Хвала вам што сте посетили nature.com. Верзија прегледача коју користите има ограничену подршку за CSS. За најбоље искуство, препоручујемо да користите најновију верзију прегледача (или да искључите режим компатибилности у Internet Explorer-у). Поред тога, како би се осигурала континуирана подршка, ова страница неће садржати стилове или JavaScript.
Експанзија шкриљаца у кластичним резервоарима ствара значајне проблеме, што доводи до нестабилности бушотине. Из еколошких разлога, употреба течности за бушење на бази воде са додатком инхибитора шкриљаца је пожељнија у односу на течност за бушење на бази нафте. Јонске течности (ИТ) су привукле велику пажњу као инхибитори шкриљаца због својих подесивих својстава и јаких електростатичких карактеристика. Међутим, јонске течности (ИТ) на бази имидазолила, које се широко користе у течностима за бушење, показале су се токсичним, небиоразградивим и скупим. Дубоки еутектички растварачи (ДЕС) се сматрају исплативијом и мање токсичном алтернативом јонским течностима, али и даље не испуњавају потребну еколошку одрживост. Недавни напредак у овој области довео је до увођења природних дубоких еутектичких растварача (НАДЕС), познатих по својој истинској еколошкој прихватљивости. Ова студија је истраживала НАДЕС-ове, који садрже лимунску киселину (као акцептор водоничне везе) и глицерол (као донор водоничне везе) као адитиве течности за бушење. Бушаће течности на бази NADES-а развијене су у складу са API 13B-1 и њихове перформансе су упоређене са бушаћим течностима на бази калијум хлорида, јонским течностима на бази имидазолијума и бушаћим течностима на бази холин хлорида:урее-DES-а. Физичко-хемијска својства патентираних NADES-а су детаљно описана. Реолошка својства, губитак течности и својства инхибиције шкриљаца бушаће течности су процењени током студије, и показано је да је при концентрацији од 3% NADES-а, однос границе течења/пластичне вискозности (YP/PV) повећан, дебљина муљне погаче је смањена за 26%, а запремина филтрата је смањена за 30,1%. Приметно је да је NADES постигао импресивну стопу инхибиције експанзије од 49,14% и повећао производњу шкриљаца за 86,36%. Ови резултати се приписују способности NADES-а да модификује површинску активност, зета потенцијал и међуслојни размак глина, што се разматра у овом раду како би се разумели основни механизми. Очекује се да ће ова одржива течност за бушење револуционисати индустрију бушења пружајући нетоксичну, исплативу и веома ефикасну алтернативу традиционалним инхибиторима корозије шкриљаца, отварајући пут еколошки прихватљивим праксама бушења.
Шкриљац је свестрана стена која служи и као извор и као резервоар угљоводоника, а његова порозна структура1 пружа потенцијал и за производњу и за складиштење ових вредних ресурса. Међутим, шкриљац је богат глиновитим минералима као што су монтморилонит, смектит, каолинит и илит, што га чини склоним бубрењу када је изложен води, што доводи до нестабилности бушотине током бушења2,3. Ови проблеми могу довести до непродуктивног времена (НВВ) и мноштва оперативних проблема, укључујући заглављене цеви, изгубљену циркулацију исплака, колапс бушотине и запрљање длана, повећавајући време опоравка и трошкове. Традиционално, флуиди за бушење на бази нафте (ОБДФ) били су преферирани избор за формације шкриљаца због своје способности да се одупру ширењу шкриљаца4. Међутим, употреба флуида за бушење на бази нафте повлачи за собом веће трошкове и еколошке ризике. Синтетички флуиди за бушење (СБДФ) разматрани су као алтернатива, али њихова погодност на високим температурама није задовољавајућа. Флуиди за бушење на бази воде (ВБДФ) су атрактивно решење јер су безбеднији, еколошки прихватљивији и исплативији од ОБДФ5. Различити инхибитори шкриљаца коришћени су за побољшање способности инхибиције WBDF-а у шкриљцима, укључујући традиционалне инхибиторе као што су калијум хлорид, креч, силикат и полимер. Међутим, ови инхибитори имају ограничења у погледу ефикасности и утицаја на животну средину, посебно због високе концентрације K+ у инхибиторима калијум хлорида и pH осетљивости силиката. 6 Истраживачи су истраживали могућност коришћења јонских течности као адитива за бушаће течности како би побољшали реологију бушаће течности и спречили бубрење шкриљаца и стварање хидрата. Међутим, ове јонске течности, посебно оне које садрже имидазолил катјоне, су генерално токсичне, скупе, нису биоразградиве и захтевају сложене процесе припреме. Да би решили ове проблеме, људи су почели да траже економичнију и еколошки прихватљивију алтернативу, што је довело до појаве дубоко еутектичких растварача (DES). DES је еутектичка смеша коју формирају донор водоничне везе (HBD) и акцептор водоничне везе (HBA) при одређеном моларном односу и температури. Ове еутектичке смеше имају ниже тачке топљења од њихових појединачних компоненти, првенствено због делокализације наелектрисања изазване водоничним везама. Многи фактори, укључујући енергију решетке, промену ентропије и интеракције између ањона и HBD, играју кључну улогу у снижавању тачке топљења DES-а.
У претходним студијама, различити адитиви су додавани течности за бушење на бази воде како би се решио проблем ширења шкриљаца. На пример, Офеи и др. су додали 1-бутил-3-метилимидазолијум хлорид (BMIM-Cl), што је значајно смањило дебљину блатног колача (до 50%) и смањило вредност YP/PV за 11 на различитим температурама. Хуанг и др. су користили јонске течности (конкретно, 1-хексил-3-метилимидазолијум бромид и 1,2-бис(3-хексилимидазолијум-1-ил)етан бромид) у комбинацији са Na-Bt честицама и значајно смањили бубрење шкриљаца за 86,43% и 94,17%, респективно12. Поред тога, Јанг и др. су користили 1-винил-3-додецилимидазолијум бромид и 1-винил-3-тетрадецилимидазолијум бромид да би смањили бубрење шкриљаца за 16,91% и 5,81%, респективно. 13 Јанг и др. такође су користили 1-винил-3-етилимидазолијум бромид и смањили ширење шкриљаца за 31,62%, уз одржавање опоравка шкриљаца на 40,60%. 14 Поред тога, Луо и др. су користили 1-октил-3-метилимидазолијум тетрафлуороборат да би смањили бубрење шкриљаца за 80%. 15, 16 Даи и др. су користили јонске течне кополимере да би инхибирали шкриљац и постигли повећање линеарног опоравка од 18% у поређењу са аминским инхибиторима. 17
Јонске течности саме по себи имају неке недостатке, што је подстакло научнике да траже еколошки прихватљивије алтернативе јонским течностима, и тако је настао DES. Ханђиа је први користио дубоко еутектичке раствараче (DES) који се састоје од винилхлорид пропионске киселине (1:1), винилхлорид 3-фенилпропионске киселине (1:2) и 3-меркаптопропионске киселине + итаконске киселине + винил хлорида (1:1:2), што је инхибирало бубрење бентонита за 68%, 58% и 58%, респективно18. У слободном експерименту, МХ Расул је користио однос глицерола и калијум карбоната (DES) 2:1 и значајно смањио бубрење узорака шкриљаца за 87%19,20. Ма је користио уреу:винил хлорид да би значајно смањио ширење шкриљаца за 67%.21 Расул и др. Комбинација DES и полимера коришћена је као инхибитор шкриљаца са двоструким дејством, што је постигло одличан ефекат инхибиције шкриљаца22.
Иако се дубоко еутектички растварачи (DES) генерално сматрају еколошки прихватљивијом алтернативом јонским течностима, они такође садрже потенцијално токсичне компоненте као што су амонијумове соли, што доводи у питање њихову еколошку прихватљивост. Овај проблем је довео до развоја природних дубоко еутектичких растварача (NADES). Они се и даље класификују као DES, али се састоје од природних супстанци и соли, укључујући калијум хлорид (KCl), калцијум хлорид (CaCl2), Епсом соли (MgSO4.7H2O) и друге. Бројне потенцијалне комбинације DES и NADES отварају широк простор за истраживање у овој области и очекује се да ће пронаћи примену у различитим областима. Неколико истраживача је успешно развило нове DES комбинације које су се показале ефикасним у различитим применама. На пример, Насер и др. 2013. синтетизовали су DES на бази калијум карбоната и проучавали његова термофизичка својства, која су потом нашла примену у областима инхибиције хидрата, адитива за бушотине, делигнификације и нанофибрилације.23 Џорди Ким и сарадници развили су NADES на бази аскорбинске киселине и проценили његова антиоксидативна својства у различитим применама.24 Кристер и др. развили су NADES на бази лимунске киселине и идентификовали његов потенцијал као ексципијенса за колагенске производе. 25 Лиу Ји и сарадници су сумирали примене NADES-а као медијума за екстракцију и хроматографију у свеобухватном прегледу, док су Мисан и др. разговарали о успешним применама NADES-а у пољопривредно-прехрамбеном сектору. Императив је да истраживачи течности за бушење почну да обраћају пажњу на ефикасност NADES-а у својим применама. недавно. Године 2023, Расул и др. користили су различите комбинације природних дубоких еутектичких растварача на бази аскорбинске киселине26, калцијум хлорида27, калијум хлорида28 и Епсом соли29 и постигли импресивну инхибицију шкриљаца и опоравак шкриљаца. Ова студија је једна од првих студија које су представиле NADES (посебно формулацију на бази лимунске киселине и глицерола) као еколошки прихватљив и ефикасан инхибитор шкриљаца у течностима за бушење на бази воде, који се одликује одличном еколошком стабилношћу, побољшаном способношћу инхибиције шкриљаца и побољшаним перформансама флуида у поређењу са традиционалним инхибиторима као што су KCl, јонске течности на бази имидазолила и традиционални DES.
Студија ће обухватити интерну припрему NADES-а на бази лимунске киселине (CA), након чега следи детаљна физичко-хемијска карактеризација и његова употреба као адитива за бушаћу течност ради процене својстава бушаће течности и њене способности инхибиције бубрења. У овој студији, CA ће деловати као акцептор водоничних веза, док ће глицерол (Gly) деловати као донор водоничних веза изабран на основу MH критеријума скрининга за формирање/селекцију NADES-а у студијама инхибиције шкриљаца30. Мерења Фуријеове трансформационе инфрацрвене спектроскопије (FTIR), рендгенске дифракције (XRD) и зета потенцијала (ZP) разјасниће интеракције NADES-глина и механизам који стоји иза инхибиције бубрења глине. Поред тога, ова студија ће упоредити бушаћу течност на бази CA NADES-а са DES32 на бази 1-етил-3-метилимидазолијум хлорида [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl и холин хлорида:урее (1:2) како би се истражила њихова ефикасност у инхибицији шкриљаца и побољшању перформанси бушаће течности.
Лимунска киселина (монохидрат), глицерол (99 USP) и уреа су купљени од EvaChem, Куала Лумпур, Малезија. Холин хлорид (>98%), [EMIM]Cl 98% и калијум хлорид су купљени од Sigma Aldrich, Малезија. Хемијске структуре свих хемикалија су приказане на слици 1. Зелени дијаграм упоређује главне хемикалије коришћене у овој студији: имидазолил јонска течност, холин хлорид (DES), лимунска киселина, глицерол, калијум хлорид и NADES (лимунска киселина и глицерол). Табела еколошке прихватљивости хемикалија коришћених у овој студији је приказана у Табели 1. У табели је свака хемикалија оцењена на основу токсичности, биоразградивости, трошкова и еколошке одрживости.
Хемијске структуре материјала коришћених у овој студији: (а) лимунска киселина, (б) [EMIM]Cl, (ц) холин хлорид и (д) глицерол.
Кандидати за доноре и акцепторе водоничних веза (HBD) за развој NADES-а на бази CA (природног дубоког еутектичког растварача) пажљиво су одабрани према критеријумима селекције MH 30, који су намењени за развој NADES-а као ефикасних инхибитора шкриљаца. Према овом критеријуму, компоненте са великим бројем донора и акцептора водоничних веза, као и поларних функционалних група, сматрају се погодним за развој NADES-а.
Поред тога, јонска течност [EMIM]Cl и дубоко еутектички растварач холин хлорид:уреа (DES) су одабрани за поређење у овој студији јер се широко користе као адитиви за течности за бушење33,34,35,36. Поред тога, калијум хлорид (KCl) је упоређен јер је уобичајени инхибитор.
Лимунска киселина и глицерол су помешани у различитим моларним односима да би се добиле еутектичке смеше. Визуелним прегледом је показано да је еутектичка смеша хомогена, провидна течност без замућења, што указује да су донор водоничне везе (HBD) и акцептор водоничне везе (HBA) успешно помешани у овој еутектичкој композицији. Прелиминарни експерименти су спроведени како би се посматрало понашање процеса мешања HBD и HBA у зависности од температуре. Према доступној литератури, удео еутектичких смеша је процењен на три специфичне температуре изнад 50 °C, 70 °C и 100 °C, што указује да је еутектичка температура обично у опсегу од 50–80 °C. За прецизно мерење компоненти HBD и HBA коришћена је дигитална вага компаније Mettler, а за загревање и мешање HBD и HBA брзином од 100 о/мин под контролисаним условима коришћена је термо-фишерова грејна плоча.
Термофизичка својства нашег синтетисаног дубоко еутектичког растварача (DES), укључујући густину, површински напон, индекс преламања и вискозност, прецизно су измерена у температурном опсегу од 289,15 до 333,15 K. Треба напоменути да је овај температурни опсег изабран првенствено због ограничења постојеће опреме. Свеобухватна анализа обухватила је детаљну студију различитих термофизичких својстава ове NADES формулације, откривајући њихово понашање у различитом распону температура. Фокусирање на овај специфични температурни опсег пружа увид у својства NADES-а која су од посебног значаја за бројне примене.
Површински напон припремљеног NADES-а мерен је у опсегу од 289,15 до 333,15 K коришћењем мерача међуповршинске напетости (IFT700). Капљице NADES-а се формирају у комори напуњеној великом запремином течности коришћењем капиларне игле под одређеним условима температуре и притиска. Модерни системи за снимање уводе одговарајуће геометријске параметре за израчунавање међуповршинске напетости коришћењем Лапласове једначине.
За одређивање индекса преламања свеже припремљеног NADES-а у температурном опсегу од 289,15 до 333,15 K коришћен је ATAGO рефрактометар. Инструмент користи термални модул за регулацију температуре ради процене степена преламања светлости, елиминишући потребу за воденим купатилом константне температуре. Површина призме рефрактометра треба да се очисти, а раствор узорка треба равномерно распоредити по њој. Калибришите познатим стандардним раствором, а затим очитајте индекс преламања са екрана.
Вискозност припремљеног NADES-а је мерена у температурном опсегу од 289,15 до 333,15 K коришћењем Брукфилдовог ротационог вискозиметра (криогеног типа) при брзини смицања од 30 о/мин и величини вретена 6. Вискозиметар мери вискозност одређивањем обртног момента потребног за ротацију вретена константном брзином у течном узорку. Након што се узорак постави на екран испод вретена и затегне, вискозиметар приказује вискозност у центипоазима (cP), пружајући вредне информације о реолошким својствима течности.
За одређивање густине свеже припремљеног природног дубоког еутектичког растварача (NDEES) у температурном опсегу од 289,15–333,15 K коришћен је преносиви густиномер DMA 35 Basic. Пошто уређај нема уграђени грејач, пре употребе густиномера NADES мора се претходно загрејати на наведену температуру (± 2 °C). Провуците најмање 2 ml узорка кроз цев, а густина ће одмах бити приказана на екрану. Вреди напоменути да због недостатка уграђеног грејача резултати мерења имају грешку од ± 2 °C.
Да бисмо проценили pH вредност свеже припремљеног NADES-а у температурном опсегу од 289,15–333,15 K, користили смо Kenis стони pH метар. Пошто нема уграђеног уређаја за грејање, NADES је прво загрејан на жељену температуру (±2 °C) помоћу грејне плоче, а затим је директно измерен pH метром. Потпуно уроните сонду pH метра у NADES и забележите коначну вредност након што се очитавање стабилизује.
Термогравиметријска анализа (TGA) је коришћена за процену термичке стабилности природних дубоких еутектичких растварача (NADES). Узорци су анализирани током загревања. Коришћењем високопрецизне ваге и пажљивим праћењем процеса загревања, генерисан је график губитка масе у односу на температуру. NADES је загреван од 0 до 500 °C брзином од 1 °C у минути.
Да би се започео процес, NADES узорак мора бити темељно помешан, хомогенизован и уклоњена површинска влага. Припремљени узорак се затим ставља у TGA кивету, која је обично направљена од инертног материјала као што је алуминијум. Да би се осигурали тачни резултати, TGA инструменти се калибришу коришћењем референтних материјала, обично стандарда тежине. Након калибрације, почиње TGA експеримент и узорак се загрева на контролисан начин, обично константном брзином. Континуирано праћење односа између тежине узорка и температуре је кључни део експеримента. TGA инструменти прикупљају податке о температури, тежини и другим параметрима као што су проток гаса или температура узорка. Када се TGA експеримент заврши, прикупљени подаци се анализирају како би се утврдила промена тежине узорка у зависности од температуре. Ове информације су вредне за одређивање температурних опсега повезаних са физичким и хемијским променама у узорку, укључујући процесе као што су топљење, испаравање, оксидација или разлагање.
Бушотинска течност на бази воде пажљиво је формулисана у складу са стандардом API 13B-1, а њен специфичан састав је наведен у Табели 2 ради референце. Лимунска киселина и глицерол (99 USP) су купљени од компаније Sigma Aldrich, Малезија, за припрему природног дубоког еутектичког растварача (NADES). Поред тога, конвенционални инхибитор шкриљаца, калијум хлорид (KCl), такође је купљен од компаније Sigma Aldrich, Малезија. 1-етил, 3-метилимидазолијум хлорид ([EMIM]Cl) чистоће веће од 98% је изабран због свог значајног ефекта у побољшању реологије бушотинске течности и инхибиције шкриљаца, што је потврђено у претходним студијама. И KCl и ([EMIM]Cl) ће бити коришћени у упоредној анализи за процену учинка инхибиције шкриљаца NADES-а.
Многи истраживачи више воле да користе бентонитне пахуљице за проучавање бубрења шкриљаца јер бентонит садржи исту „монтморилонитну“ групу која изазива бубрење шкриљаца. Добијање правих узорака језгра шкриљаца је изазовно јер процес вађења језгра дестабилизује шкриљац, што резултира узорцима који нису у потпуности шкриљац, већ обично садрже мешавину слојева пешчара и кречњака. Поред тога, узорцима шкриљаца обично недостају монтморилонитне групе које изазивају бубрење шкриљаца и стога нису погодни за експерименте инхибиције бубрења.
У овој студији, користили смо реконституисане честице бентонита пречника приближно 2,54 цм. Грануле су направљене пресовањем 11,5 грама праха натријум бентонита у хидрауличној преси под притиском од 1600 psi. Дебљина гранула је прецизно измерена пре него што су стављене у линеарни дилатометар (LD). Честице су затим уроњене у узорке течности за бушење, укључујући основне узорке и узорке убризгане инхибиторима који се користе за спречавање бубрења шкриљаца. Промена дебљине гранула је затим пажљиво праћена помоћу LD, а мерења су забележена у интервалима од 60 секунди током 24 сата.
Рендгенска дифракција је показала да је састав бентонита, посебно његових 47% монтморилонита, кључни фактор у разумевању његових геолошких карактеристика. Међу монтморилонитним компонентама бентонита, монтморилонит је главна компонента, чинећи 88,6% укупних компоненти. У међувремену, кварц чини 29%, илит 7%, а карбонат 9%. Мали део (око 3,2%) је мешавина илита и монтморилонита. Поред тога, садржи елементе у траговима као што су Fe2O3 (4,7%), сребрни алуминосиликат (1,2%), мусковит (4%) и фосфат (2,3%). Поред тога, присутне су мале количине Na2O (1,83%) и гвожђе силиката (2,17%), што омогућава да се у потпуности разумеју саставни елементи бентонита и њихови одговарајући пропорције.
Овај свеобухватни одељак студије детаљно описује реолошка и филтрациона својства узорака течности за бушење припремљених коришћењем природног дубоког еутектичког растварача (NADES) и коришћених као адитив течности за бушење у различитим концентрацијама (1%, 3% и 5%). Узорци муља на бази NADES-а су затим упоређени и анализирани са узорцима муља који се састоје од калијум хлорида (KCl), CC:уреа DES (дубоки еутектички растварач холин хлорид:уреа) и јонских течности. У овој студији обухваћен је низ кључних параметара, укључујући очитавања вискозности добијена помоћу FANN вискозиметра пре и после излагања условима старења на 100°C и 150°C. Мерења су вршена при различитим брзинама ротације (3 о/мин, 6 о/мин, 300 о/мин и 600 о/мин) што омогућава свеобухватну анализу понашања течности за бушење. Добијени подаци се затим могу користити за одређивање кључних својстава као што су граница течења (YP) и пластична вискозност (PV), која пружају увид у перформансе течности под различитим условима. Тестови филтрације под високим притиском и високом температуром (HPHT) на 400 psi и 150°C (типичне температуре у бунарима високих температура) одређују перформансе филтрације (дебљину колача и запремину филтрата).
Овај одељак користи најсавременију опрему, Grace HPHT линеарни дилатометар (M4600), за темељну процену својстава инхибиције бубрења шкриљаца наших флуида за бушење на бази воде. LSM је најсавременија машина која се састоји од две компоненте: плоча за збијање и линеарни дилатометар (модел: M4600). Бентонитне плоче су припремљене за анализу помоћу Grace Core/Plate Compactor-а. LSM затим пружа тренутне податке о бубрењу на овим плочама, омогућавајући свеобухватну процену својстава инхибиције бубрења шкриљаца. Тестови ширења шкриљаца су спроведени под амбијенталним условима, тј. на 25°C и притиску од 1 psia.
Тестирање стабилности шкриљца обухвата кључни тест који се често назива тестом опоравка шкриљца, тестом потапања шкриљца или тестом дисперзије шкриљца. Да би се започела ова евалуација, резнице шкриљца се одвајају на ситу #6 BSS, а затим стављају на сито #10. Резнице се затим доводе у резервоар за сакупљање где се мешају са базном течности и исплаком за бушење који садржи NADES (природни дубоки еутектички растварач). Следећи корак је стављање смеше у пећ ради интензивног процеса врућег ваљања, осигуравајући да су резнице и исплак темељно измешани. Након 16 сати, резнице се уклањају из пулпе тако што се шкриљцу дозвољава да се разложи, што резултира смањењем тежине резница. Тест опоравка шкриљца је спроведен након што су резнице шкриљца држане у исплаку за бушење на 150°C и 1000 psi инча у року од 24 сата.
Да бисмо измерили опоравак шкриљастог блата, филтрирали смо га кроз финије сито (40 меша), затим га темељно испрали водом и на крају осушили у рерни. Овај мукотрпни поступак нам омогућава да проценимо опорављени блато у поређењу са оригиналном тежином, на крају израчунавајући проценат успешно опорављеног шкриљастог блата. Извор узорака шкриљаца је из округа Ниах, округ Мири, Саравак, Малезија. Пре тестова дисперзије и опоравка, узорци шкриљаца су подвргнути темељној рендгенској дифракцијској (XRD) анализи како би се квантификовао њихов састав глине и потврдила њихова погодност за испитивање. Састав глинених минерала узорка је следећи: илит 18%, каолинит 31%, хлорит 22%, вермикулит 10% и лискун 19%.
Површински напон је кључни фактор који контролише продирање катиона воде у микропоре шкриљаца путем капиларног дејства, што ће бити детаљно проучено у овом одељку. Овај рад испитује улогу површинског напона у кохезивном својству флуида за бушење, истичући његов важан утицај на процес бушења, посебно на инхибицију шкриљаца. Користили смо међуповршински тензиометар (IFT700) да бисмо прецизно измерили површински напон узорака флуида за бушење, откривајући важан аспект понашања флуида у контексту инхибиције шкриљаца.
У овом одељку се детаљно разматра размак између d-слојева, што је међуслојно растојање између алуминосиликатних слојева и једног алуминосиликатног слоја у глинама. Анализа је обухватила узорке влажног блата који садрже 1%, 3% и 5% CA NADES-а, као и 3% KCl, 3% [EMIM]Cl и 3% DES на бази CC:урее ради поређења. Најсавременији стони рендгенски дифрактометар (D2 Phaser) који ради на 40 mA и 45 kV са Cu-Kα зрачењем (λ = 1,54059 Å) играо је кључну улогу у снимању пикова рендгенске дифракције и влажних и сувих узорака Na-Bt. Примена Брегове једначине омогућава тачно одређивање размака између d-слојева, чиме се пружају вредне информације о понашању глине.
У овом одељку се користи напредни инструмент Malvern Zetasizer Nano ZSP за прецизно мерење зета потенцијала. Ова евалуација је пружила вредне информације о карактеристикама наелектрисања узорака разблаженог блата који садрже 1%, 3% и 5% CA NADES, као и 3% KCl, 3% [EMIM]Cl и 3% CC:DES на бази урее за упоредну анализу. Ови резултати доприносе нашем разумевању стабилности колоидних једињења и њихових интеракција у флуидима.
Узорци глине су испитани пре и после излагања природном дубоком еутектичком растварачу (NADES) коришћењем Zeiss Supra 55 VP скенирајућег електронског микроскопа са емисијом поља (FESEM) опремљеног енергетски дисперзивним X-зрацима (EDX). Резолуција снимања је била 500 nm, а енергија електронског снопа 30 kV и 50 kV. FESEM пружа визуелизацију површинске морфологије и структурних карактеристика узорака глине високе резолуције. Циљ ове студије био је да се добију информације о утицају NADES-а на узорке глине упоређивањем слика добијених пре и после излагања.
У овој студији, коришћена је технологија скенирајуће електронске микроскопије пољске емисије (FESEM) за испитивање ефекта NADES-а на узорке глине на микроскопском нивоу. Циљ ове студије је да се разјасне потенцијалне примене NADES-а и његов утицај на морфологију глине и просечну величину честица, што ће пружити вредне информације за истраживање у овој области.
У овој студији, траке грешака су коришћене за визуелни опис варијабилности и неизвесности средње процентуалне грешке (AMPE) у различитим експерименталним условима. Уместо приказивања појединачних AMPE вредности (пошто приказивање AMPE вредности може да прикрије трендове и преувелича мале варијације), израчунавамо траке грешака користећи правило од 5%. Овај приступ осигурава да свака трака грешке представља интервал у коме се очекује да се налазе интервал поверења од 95% и 100% AMPE вредности, чиме се пружа јаснији и сажетији резиме дистрибуције података за сваки експериментални услов. Коришћење трака грешака заснованих на правилу од 5% тако побољшава интерпретабилност и поузданост графичких приказа и помаже у детаљнијем разумевању резултата и њихових импликација.
У синтези природних дубоких еутектичких растварача (NADES), неколико кључних параметара је пажљиво проучено током процеса припреме у нашој лабораторији. Ови критични фактори укључују температуру, моларни однос и брзину мешања. Наши експерименти показују да када се HBA (лимунска киселина) и HBD (глицерол) помешају у моларном односу 1:4 на 50°C, формира се еутектичка смеша. Карактеристична карактеристика еутектичке смеше је њен транспарентан, хомоген изглед и одсуство седимента. Стога, овај кључни корак истиче важност моларног односа, температуре и брзине мешања, међу којима је моларни однос био најутицајнији фактор у припреми DES и NADES, као што је приказано на слици 2.
Индекс преламања (n) изражава однос брзине светлости у вакууму и брзине светлости у другој, гушћој средини. Индекс преламања је од посебног интереса за природне дубоке еутектичке раствараче (NADES) када се разматрају оптички осетљиве примене као што су биосензори. Индекс преламања проучаваног NADES-а на 25 °C био је 1,452, што је занимљиво ниже него код глицерола.
Вреди напоменути да се индекс преламања NADES-а смањује са температуром, и овај тренд се може прецизно описати формулом (1) и сликом 3, при чему апсолутна средња процентуална грешка (AMPE) достиже 0%. Ово понашање зависно од температуре објашњава се смањењем вискозности и густине на високим температурама, што узрокује да светлост путује кроз медијум већом брзином, што резултира нижом вредношћу индекса преламања (n). Ови резултати пружају вредне увиде у стратешку употребу NADES-а у оптичком сензорству, истичући њихов потенцијал за примене у биосензорима.
Површински напон, који одражава тенденцију површине течности да минимизира своју површину, од великог је значаја у процени погодности природних дубоких еутектичких растварача (NADES) за примене засноване на капиларном притиску. Студија површинског напона у температурном опсегу од 25–60 °C пружа вредне информације. На 25 °C, површински напон NADES-а на бази лимунске киселине био је 55,42 mN/m, што је знатно ниже него код воде и глицерола. Слика 4 показује да површински напон значајно опада са повећањем температуре. Овај феномен се може објаснити повећањем молекуларне кинетичке енергије и последичним смањењем међумолекуларних привлачних сила.
Линеарни тренд смањења површинског напона примећен у проучаваном NADES-у може се добро изразити једначином (2), која илуструје основни математички однос у температурном опсегу од 25–60 °C. График на слици 4 јасно приказује тренд површинског напона са температуром са апсолутном средњом процентуалном грешком (AMPE) од 1,4%, што квантификује тачност пријављених вредности површинског напона. Ови резултати имају важне импликације за разумевање понашања NADES-а и његових потенцијалних примена.
Разумевање динамике густине природних дубоких еутектичких растварача (NADES) је кључно за олакшавање њихове примене у бројним научним студијама. Густина NADES-а на бази лимунске киселине на 25°C је 1,361 г/цм3, што је више од густине матичног глицерола. Ова разлика се може објаснити додатком акцептора водоничне везе (лимунске киселине) глицеролу.
Узимајући NADES на бази цитрата као пример, његова густина пада на 1,19 г/цм3 на 60°C. Повећање кинетичке енергије при загревању доводи до дисперзије молекула NADES-а, што доводи до њиховог заузимања веће запремине, што резултира смањењем густине. Уочено смањење густине показује одређену линеарну корелацију са повећањем температуре, што се може правилно изразити формулом (3). Слика 5 графички приказује ове карактеристике промене густине NADES-а са апсолутном средњом процентуалном грешком (AMPE) од 1,12%, што пружа квантитативну меру тачности пријављених вредности густине.
Вискозност је привлачна сила између различитих слојева течности у покрету и игра кључну улогу у разумевању применљивости природних дубоких еутектичких растварача (NADES) у различитим применама. На 25 °C, вискозност NADES-а је била 951 cP, што је више од вискозности глицерола.
Примећено смањење вискозности са повећањем температуре углавном се објашњава слабљењем међумолекуларних привлачних сила. Ова појава доводи до смањења вискозности флуида, тренд јасно приказан на слици 6 и квантификован једначином (4). Приметно је да на 60°C вискозност пада на 898 cP са укупном средњом процентуалном грешком (AMPE) од 1,4%. Детаљно разумевање зависности вискозности од температуре у NADES-у је од великог значаја за његову практичну примену.
pH вредност раствора, одређена негативним логаритмом концентрације водоничних јона, је критична, посебно у применама осетљивим на pH, као што је синтеза ДНК, тако да се pH вредност NADES-а мора пажљиво проучити пре употребе. Узимајући NADES на бази лимунске киселине као пример, може се уочити изразито кисела pH вредност од 1,91, што је у оштрој супротности са релативно неутралном pH вредношћу глицерола.
Занимљиво је да је pH вредност природног растварача растворљивог у лимунској киселини дехидрогенази (NADES) показала нелинеарни тренд опадања са повећањем температуре. Овај феномен се приписује повећаним молекуларним вибрацијама које ремете равнотежу H+ у раствору, што доводи до стварања [H]+ јона и, последично, промене pH вредности. Док се природни pH лимунске киселине креће од 3 до 5, присуство киселог водоника у глицеролу додатно снижава pH на 1,91.
Понашање pH вредности NADES-а на бази цитрата у температурном опсегу од 25–60 °C може се на одговарајући начин представити једначином (5), која пружа математички израз за посматрани тренд pH вредности. Слика 7 графички приказује ову занимљиву везу, истичући утицај температуре на pH вредност NADES-а, која је за AMPE пријављена на 1,4%.
Термогравиметријска анализа (ТГА) природног дубоко еутектичког растварача лимунске киселине (NADES) систематски је спроведена у температурном опсегу од собне температуре до 500 °C. Као што се може видети на сликама 8а и б, почетни губитак масе до 100 °C углавном је последица апсорбоване воде и хидратационе воде повезане са лимунском киселином и чистим глицеролом. Значајно задржавање масе од око 88% примећено је до 180 °C, што је углавном последица разлагања лимунске киселине до аконитне киселине и накнадног формирања метилмалеинског анхидрида(III) након даљег загревања (слика 8б). Изнад 180 °C, могла се приметити и јасна појава акролеина (акрилалдехида) у глицеролу, као што је приказано на слици 8б37.
Термогравиметријска анализа (ТГА) глицерола открила је двостепени процес губитка масе. Почетна фаза (180 до 220 °C) укључује формирање акролеина, након чега следи значајан губитак масе на високим температурама од 230 до 300 °C (слика 8а). Како температура расте, ацеталдехид, угљен-диоксид, метан и водоник се формирају секвенцијално. Приметно је да је само 28% масе задржано на 300 °C, што сугерише да суштинска својства NADES 8(a)38,39 можда неисправна.
Да би се добиле информације о формирању нових хемијских веза, свеже припремљене суспензије природних дубоких еутектичких растварача (NADES) анализиране су помоћу Фуријеове трансформационе инфрацрвене спектроскопије (FTIR). Анализа је извршена поређењем спектра NADES суспензије са спектрима чисте лимунске киселине (CA) и глицерола (Gly). CA спектар је показао јасне пикове на 1752 1/cm и 1673 1/cm, који представљају вибрације истезања C=O везе и такође су карактеристичне за CA. Поред тога, значајан помак у вибрацији савијања OH на 1360 1/cm је примећен у области отиска прста, као што је приказано на слици 9.
Слично томе, у случају глицерола, померања вибрација истезања и савијања OH група пронађена су на таласним бројевима од 3291 1/цм и 1414 1/цм, респективно. Сада, анализом спектра припремљеног NADES-а, пронађено је значајно померање спектра. Као што је приказано на слици 7, вибрација истезања C=O везе померила се са 1752 1/цм на 1720 1/цм, а вибрација савијања -OH везе глицерола померила се са 1414 1/цм на 1359 1/цм. Ова померања таласних бројева указују на промену електронегативности, што указује на формирање нових хемијских веза у структури NADES-а.