на водородна врска (HBD) и акцептор на водородна врска (HBA) при специфичен моларен однос и температура. Овие евтектички смеси имаат пониски точки на топење од нивните индивидуални компоненти, првенствено поради делокализација на полнеж предизвикана од водородни врски. Многу фактори, вклучувајќи ја енергијата на решетката, промената на ентропијата и интеракциите помеѓу анјоните и HBD, играат клучна улога во намалувањето на точката на топење на DES.
Во претходни студии, разни адитиви беа додадени во течноста за дупчење на база на вода за да се реши проблемот со ширењето на шкрилците. На пример, Офеи и сор. додадоа 1-бутил-3-метилимидазолиум хлорид (BMIM-Cl), што значително ја намали дебелината на калливата погача (до 50%) и ја намали вредноста на YP/PV за 11 на различни температури. Хуанг и сор. користеа јонски течности (поточно, 1-хексил-3-метилимидазолиум бромид и 1,2-бис(3-хексилимидазол-1-ил)етан бромид) во комбинација со Na-Bt честички и значително го намалија отекувањето на шкрилците за 86,43% и 94,17%, соодветно12. Покрај тоа, Јанг и сор. користеа 1-винил-3-додецилимидазолиум бромид и 1-винил-3-тетрадецилимидазолиум бромид за да го намалат отекувањето на шкрилците за 16,91% и 5,81%, соодветно. 13 Јанг и сор. исто така користеле 1-винил-3-етилимидазолиум бромид и го намалиле ширењето на шкрилците за 31,62%, додека го одржувале обновувањето на шкрилците на 40,60%.14 Дополнително, Луо и сор. користеле 1-октил-3-метилимидазолиум тетрафлуороборат за да го намалат отокот на шкрилците за 80%.15, 16 Даи и сор. користеле јонски течни кополимери за да го инхибираат шкрилецот и постигнале зголемување од 18% во линеарното обновување во споредба со аминските инхибитори.17
Самите јонски течности имаат некои недостатоци, што ги натера научниците да бараат поеколошки алтернативи на јонските течности, и така се роди DES. Ханџија беше првиот што користеше длабоки евтектички растворувачи (DES) кои се состојат од винил хлорид пропионска киселина (1:1), винил хлорид 3-фенилпропионска киселина (1:2) и 3-меркаптопропионска киселина + итаконска киселина + винил хлорид (1:1:2), што го инхибираше отекувањето на бентонитот за 68%, 58% и 58%, соодветно18. Во слободен експеримент, MH Rasul користеше сооднос 2:1 на глицерол и калиум карбонат (DES) и значително го намали отекувањето на примероците од шкрилци за 87%19,20. Ma користеше уреа:винил хлорид за значително да го намали ширењето на шкрилците за 67%.21 Rasul et al. Комбинацијата на DES и полимер беше користена како инхибитор на шкрилци со двојно дејство, со што се постигна одличен ефект на инхибиција на шкрилци22.
Иако длабоките евтектички растворувачи (DES) генерално се сметаат за позелена алтернатива на јонските течности, тие исто така содржат потенцијално токсични компоненти како што се амониумови соли, што ја прави нивната еколошка прифатливост под знак прашалник. Овој проблем доведе до развој на природни длабоки евтектички растворувачи (NADES). Тие сè уште се класифицирани како DES, но се составени од природни супстанции и соли, вклучувајќи калиум хлорид (KCl), калциум хлорид (CaCl2), Епсом соли (MgSO4.7H2O) и други. Бројните потенцијални комбинации на DES и NADES отвораат широк опсег за истражување во оваа област и се очекува да најдат примена во различни области. Неколку истражувачи успешно развија нови комбинации на DES кои се покажаа како ефикасни во различни апликации. На пример, Насер и сор. 2013 синтетизираа DES базиран на калиум карбонат и ги проучуваа неговите термофизички својства, кои последователно најдоа примена во областите на инхибиција на хидрати, адитиви за течности за дупчење, делигнификација и нанофибрилација. 23 Џорди Ким и неговите соработници развија NADES базиран на аскорбинска киселина и ги оценија неговите антиоксидантни својства во различни апликации. 24 Кристер и сор. развија NADES базиран на лимонска киселина и го идентификуваа неговиот потенцијал како ексципиент за колагенски производи. 25 Лиу Ји и соработниците ги сумираа примените на NADES како медиуми за екстракција и хроматографија во сеопфатен преглед, додека Мисан и сор. дискутираа за успешните примени на NADES во земјоделско-прехранбениот сектор. Императив е истражувачите на течности за дупчење да почнат да обрнуваат внимание на ефикасноста на NADES во нивните неодамнешни примени. Во 2023 година, Расул и сор. користеа различни комбинации на природни длабоки евтектички растворувачи базирани на аскорбинска киселина26, калциум хлорид27, калиум хлорид28 и Епсом сол29 и постигнаа импресивна инхибиција на шкрилци и обновување на шкрилци. Оваа студија е една од првите студии што го воведува NADES (особено формулацијата базирана на лимонска киселина и глицерол) како еколошки и ефикасен инхибитор на шкрилци во течности за дупчење на база на вода, која се одликува со одлична еколошка стабилност, подобрена способност за инхибиција на шкрилци и подобрени перформанси на течности во споредба со традиционалните инхибитори како што се KCl, јонски течности базирани на имидазолил и традиционални DES.
Студијата ќе вклучува внатрешна подготовка на NADES базиран на лимонска киселина (CA), проследена со детална физичко-хемиска карактеризација и негова употреба како додаток на течноста за дупчење за да се проценат својствата на течноста за дупчење и нејзината способност за инхибиција на отекување. Во оваа студија, CA ќе дејствува како акцептор на водородна врска, додека глицеролот (Gly) ќе дејствува како донатор на водородна врска избран врз основа на критериумите за скрининг на MH за формирање/селекција на NADES во студиите за инхибиција на шкрилци30. Мерењата на инфрацрвената спектроскопија со Фуриеова трансформација (FTIR), дифракцијата на Х-зраци (XRD) и зета потенцијалот (ZP) ќе ги разјаснат интеракциите NADES-глина и механизмот што лежи во основата на инхибицијата на отекување на глина. Дополнително, оваа студија ќе ја спореди течноста за дупчење базирана на CA NADES со DES32 базирана на 1-етил-3-метилимидазолиум хлорид [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl и холин хлорид:уреа (1:2) за да се испита нивната ефикасност во инхибицијата на шкрилците и подобрувањето на перформансите на течноста за дупчење.
Лимонска киселина (монохидрат), глицерол (99 USP) и уреа беа купени од EvaChem, Куала Лумпур, Малезија. Холин хлорид (>98%), [EMIM]Cl 98% и калиум хлорид беа купени од Sigma Aldrich, Малезија. Хемиските структури на сите хемикалии се прикажани на Слика 1. Зелениот дијаграм ги споредува главните хемикалии што се користат во оваа студија: имидазолил јонска течност, холин хлорид (DES), лимонска киселина, глицерол, калиум хлорид и NADES (лимонска киселина и глицерол). Табелата за еколошка прифатливост на хемикалиите што се користат во оваа студија е претставена во Табела 1. Во табелата, секоја хемикалија е оценета врз основа на токсичност, биоразградливост, цена и еколошка одржливост.
Хемиски структури на материјалите што се користат во оваа студија: (а) лимонска киселина, (б) [EMIM]Cl, (в) холин хлорид и (г) глицерол.
Кандидатите за донатори на водородни врски (HBD) и акцептори на водородни врски (HBA) за развој на NADES базирани на CA (природен длабок евтектички растворувач) беа внимателно избрани според критериумите за селекција MH 30, кои се наменети за развој на NADES како ефикасни инхибитори на шкрилци. Според овој критериум, компонентите со голем број донатори и акцептори на водородни врски, како и поларни функционални групи, се сметаат за соодветни за развој на NADES.
Дополнително, јонската течност [EMIM]Cl и длабокиот евтектички растворувач на холин хлорид:уреа (DES) беа избрани за споредба во оваа студија бидејќи тие се широко користени како адитиви за течности за дупчење33,34,35,36. Дополнително, калиум хлоридот (KCl) беше спореден бидејќи е чест инхибитор.
Лимонска киселина и глицерол беа измешани во различни моларни соодноси за да се добијат евтектички смеси. Визуелната инспекција покажа дека евтектичката смеса е хомогена, транспарентна течност без заматеност, што укажува дека донорот на водородна врска (HBD) и акцепторот на водородна врска (HBA) беа успешно измешани во овој евтектички состав. Беа спроведени прелиминарни експерименти за да се набљудува однесувањето на процесот на мешање на HBD и HBA зависно од температурата. Според достапната литература, пропорцијата на евтектичките смеси беше оценета на три специфични температури над 50 °C, 70 °C и 100 °C, што укажува дека евтектичката температура е обично во опсег од 50–80 °C. Дигитална вага Mettler беше користена за прецизно мерење на компонентите HBD и HBA, а топла плоча Thermo Fisher беше користена за загревање и мешање на HBD и HBA на 100 вртежи во минута под контролирани услови.
Термофизичките својства на нашиот синтетизиран длабок евтектички растворувач (DES), вклучувајќи густина, површински напон, индекс на прекршување и вискозитет, беа прецизно измерени во температурен опсег од 289,15 до 333,15 K. Треба да се напомене дека овој температурен опсег е избран првенствено поради ограничувањата на постојната опрема. Сеопфатната анализа вклучуваше длабинска студија на различни термофизички својства на оваа формулација на NADES, откривајќи го нивното однесување во опсег на температури. Фокусирањето на овој специфичен температурен опсег дава увид во својствата на NADES кои се од особено значење за голем број апликации.
Површинскиот напон на подготвениот NADES беше измерен во опсег од 289,15 до 333,15 K со помош на мерач на меѓуфазен напон (IFT700). Капките NADES се формираат во комора исполнета со голем волумен на течност со помош на капиларна игла под специфични услови на температура и притисок. Современите системи за снимање воведуваат соодветни геометриски параметри за да го пресметаат меѓуфазниот напон со помош на Лапласовата равенка.
За да се одреди индексот на прекршување на свежо подготвени NADES во температурен опсег од 289,15 до 333,15 K, беше користен рефрактометар ATAGO. Инструментот користи термички модул за регулирање на температурата за да се процени степенот на прекршување на светлината, елиминирајќи ја потребата од водена бања со константна температура. Површината на призмата на рефрактометарот треба да се исчисти и растворот од примерокот треба да биде рамномерно распределен врз неа. Калибрирајте со познат стандарден раствор, а потоа прочитајте го индексот на прекршување од екранот.
Вискозитетот на подготвениот NADES беше измерен во температурен опсег од 289,15 до 333,15 K со помош на ротациски вискометар Brookfield (криоген тип) со брзина на смолкнување од 30 вртежи во минута и големина на вретеното од 6. Вискометарот го мери вискозитетот со одредување на вртежниот момент потребен за ротирање на вретеното со константна брзина во течен примерок. Откако примерокот ќе се постави на екранот под вретеното и ќе се затегне, вискометарот ја прикажува вискозноста во центипоази (cP), обезбедувајќи вредни информации за реолошките својства на течноста.
За одредување на густината на свежо подготвениот природен длабок евтектички растворувач (NDEES) во температурен опсег од 289,15–333,15 K беше користен преносен мерач на густина DMA 35 Basic. Бидејќи уредот нема вграден грејач, тој мора да се загрее претходно на одредената температура (± 2 °C) пред да се користи мерачот на густина NADES. Извлечете најмалку 2 ml примерок низ цевката, а густината веднаш ќе се прикаже на екранот. Вреди да се напомене дека поради недостаток на вграден грејач, резултатите од мерењето имаат грешка од ± 2 °C.
За да ја процениме pH вредноста на свежо подготвениот NADES во температурен опсег од 289,15–333,15 K, користевме pH метар Kenis на работна површина. Бидејќи нема вграден уред за греење, NADES прво беше загреан до саканата температура (±2 °C) со помош на рингла, а потоа измерен директно со pH метар. Целосно потопете ја сондата на pH метарот во NADES и запишете ја конечната вредност откако отчитувањето ќе се стабилизира.
Термогравиметриската анализа (TGA) беше употребена за да се процени термичката стабилност на природните длабоки евтектички растворувачи (NADES). Примероците беа анализирани за време на загревањето. Користејќи високопрецизна вага и внимателно следење на процесот на загревање, беше генериран графикон на загубата на маса во однос на температурата. NADES беше загреван од 0 до 500 °C со брзина од 1 °C во минута.
За да се започне процесот, примерокот NADES мора темелно да се измеша, хомогенизира и да се отстрани површинската влага. Подготвениот примерок потоа се става во TGA кивета, која обично е направена од инертен материјал како што е алуминиум. За да се обезбедат точни резултати, TGA инструментите се калибрираат со употреба на референтни материјали, обично стандарди за тежина. Откако ќе се калибрира, започнува TGA експериментот и примерокот се загрева на контролиран начин, обично со константна брзина. Континуираното следење на врската помеѓу тежината на примерокот и температурата е клучен дел од експериментот. TGA инструментите собираат податоци за температурата, тежината и други параметри како што се протокот на гас или температурата на примерокот. Откако ќе заврши TGA експериментот, собраните податоци се анализираат за да се утврди промената во тежината на примерокот како функција на температурата. Овие информации се вредни за одредување на температурните опсези поврзани со физичките и хемиските промени во примерокот, вклучувајќи процеси како што се топење, испарување, оксидација или распаѓање.
Течноста за дупчење на база на вода е внимателно формулирана според стандардот API 13B-1, а нејзиниот специфичен состав е наведен во Табела 2 за референца. Лимонска киселина и глицерол (99 USP) се купени од Sigma Aldrich, Малезија за да се подготви природниот длабок евтектички растворувач (NADES). Покрај тоа, конвенционалниот инхибитор на шкрилци, калиум хлорид (KCl), е исто така купен од Sigma Aldrich, Малезија. 1-етил, 3-метилимидазолиум хлорид ([EMIM]Cl) со чистота од повеќе од 98% е избран поради неговиот значаен ефект во подобрувањето на реологијата на течноста за дупчење и инхибицијата на шкрилци, што е потврдено во претходни студии. И KCl и ([EMIM]Cl) ќе се користат во компаративната анализа за да се оцени ефикасноста на инхибиција на шкрилци на NADES.
Многу истражувачи претпочитаат да користат бентонитски снегулки за да го проучат отекувањето на шкрилците, бидејќи бентонитот ја содржи истата група „монтморилонит“ што предизвикува отекување на шкрилците. Добивањето вистински примероци од јадро на шкрилците е предизвик бидејќи процесот на вадење на јадрото го дестабилизира шкрилците, што резултира со примероци кои не се целосно шкрилци, туку обично содржат мешавина од слоеви од песочник и варовник. Покрај тоа, примероците од шкрилци обично немаат монтморилонит групи кои предизвикуваат отекување на шкрилците и затоа се несоодветни за експерименти за инхибиција на отекување.
Во оваа студија, користевме реконституирани честички од бентонит со дијаметар од приближно 2,54 см. Гранулите беа направени со притискање на 11,5 грама прав од натриум бентонит во хидраулична преса под 1600 psi. Дебелината на гранулите беше прецизно измерена пред да се стават во линеарен дилатометар (LD). Честичките потоа беа потопени во примероци од течност за дупчење, вклучувајќи основни примероци и примероци инјектирани со инхибитори што се користат за да се спречи отекување на шкрилци. Промената во дебелината на гранулите потоа беше внимателно следена со помош на LD, со мерења снимени во интервали од 60 секунди во тек на 24 часа.
Рентгенската дифракција покажа дека составот на бентонитот, особено неговата 47% монтморилонитска компонента, е клучен фактор во разбирањето на неговите геолошки карактеристики. Меѓу монтморилонитските компоненти на бентонитот, монтморилонит е главната компонента, со 88,6% од вкупните компоненти. Во меѓувреме, кварцот учествува со 29%, илитот со 7% и карбонатот со 9%. Мал дел (околу 3,2%) е мешавина од илит и монтморилонит. Покрај тоа, содржи елементи во трагови како што се Fe2O3 (4,7%), сребрен алуминосиликат (1,2%), мусковит (4%) и фосфат (2,3%). Покрај тоа, присутни се мали количини на Na2O (1,83%) и железен силикат (2,17%), што овозможува целосно да се ценат составните елементи на бентонитот и нивните соодветни пропорции.
Овој сеопфатен дел од студијата ги детализира реолошките и филтрациските својства на примероците од течност за дупчење подготвени со употреба на природен длабок евтектички растворувач (NADES) и користени како додаток на течност за дупчење во различни концентрации (1%, 3% и 5%). Потоа, примероците од кашеста маса базирани на NADES беа споредени и анализирани со примероци од кашеста маса што се состоеја од калиум хлорид (KCl), CC:уреа DES (холин хлорид длабок евтектички растворувач:уреа) и јонски течности. Во оваа студија беа опфатени голем број клучни параметри, вклучувајќи ги и отчитувањата на вискозитетот добиени со употреба на FANN вискометар пред и по изложувањето на услови на стареење на 100°C и 150°C. Мерењата беа земени при различни брзини на ротација (3 вртежи во минута, 6 вртежи во минута, 300 вртежи во минута и 600 вртежи во минута), овозможувајќи сеопфатна анализа на однесувањето на течноста за дупчење. Добиените податоци потоа може да се користат за да се утврдат клучните својства како што се точката на попуштање (YP) и пластичната вискозност (PV), кои даваат увид во перформансите на течноста под различни услови. Тестовите за филтрација под висок притисок и висока температура (HPHT) на 400 psi и 150°C (типични температури во бунари со висока температура) ги одредуваат перформансите на филтрација (дебелина на колачот и волумен на филтратот).
Овој дел користи најсовремена опрема, Grace HPHT линеарен дилатометар (M4600), за темелна евалуација на својствата на инхибиција на отекување на шкрилците кај нашите течности за дупчење на база на вода. LSM е најсовремена машина која се состои од две компоненти: плочест компактор и линеарен дилатометар (модел: M4600). Бентонитните плочи беа подготвени за анализа со помош на Grace Core/Plate Compactor. LSM потоа обезбедува непосредни податоци за отекување на овие плочи, овозможувајќи сеопфатна евалуација на својствата на инхибиција на отекување на шкрилците. Тестовите за експанзија на шкрилци беа спроведени под амбиентални услови, т.е. 25°C и 1 psia.
Тестирањето на стабилноста на шкрилците вклучува клучен тест, честопати наречен тест за обновување на шкрилците, тест за натопување на шкрилците или тест за дисперзија на шкрилците. За да се започне со оваа евалуација, шкрилците се одделуваат на сито #6 BSS, а потоа се ставаат на сито #10. Потоа шкрилците се внесуваат во резервоар за складирање каде што се мешаат со основна течност и кал за дупчење што содржи NADES (природен длабок евтектички растворувач). Следниот чекор е смесата да се стави во рерна за интензивен процес на топло валање, осигурувајќи се дека шкрилците и калта се темелно измешани. По 16 часа, шкрилците се отстрануваат од пулпата со тоа што се дозволува шкрилците да се распаднат, што резултира со намалување на тежината на шкрилците. Тестот за обновување на шкрилците е спроведен откако шкрилците биле држени во кал за дупчење на 150°C и 1000 psi. инчи во рок од 24 часа.
За да го измериме обновувањето на калта од шкрилци, ја филтриравме низ пофино сито (40 mesh), потоа темелно ја измивме со вода и конечно ја исушивме во печка. Оваа макотрпна постапка ни овозможува да ја процениме обновената кал во споредба со оригиналната тежина, на крајот пресметувајќи го процентот на успешно обновена кал од шкрилци. Изворот на примероците од шкрилци е од округот Нија, округот Мири, Саравак, Малезија. Пред тестовите за дисперзија и обновување, примероците од шкрилци беа подложени на темелна анализа на дифракција на Х-зраци (XRD) за да се квантифицира нивниот состав на глина и да се потврди нивната соодветност за тестирање. Составот на глинените минерали во примерокот е како што следува: илит 18%, каолинит 31%, хлорит 22%, вермикулит 10% и мика 19%.
Површинскиот напон е клучен фактор што ја контролира пенетрацијата на водените катјони во микропорите на шкрилците преку капиларно дејство, што ќе биде детално проучено во овој дел. Овој труд ја испитува улогата на површинскиот напон во кохезивното својство на течностите за дупчење, истакнувајќи го неговото важно влијание врз процесот на дупчење, особено инхибицијата на шкрилците. Користевме меѓуфазен тензиометар (IFT700) за прецизно мерење на површинскиот напон на примероците од течноста за дупчење, откривајќи важен аспект на однесувањето на течноста во контекст на инхибицијата на шкрилците.
Овој дел детално го разгледува растојанието помеѓу d-слоевите, што е меѓуслојното растојание помеѓу алумосиликатните слоеви и еден алумосиликатен слој кај глините. Анализата опфати примероци од влажна кал што содржат 1%, 3% и 5% CA NADES, како и 3% KCl, 3% [EMIM]Cl и 3% DES базиран на CC:уреа за споредба. Најсовремен рендгенски дифрактометар (D2 Phaser) кој работи на 40 mA и 45 kV со Cu-Kα зрачење (λ = 1,54059 Å) одигра клучна улога во снимањето на врвовите на рендгенската дифракција и на влажните и на сувите примероци од Na-Bt. Примената на Бреговата равенка овозможува прецизно одредување на растојанието помеѓу d-слоевите, со што се обезбедуваат вредни информации за однесувањето на глината.
Овој дел го користи напредниот инструмент Malvern Zetasizer Nano ZSP за прецизно мерење на зета потенцијалот. Оваа евалуација обезбеди вредни информации за карактеристиките на полнежот на разредените примероци од кал што содржат 1%, 3% и 5% CA NADES, како и 3% KCl, 3% [EMIM]Cl и 3% DES базиран на CC:уреа за компаративна анализа. Овие резултати придонесуваат за нашето разбирање на стабилноста на колоидните соединенија и нивните интеракции во течностите.
Глинените примероци беа испитани пред и по изложувањето на природен длабок евтектички растворувач (NADES) со помош на електронски микроскоп за скенирање со полева емисија Zeiss Supra 55 VP (FESEM) опремен со енергетски дисперзивен Х-зрак (EDX). Резолуцијата на сликата беше 500 nm, а енергијата на електронскиот зрак беше 30 kV и 50 kV. FESEM овозможува визуелизација со висока резолуција на површинската морфологија и структурните карактеристики на глинените примероци. Целта на ова истражување беше да се добијат информации за ефектот на NADES врз глинените примероци со споредување на сликите добиени пред и по изложувањето.
Во оваа студија, технологијата на полево-емисиона скенирачка електронска микроскопија (FESEM) беше употребена за да се испита ефектот на NADES врз примероците од глина на микроскопско ниво. Целта на оваа студија е да се разјаснат потенцијалните примени на NADES и неговиот ефект врз морфологијата на глината и просечната големина на честичките, што ќе обезбеди вредни информации за истражување во оваа област.
Во оваа студија, лентите за грешка беа користени за визуелно опишување на варијабилноста и неизвесноста на средниот процент на грешка (AMPE) низ експерименталните услови. Наместо да ги прикажуваме поединечните AMPE вредности (бидејќи прикажувањето на AMPE вредностите може да ги прикрие трендовите и да ги преувеличи малите варијации), ги пресметуваме лентите за грешка користејќи го правилото од 5%. Овој пристап гарантира дека секоја лента за грешка го претставува интервалот во кој се очекува да паднат интервалот на доверба од 95% и 100% од AMPE вредностите, со што се обезбедува појасен и поконцизен преглед на распределбата на податоците за секоја експериментална состојба. Користењето ленти за грешка врз основа на правилото од 5% ја подобрува интерпретабилноста и веродостојноста на графичките претстави и помага да се обезбеди подетално разбирање на резултатите и нивните импликации.
При синтезата на природни длабоки евтектички растворувачи (NADES), неколку клучни параметри беа внимателно проучени за време на внатрешниот процес на подготовка. Овие критични фактори вклучуваат температура, моларен однос и брзина на мешање. Нашите експерименти покажуваат дека кога HBA (лимонска киселина) и HBD (глицерол) се мешаат во моларен однос од 1:4 на 50°C, се формира евтектична смеса. Карактеристичната карактеристика на евтектичната смеса е нејзиниот транспарентен, хомоген изглед и отсуството на талог. Така, овој клучен чекор ја истакнува важноста на моларниот однос, температурата и брзината на мешање, меѓу кои моларниот однос беше највлијателниот фактор во подготовката на DES и NADES, како што е прикажано на Слика 2.
Индексот на прекршување (n) го изразува односот на брзината на светлината во вакуум кон брзината на светлината во втора, погуста средина. Индексот на прекршување е од особен интерес за природните длабоки евтектички растворувачи (NADES) кога се разгледуваат оптички чувствителни апликации како што се биосензорите. Индексот на прекршување на проучуваните NADES на 25 °C беше 1,452, што е интересно пониско од она на глицеролот.
Вреди да се напомене дека индексот на прекршување на NADES се намалува со температурата, а овој тренд може точно да се опише со формулата (1) и Слика 3, при што апсолутната средна процентна грешка (AMPE) достигнува 0%. Ова однесување зависно од температурата се објаснува со намалувањето на вискозитетот и густината на високи температури, предизвикувајќи светлината да патува низ медиумот со поголема брзина, што резултира со помала вредност на индексот на прекршување (n). Овие резултати даваат вредни сознанија за стратешката употреба на NADES во оптичкото мерење, истакнувајќи го нивниот потенцијал за биосензорски апликации.
Површинскиот напон, кој ја одразува тенденцијата на површината на течноста да ја минимизира својата површина, е од големо значење при проценка на соодветноста на природните длабоки евтектички растворувачи (NADES) за апликации базирани на капиларен притисок. Студијата за површинскиот напон во температурниот опсег од 25–60 °C дава вредни информации. На 25 °C, површинскиот напон на NADES базиран на лимонска киселина бил 55,42 mN/m, што е значително пониско од она на водата и глицеролот. Слика 4 покажува дека површинскиот напон значително се намалува со зголемување на температурата. Овој феномен може да се објасни со зголемување на молекуларната кинетичка енергија и последователно намалување на меѓумолекуларните привлечни сили.
Линеарниот тренд на намалување на површинскиот напон забележан во проучуваниот NADES може добро да се изрази со равенката (2), која ја илустрира основната математичка врска во температурниот опсег од 25–60 °C. Графиконот на Слика 4 јасно го прикажува трендот на површинскиот напон со температурата со апсолутна средна процентна грешка (AMPE) од 1,4%, што ја квантифицира точноста на пријавените вредности на површинскиот напон. Овие резултати имаат важни импликации за разбирање на однесувањето на NADES и неговите потенцијални примени.
Разбирањето на динамиката на густината на природните длабоки евтектички растворувачи (NADES) е клучно за олеснување на нивната примена во бројни научни студии. Густината на NADES базирани на лимонска киселина на 25°C е 1,361 g/cm3, што е поголема од густината на основниот глицерол. Оваа разлика може да се објасни со додавање на акцептор на водородна врска (лимонска киселина) во глицеролот.
Земајќи го NADES-от базиран на цитрат како пример, неговата густина паѓа на 1,19 g/cm3 на 60°C. Зголемувањето на кинетичката енергија при загревање предизвикува дисперзија на молекулите на NADES, предизвикувајќи тие да зафаќаат поголем волумен, што резултира со намалување на густината. Набљудуваното намалување на густината покажува одредена линеарна корелација со зголемувањето на температурата, што може правилно да се изрази со формулата (3). Слика 5 графички ги прикажува овие карактеристики на промената на густината на NADES со апсолутна средна процентна грешка (AMPE) од 1,12%, што обезбедува квантитативна мерка за точноста на пријавените вредности на густината.
Вискозитетот е привлечна сила помеѓу различните слоеви на течност во движење и игра клучна улога во разбирањето на применливоста на природните длабоки евтектички растворувачи (NADES) во различни апликации. На 25 °C, вискозитетот на NADES беше 951 cP, што е повисоко од оној на глицеролот.
Набљудуваното намалување на вискозитетот со зголемување на температурата главно се објаснува со слабеењето на меѓумолекуларните привлечни сили. Овој феномен резултира со намалување на вискозитетот на течноста, тренд што јасно е прикажан на Слика 6 и квантифициран со равенката (4). Имено, на 60°C, вискозитетот паѓа на 898 cP со вкупна средна процентна грешка (AMPE) од 1,4%. Деталното разбирање на зависноста од вискозитетот наспроти температурата во NADES е од големо значење за неговата практична примена.
pH вредноста на растворот, одредена со негативниот логаритам на концентрацијата на водородни јони, е критична, особено во pH-чувствителни апликации како што е синтезата на ДНК, па затоа pH вредноста на NADES мора внимателно да се проучи пред употреба. Земајќи го NADES базиран на лимонска киселина како пример, може да се забележи изразито кисела pH вредност од 1,91, што е во остра спротивност со релативно неутралната pH вредност на глицеролот.
Интересно е што pH вредноста на природниот растворувач на лимонска киселина дехидрогеназа (NADES) покажа нелинеарен тренд на намалување со зголемување на температурата. Овој феномен се припишува на зголемените молекуларни вибрации кои го нарушуваат балансот на H+ во растворот, што доведува до формирање на [H]+ јони и, пак, промена на pH вредноста. Додека природната pH вредност на лимонската киселина се движи од 3 до 5, присуството на кисел водород во глицеролот дополнително ја намалува pH вредноста на 1,91.
pH однесувањето на NADES базиран на цитрат во температурниот опсег од 25–60 °C може соодветно да се претстави со равенката (5), која дава математички израз за набљудуваниот тренд на pH. Слика 7 графички го прикажува овој интересен однос, истакнувајќи го ефектот на температурата врз pH вредноста на NADES, за која се наведува дека е 1,4% за AMPE.
Термогравиметриската анализа (TGA) на природен длабок евтектички растворувач на лимонска киселина (NADES) беше систематски спроведена во температурен опсег од собна температура до 500 °C. Како што може да се види од сликите 8a и b, почетното губење на маса до 100 °C главно се должи на апсорбираната вода и водата за хидратација поврзана со лимонската киселина и чистиот глицерол. Значително задржување на масата од околу 88% беше забележано до 180 °C, што главно се должи на распаѓањето на лимонската киселина во аконитна киселина и последователното формирање на метилмалеински анхидрид (III) по понатамошно загревање (Слика 8b). Над 180 °C, можеше да се забележи и јасна појава на акролеин (акрилалдехид) во глицерол, како што е прикажано на Слика 8b37.
Термогравиметриската анализа (TGA) на глицерол откри двостепен процес на губење на маса. Почетната фаза (180 до 220 °C) вклучува формирање на акролеин, проследено со значително губење на маса на високи температури од 230 до 300 °C (Слика 8a). Со зголемувањето на температурата, ацеталдехид, јаглерод диоксид, метан и водород се формираат последователно. Имено, само 28% од масата била задржана на 300 °C, што укажува дека суштинските својства на NADES 8(a)38,39 може да бидат дефектни.
За да се добијат информации за формирање на нови хемиски врски, свежо подготвени суспензии на природни длабоки евтектички растворувачи (NADES) беа анализирани со инфрацрвена спектроскопија со Фуриеова трансформација (FTIR). Анализата беше извршена со споредување на спектарот на суспензијата NADES со спектрите на чиста лимонска киселина (CA) и глицерол (Gly). Спектарот на CA покажа јасни врвови на 1752 1/cm и 1673 1/cm, кои ги претставуваат вибрациите на истегнување на врската C=O и се исто така карактеристични за CA. Покрај тоа, значително поместување во вибрациите на свиткување на OH на 1360 1/cm беше забележано во регионот на отпечатоци од прсти, како што е прикажано на Слика 9.
Слично, во случајот на глицеролот, поместувањата на OH вибрациите на истегнување и свиткување беа пронајдени кај бранови броеви од 3291 1/cm и 1414 1/cm, соодветно. Сега, со анализа на спектарот на подготвените NADES, беше пронајдено значајно поместување во спектарот. Како што е прикажано на Слика 7, вибрацијата на истегнување на врската C=O се помести од 1752 1/cm на 1720 1/cm, а вибрацијата на свиткување на -OH врската на глицеролот се помести од 1414 1/cm на 1359 1/cm. Овие поместувања во брановите броеви укажуваат на промена во електронегативноста, што укажува на формирање на нови хемиски врски во структурата на NADES.