Синтез водорастворимых ионных жидких сополимеров на основе акриламида и исследование их свойств при флокуляции глинистых суспензий

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 14177 (2023) Цитировать эту статью

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Для преодоления водопоглощения и набухания глинистых минеральных слоев очень важна разработка стабилизирующих добавок для буровых растворов на водной основе, в которых в качестве сырья используются органические полимеры. Сополимеры акриламида, действующие как флокулянты, способны разделять такие минералы, как монтмориллонит. В этом исследовании три водорастворимых сополимера, содержащие акриламид-амфотер, акриламид-амфотер-анион и акриламид-амфотер-катион, были синтезированы и охарактеризованы с использованием различных аналитических методов, включая инфракрасную спектроскопию с преобразованием Фурье, ядерный магнитный резонанс, гель-проникающую хроматографию, дифференциальная сканирующая калориметрия, термогравиметрический анализ и производные термогравиметрические методы. Эти сополимеры использовались в качестве флокулянтов для обработки водных суспензий, содержащих частицы монтмориллонита, а для выявления взаимосвязи между тормозящее действие. Флокуляция пластин монтмориллонита объяснялась электростатическим притяжением между монтмориллонитом и синтезированными сополимерами. Сополимеры с высокой молекулярной массой обеспечивают большую термическую стабильность и лучшие характеристики флокуляции для буровых растворов на водной основе. Среди протестированных сополимеров образец акриламид-амфотер-анион с наибольшей молекулярной массой продемонстрировал лучшие характеристики в качестве коагулянта по сравнению с другими сополимерами.

Буровые растворы состоят из суспензий частиц монтмориллонита в воде или нефти, что является неотъемлемой частью процесса бурения. Большинство буровых растворов, которые в настоящее время используются на нефтяных месторождениях, состоят из воды1,2,3. Гидратация сланцев во время бурения с использованием буровых растворов на водной основе является серьезной проблемой4. Флокулянты необходимы для минимизации набухания монтмориллонитового сланца во время бурения5. Синтетические флокулянты более эффективны, чем природные флокулянты, благодаря своей эффективности и низкой стоимости6. Исследования показали, что на эффективность и характер флокуляции влияют различные факторы, такие как структура, молекулярная масса, заряд и дозировка флокулянта. Например, в системах, где образование мостиков является основным механизмом флокуляции, процесс флокуляции можно значительно улучшить, используя полиэлектролит с высокой молекулярной массой, независимо от его заряда7,8,9. Помимо мостиковых механизмов, флокуляция может также происходить за счет нейтрализации заряда, в частности за счет патч-механизма. В таких случаях обычно используют низкомолекулярный полиэлектролит. При использовании катионного полиэлектролита в присутствии отрицательно заряженных глин основной движущей силой является электростатическое притяжение10. Некоторые материалы были исследованы как потенциальные ингибиторы сланцев, но большинство из них разрушаются при бурении, что затрудняет их потенциальное применение11. Флокулянты обычно хорошо работают в определенных температурных диапазонах. Кроме того, pH окружающей среды может существенно влиять на эффективность флокулянтов. Некоторые полимерные флокулянты проявляют заметную чувствительность к солености жидкости12,13. В буровом растворе на водной основе для предотвращения потери жидкости использовались различные водорастворимые полимеры. Высокая температура приводит к выходу из строя агента обработки бурового раствора14. Поэтому необходимо разрабатывать термостойкие и экологически чистые флокулянты15. Сополимеры акриламида используются в качестве добавок к буровым растворам для преодоления нестабильности стенок и проблем с разрушением16. Многие исследовательские работы показали, что акриламид, сополимеризованный с подходящим мономером, обладает высокой термостабильностью17. Большинство флокулянтов представляют собой полимеры на основе акриламида и могут быть доступны в анионной, катионной, неионной или амфотерной формах18. Адсорбция сополимера на поверхности частиц монтмориллонита в целом зависит от функциональной группы мономеров и распределения заряда19,20,21. Взаимодействие между сополимерами акриламида и листами монтмориллонита происходит посредством электростатического притяжения. Поэтому по мере изменения типа заряженных функциональных групп в цепи сополимера акриламида меняется и их взаимодействие с монтмориллонитом22,23,24. Также главной проблемой современного мира является нехватка пресной воды, что связано с ростом загрязнения окружающей среды. Флокуляция – эффективный и экономичный метод очистки сточных вод. Существует множество флокулянтов для очистки сточных вод, которые используются для удаления органических и неорганических материалов15,25,26. Пренебрежение обращением с этими дисперсиями может иметь пагубные последствия, приводящие не только к растрате ценных водных ресурсов, но и к серьезным экологическим проблемам27. Полиакриламид и его сополимеры широко используются при очистке воды и обезвоживании осадка. На эффективность флокуляции влияют такие факторы, как тип используемого флокулянта, его молекулярная масса и концентрация в водной суспензии. Флокуляция происходит за счет механизмов нейтрализации заряда и образования мостиков. Процесс флокуляции считается эффективным и удовлетворительным, когда наблюдается заметное снижение мутности и ускоренное осаждение частиц28,29,30,31. В настоящем исследовании были получены и применены в качестве коагулянтных добавок в буровых растворах на водной основе сополимеры, содержащие мономеры AA, DMAPS, AMPS и DADMAC. Эти сополимеры способны в значительной степени предотвращать гидратационное набухание минералов монтмориллонита, а с другой стороны, вызывают коагуляцию, создавая силы электростатического притяжения с частицами монтмориллонита.