Diolch am ymweld â nature.com. Mae gan y fersiwn porwr rydych chi'n ei ddefnyddio gefnogaeth CSS gyfyngedig. I gael y profiad gorau, rydym yn argymell defnyddio'r fersiwn porwr diweddaraf (neu ddiffodd y modd cydnawsedd yn Internet Explorer). Yn ogystal, er mwyn sicrhau cefnogaeth barhaus, ni fydd y wefan hon yn cynnwys arddulliau na JavaScript.
Mae ehangu siâl mewn cronfeydd dŵr clastig yn creu problemau sylweddol, gan arwain at ansefydlogrwydd twll ffynnon. Am resymau amgylcheddol, mae defnyddio hylif drilio sy'n seiliedig ar ddŵr gydag atalyddion siâl ychwanegol yn cael ei ffafrio dros hylif drilio sy'n seiliedig ar olew. Mae hylifau ïonig (ILs) wedi denu llawer o sylw fel atalyddion siâl oherwydd eu priodweddau tiwnadwy a'u nodweddion electrostatig cryf. Fodd bynnag, mae hylifau ïonig (ILs) sy'n seiliedig ar imidazolyl, a ddefnyddir yn helaeth mewn hylifau drilio, wedi profi i fod yn wenwynig, yn anfioddiraddadwy ac yn ddrud. Ystyrir toddyddion ewtectig dwfn (DES) yn ddewis arall mwy cost-effeithiol a llai gwenwynig i hylifau ïonig, ond maent yn dal i fethu â chyrraedd y cynaliadwyedd amgylcheddol gofynnol. Mae datblygiadau diweddar yn y maes hwn wedi arwain at gyflwyno toddyddion ewtectig dwfn naturiol (NADES), sy'n adnabyddus am eu cyfeillgarwch amgylcheddol gwirioneddol. Ymchwiliodd yr astudiaeth hon i NADESs, sy'n cynnwys asid citrig (fel derbynnydd bond hydrogen) a glyserol (fel rhoddwr bond hydrogen) fel ychwanegion hylif drilio. Datblygwyd yr hylifau drilio seiliedig ar NADES yn unol ag API 13B-1 a chymharwyd eu perfformiad â hylifau drilio seiliedig ar botasiwm clorid, hylifau ïonig seiliedig ar imidazoliwm, a hylifau drilio seiliedig ar glorid colin:wrea-DES. Disgrifir priodweddau ffisegemegol y NADESau perchnogol yn fanwl. Gwerthuswyd y priodweddau rheolegol, colli hylif, a phriodweddau atal siâl yr hylif drilio yn ystod yr astudiaeth, a dangoswyd, ar grynodiad o 3% o NADESau, fod y gymhareb straen cynnyrch/gludedd plastig (YP/PV) wedi cynyddu, bod trwch y gacen fwd wedi'i leihau 26%, a bod cyfaint yr hidlydd wedi'i leihau 30.1%. Yn nodedig, cyflawnodd NADES gyfradd atal ehangu drawiadol o 49.14% a chynyddodd gynhyrchiad siâl 86.36%. Priodolir y canlyniadau hyn i allu NADES i addasu gweithgaredd arwyneb, potensial zeta, a bylchau rhynghaenau clai, a drafodir yn y papur hwn i ddeall y mecanweithiau sylfaenol. Disgwylir i'r hylif drilio cynaliadwy hwn chwyldroi'r diwydiant drilio trwy ddarparu dewis arall nad yw'n wenwynig, yn gost-effeithiol, ac yn hynod effeithiol yn lle atalyddion cyrydiad siâl traddodiadol, gan baratoi'r ffordd ar gyfer arferion drilio sy'n gyfeillgar i'r amgylchedd.
Mae siâl yn graig amlbwrpas sy'n gwasanaethu fel ffynhonnell a chronfa hydrocarbonau, ac mae ei strwythur mandyllog1 yn darparu'r potensial ar gyfer cynhyrchu a storio'r adnoddau gwerthfawr hyn. Fodd bynnag, mae siâl yn gyfoethog mewn mwynau clai fel montmorillonit, smectit, kaolinit ac illit, sy'n ei wneud yn dueddol o chwyddo pan fydd yn agored i ddŵr, gan arwain at ansefydlogrwydd twll ffynnon yn ystod gweithrediadau drilio2,3. Gall y problemau hyn arwain at amser anghynhyrchiol (NPT) a llu o broblemau gweithredol gan gynnwys pibellau wedi'u glynu, cylchrediad mwd coll, cwymp twll ffynnon a baeddu bitiau, gan gynyddu amser a chost adfer. Yn draddodiadol, hylifau drilio sy'n seiliedig ar olew (OBDF) fu'r dewis a ffefrir ar gyfer ffurfiannau siâl oherwydd eu gallu i wrthsefyll ehangu siâl4. Fodd bynnag, mae defnyddio hylifau drilio sy'n seiliedig ar olew yn golygu costau uwch a risgiau amgylcheddol. Ystyriwyd hylifau drilio sy'n seiliedig ar synthetig (SBDF) fel dewis arall, ond mae eu haddasrwydd ar dymheredd uchel yn anfoddhaol. Mae hylifau drilio sy'n seiliedig ar ddŵr (WBDF) yn ateb deniadol oherwydd eu bod yn fwy diogel, yn fwy cyfeillgar i'r amgylchedd, ac yn fwy cost-effeithiol nag OBDF5. Defnyddiwyd amrywiol atalyddion siâl i wella gallu atal siâl WBDF, gan gynnwys atalyddion traddodiadol fel potasiwm clorid, calch, silicad, a polymer. Fodd bynnag, mae gan yr atalyddion hyn gyfyngiadau o ran effeithiolrwydd ac effaith amgylcheddol, yn enwedig oherwydd y crynodiad K+ uchel mewn atalyddion potasiwm clorid a sensitifrwydd pH silicadau. 6 Mae ymchwilwyr wedi archwilio'r posibilrwydd o ddefnyddio hylifau ïonig fel ychwanegion hylif drilio i wella rheoleg hylif drilio ac atal chwyddo siâl a ffurfio hydrad. Fodd bynnag, mae'r hylifau ïonig hyn, yn enwedig y rhai sy'n cynnwys cationau imidazolyl, yn gyffredinol yn wenwynig, yn ddrud, yn anfioddiraddadwy, ac mae angen prosesau paratoi cymhleth arnynt. I ddatrys y problemau hyn, dechreuodd pobl chwilio am ddewis arall mwy economaidd ac ecogyfeillgar, a arweiniodd at ymddangosiad toddyddion ewtectig dwfn (DES). Mae DES yn gymysgedd ewtectig a ffurfir gan roddwr bond hydrogen (HBD) a derbynnydd bond hydrogen (HBA) ar gymhareb molar a thymheredd penodol. Mae gan y cymysgeddau ewtectig hyn bwyntiau toddi is na'u cydrannau unigol, yn bennaf oherwydd dadleoliad gwefr a achosir gan fondiau hydrogen. Mae llawer o ffactorau, gan gynnwys egni dellt, newid entropi, a rhyngweithiadau rhwng anionau a HBD, yn chwarae rhan allweddol wrth ostwng pwynt toddi DES.
Mewn astudiaethau blaenorol, ychwanegwyd amrywiol ychwanegion at hylif drilio sy'n seiliedig ar ddŵr i ddatrys y broblem ehangu siâl. Er enghraifft, ychwanegodd Ofei et al. glorid 1-bwtyl-3-methylimidazolium (BMIM-Cl), a leihaodd drwch y gacen mwd yn sylweddol (hyd at 50%) a gostyngodd y gwerth YP/PV o 11 ar dymheredd gwahanol. Defnyddiodd Huang et al. hylifau ïonig (yn benodol, bromid 1-hexyl-3-methylimidazolium a bromid 1,2-bis(3-hexylimidazol-1-yl)ethane) mewn cyfuniad â gronynnau Na-Bt a lleihau chwydd y siâl yn sylweddol o 86.43% a 94.17%, yn y drefn honno12. Yn ogystal, defnyddiodd Yang et al. bromid 1-finyl-3-dodecylimidazolium a bromid 1-finyl-3-tetradecylimidazolium i leihau chwydd siâl o 16.91% a 5.81%, yn y drefn honno. 13 Defnyddiodd Yang et al. hefyd 1-finyl-3-ethylimidazolium bromide a lleihau ehangu siâl 31.62% gan gynnal adferiad siâl ar 40.60%. 14 Yn ogystal, defnyddiodd Luo et al. 1-octyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate i leihau chwyddo siâl 80%. 15, 16 Defnyddiodd Dai et al. gopolymerau hylif ïonig i atal siâl a chyflawni cynnydd o 18% mewn adferiad llinol o'i gymharu ag atalyddion amin. 17
Mae gan hylifau ïonig rai anfanteision eu hunain, a ysgogodd gwyddonwyr i chwilio am ddewisiadau amgen mwy cyfeillgar i'r amgylchedd yn lle hylifau ïonig, ac felly ganwyd DES. Hanjia oedd y cyntaf i ddefnyddio toddyddion ewtectig dwfn (DES) yn cynnwys asid propionig finyl clorid (1:1), asid 3-ffenylpropionig finyl clorid (1:2), ac asid 3-mercaptopropionig + asid itaconig + clorid finyl (1:1:2), a ataliodd chwyddo bentonit 68%, 58%, a 58%, yn y drefn honno18. Mewn arbrawf rhydd, defnyddiodd MH Rasul gymhareb 2:1 o glyserol a photasiwm carbonad (DES) a lleihau chwydd samplau siâl yn sylweddol 87%19,20. Defnyddiodd Ma wrea:finyl clorid i leihau ehangu siâl yn sylweddol 67%.21 Rasul et al. Defnyddiwyd y cyfuniad o DES a polymer fel atalydd siâl deuol-weithred, a gyflawnodd effaith atal siâl ragorol22.
Er bod toddyddion ewtectig dwfn (DES) yn cael eu hystyried yn gyffredinol yn ddewis arall mwy gwyrdd i hylifau ïonig, maent hefyd yn cynnwys cydrannau a allai fod yn wenwynig fel halwynau amoniwm, sy'n gwneud eu cyfeillgarwch ecogyfeillgar yn amheus. Mae'r broblem hon wedi arwain at ddatblygu toddyddion ewtectig dwfn naturiol (NADES). Maent yn dal i gael eu dosbarthu fel DES, ond maent yn cynnwys sylweddau a halwynau naturiol, gan gynnwys clorid potasiwm (KCl), clorid calsiwm (CaCl2), halwynau Epsom (MgSO4.7H2O), ac eraill. Mae'r cyfuniadau posibl niferus o DES a NADES yn agor cwmpas eang ar gyfer ymchwil yn y maes hwn a disgwylir iddynt ddod o hyd i gymwysiadau mewn amrywiaeth o feysydd. Mae sawl ymchwilydd wedi datblygu cyfuniadau DES newydd yn llwyddiannus sydd wedi profi'n effeithiol mewn amrywiaeth o gymwysiadau. Er enghraifft, syntheseiddiodd Naser et al. 2013 DES yn seiliedig ar botasiwm carbonad ac astudiodd ei briodweddau thermoffisegol, a ganfu gymwysiadau wedyn ym meysydd atal hydrad, ychwanegion hylif drilio, dadligniad, a nanoffibriliad. 23 Datblygodd Jordy Kim a chydweithwyr NADES yn seiliedig ar asid asgorbig a gwerthuso ei briodweddau gwrthocsidiol mewn amrywiol gymwysiadau. 24 Datblygodd Christer et al. NADES yn seiliedig ar asid citrig a nododd ei botensial fel esgyrn ar gyfer cynhyrchion colagen. 25 Crynhodd Liu Yi a chydweithwyr gymwysiadau NADES fel cyfryngau echdynnu a chromatograffaeth mewn adolygiad cynhwysfawr, tra trafododd Misan et al. gymwysiadau llwyddiannus NADES yn y sector bwyd-amaeth. Mae'n hanfodol bod ymchwilwyr hylif drilio yn dechrau rhoi sylw i effeithiolrwydd NADES yn eu cymwysiadau diweddar. Yn 2023, defnyddiodd Rasul et al. wahanol gyfuniadau o doddyddion ewtectig dwfn naturiol yn seiliedig ar asid asgorbig26, calsiwm clorid27, potasiwm clorid28 a halen Epsom29 a chyflawnodd ataliad siâl ac adferiad siâl trawiadol. Mae'r astudiaeth hon yn un o'r astudiaethau cyntaf i gyflwyno NADES (yn enwedig fformiwleiddiad yn seiliedig ar asid citrig a glyserol) fel atalydd siâl sy'n gyfeillgar i'r amgylchedd ac yn effeithiol mewn hylifau drilio sy'n seiliedig ar ddŵr, sy'n cynnwys sefydlogrwydd amgylcheddol rhagorol, gallu atal siâl gwell a pherfformiad hylif gwell o'i gymharu ag atalyddion traddodiadol fel KCl, hylifau ïonig yn seiliedig ar imidazolyl a DES traddodiadol.
Bydd yr astudiaeth yn cynnwys paratoi NADES yn fewnol sy'n seiliedig ar asid citrig (CA) ac yna nodweddu ffisiogemegol manwl a'i ddefnydd fel ychwanegyn hylif drilio i werthuso priodweddau'r hylif drilio a'i allu i atal chwyddo. Yn yr astudiaeth hon, bydd CA yn gweithredu fel derbynnydd bond hydrogen tra bydd glyserol (Gly) yn gweithredu fel rhoddwr bond hydrogen a ddewisir yn seiliedig ar y meini prawf sgrinio MH ar gyfer ffurfio/dewis NADES mewn astudiaethau atal siâl30. Bydd mesuriadau sbectrosgopeg is-goch trawsnewid Fourier (FTIR), diffractiad pelydr-X (XRD) a photensial zeta (ZP) yn egluro'r rhyngweithiadau NADES-clai a'r mecanwaith sy'n sail i'r ataliad chwyddo clai. Yn ogystal, bydd yr astudiaeth hon yn cymharu hylif drilio sy'n seiliedig ar CA NADES â DES32 sy'n seiliedig ar 1-ethyl-3-methylimidazolium clorid [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl a choline clorid:wrea (1:2) i ymchwilio i'w heffeithiolrwydd wrth atal siâl a gwella perfformiad hylif drilio.
Prynwyd asid citrig (monohydrad), glyserol (99 USP), ac wrea gan EvaChem, Kuala Lumpur, Malaysia. Prynwyd clorid colin (>98%), [EMIM]Cl 98%, a chlorid potasiwm gan Sigma Aldrich, Malaysia. Dangosir strwythurau cemegol yr holl gemegau yn Ffigur 1. Mae'r diagram gwyrdd yn cymharu'r prif gemegau a ddefnyddiwyd yn yr astudiaeth hon: hylif ïonig imidazolyl, clorid colin (DES), asid citrig, glyserol, clorid potasiwm, a NADES (asid citrig a glyserol). Cyflwynir y tabl ecogyfeillgarwch o'r cemegau a ddefnyddiwyd yn yr astudiaeth hon yn Nhabl 1. Yn y tabl, mae pob cemegyn wedi'i raddio yn seiliedig ar wenwyndra, bioddiraddadwyedd, cost, a chynaliadwyedd amgylcheddol.
Strwythurau cemegol y deunyddiau a ddefnyddiwyd yn yr astudiaeth hon: (a) asid citrig, (b) [EMIM]Cl, (c) clorid colin, a (d) glyserol.
Dewiswyd ymgeiswyr rhoddwr bond hydrogen (HBD) a derbynnydd bond hydrogen (HBA) ar gyfer datblygu NADES sy'n seiliedig ar CA (doddydd ewtectig dwfn naturiol) yn ofalus yn ôl meini prawf dethol MH 30, a fwriadwyd ar gyfer datblygu NADES fel atalyddion siâl effeithiol. Yn ôl y maen prawf hwn, ystyrir bod cydrannau â nifer fawr o roddwyr a derbynyddion bond hydrogen yn ogystal â grwpiau swyddogaethol pegynol yn addas ar gyfer datblygu NADES.
Yn ogystal, dewiswyd yr hylif ïonig [EMIM]Cl a thoddydd ewtectig dwfn clorid colin:wrea (DES) i'w cymharu yn yr astudiaeth hon oherwydd eu bod yn cael eu defnyddio'n helaeth fel ychwanegion hylif drilio33,34,35,36. Yn ogystal, cymharwyd potasiwm clorid (KCl) oherwydd ei fod yn atalydd cyffredin.
Cymysgwyd asid citrig a glyserol mewn gwahanol gymhareb molar i gael cymysgeddau ewtectig. Dangosodd archwiliad gweledol fod y cymysgedd ewtectig yn hylif homogenaidd, tryloyw heb gymylogrwydd, sy'n dangos bod y rhoddwr bond hydrogen (HBD) a'r derbynnydd bond hydrogen (HBA) wedi'u cymysgu'n llwyddiannus yn y cyfansoddiad ewtectig hwn. Cynhaliwyd arbrofion rhagarweiniol i arsylwi ymddygiad tymheredd-ddibynnol y broses gymysgu o HBD a HBA. Yn ôl y llenyddiaeth sydd ar gael, gwerthuswyd cyfran y cymysgeddau ewtectig ar dri thymheredd penodol uwchlaw 50 °C, 70 °C a 100 °C, sy'n dangos bod y tymheredd ewtectig fel arfer yn yr ystod o 50–80 °C. Defnyddiwyd cydbwysedd digidol Mettler i bwyso a mesur cydrannau HBD a HBA yn gywir, a defnyddiwyd plât poeth Thermo Fisher i gynhesu a chymysgu'r HBD a'r HBA ar 100 rpm o dan amodau rheoledig.
Mesurwyd priodweddau thermoffisegol ein toddydd ewtectig dwfn (DES) syntheseiddiedig, gan gynnwys dwysedd, tensiwn arwyneb, mynegai plygiannol, a gludedd, yn gywir dros ystod tymheredd o 289.15 i 333.15 K. Dylid nodi bod yr ystod tymheredd hon wedi'i dewis yn bennaf oherwydd cyfyngiadau'r offer presennol. Roedd y dadansoddiad cynhwysfawr yn cynnwys astudiaeth fanwl o wahanol briodweddau thermoffisegol y fformiwleiddiad NADES hwn, gan ddatgelu eu hymddygiad dros ystod o dymheredd. Mae canolbwyntio ar yr ystod tymheredd benodol hon yn rhoi cipolwg ar briodweddau NADES sydd o bwys arbennig ar gyfer nifer o gymwysiadau.
Mesurwyd tensiwn arwyneb NADES fel y'i paratowyd yn yr ystod o 289.15 i 333.15 K gan ddefnyddio mesurydd tensiwn rhyngwynebol (IFT700). Mae diferion NADES yn cael eu ffurfio mewn siambr sy'n llawn cyfaint mawr o hylif gan ddefnyddio nodwydd capilar o dan amodau tymheredd a phwysau penodol. Mae systemau delweddu modern yn cyflwyno paramedrau geometrig priodol i gyfrifo'r tensiwn rhyngwynebol gan ddefnyddio hafaliad Laplace.
Defnyddiwyd refractomedr ATAGO i bennu mynegai plygiannol NADES newydd ei baratoi dros yr ystod tymheredd o 289.15 i 333.15 K. Mae'r offeryn yn defnyddio modiwl thermol i reoleiddio'r tymheredd i amcangyfrif graddfa plygiant golau, gan ddileu'r angen am faddon dŵr tymheredd cyson. Dylid glanhau wyneb prism y refractomedr a dylid dosbarthu'r toddiant sampl yn gyfartal drosto. Calibradu gyda thoddiant safonol hysbys, ac yna darllen y mynegai plygiannol o'r sgrin.
Mesurwyd gludedd NADES fel y'i paratowyd dros yr ystod tymheredd o 289.15 i 333.15 K gan ddefnyddio fiscomedr cylchdro Brookfield (math cryogenig) ar gyfradd cneifio o 30 rpm a maint y werthyd o 6. Mae'r fiscomedr yn mesur gludedd trwy bennu'r trorym sydd ei angen i gylchdroi'r werthyd ar gyflymder cyson mewn sampl hylif. Ar ôl i'r sampl gael ei gosod ar y sgrin o dan y werthyd a'i dynhau, mae'r fiscomedr yn arddangos y gludedd mewn centipoise (cP), gan ddarparu gwybodaeth werthfawr am briodweddau rheolegol yr hylif.
Defnyddiwyd mesurydd dwysedd cludadwy DMA 35 Basic i bennu dwysedd toddydd ewtectig dwfn naturiol (NDEES) newydd ei baratoi yn yr ystod tymheredd o 289.15–333.15 K. Gan nad oes gan y ddyfais wresogydd adeiledig, rhaid ei chynhesu ymlaen llaw i'r tymheredd penodedig (± 2 °C) cyn defnyddio'r mesurydd dwysedd NADES. Tynnwch o leiaf 2 ml o sampl drwy'r tiwb, a bydd y dwysedd yn cael ei arddangos ar unwaith ar y sgrin. Mae'n werth nodi, oherwydd diffyg gwresogydd adeiledig, bod gan y canlyniadau mesur gwall o ± 2 °C.
I werthuso pH NADES newydd ei baratoi yn yr ystod tymheredd o 289.15–333.15 K, fe wnaethom ddefnyddio mesurydd pH benchtop Kenis. Gan nad oes dyfais wresogi adeiledig, cafodd NADES ei gynhesu yn gyntaf i'r tymheredd a ddymunir (±2 °C) gan ddefnyddio plât poeth ac yna ei fesur yn uniongyrchol gyda mesurydd pH. Trochwch stiliwr y mesurydd pH yn llwyr yn NADES a chofnodwch y gwerth terfynol ar ôl i'r darlleniad sefydlogi.
Defnyddiwyd dadansoddiad thermogravimetrig (TGA) i werthuso sefydlogrwydd thermol toddyddion ewtectig dwfn naturiol (NADES). Dadansoddwyd samplau yn ystod gwresogi. Gan ddefnyddio cydbwysedd manwl iawn a monitro'r broses wresogi yn ofalus, cynhyrchwyd plot o golled màs yn erbyn tymheredd. Gwresogwyd NADES o 0 i 500 °C ar gyfradd o 1 °C y funud.
I ddechrau'r broses, rhaid cymysgu'r sampl NADES yn drylwyr, ei homogeneiddio, a chael gwared ar leithder arwyneb. Yna rhoddir y sampl wedi'i baratoi mewn ciwfed TGA, sydd fel arfer wedi'i wneud o ddeunydd anadweithiol fel alwminiwm. Er mwyn sicrhau canlyniadau cywir, caiff offerynnau TGA eu calibro gan ddefnyddio deunyddiau cyfeirio, sef safonau pwysau fel arfer. Ar ôl ei galibro, mae'r arbrawf TGA yn dechrau a chaiff y sampl ei gynhesu mewn modd rheoledig, fel arfer ar gyfradd gyson. Mae monitro parhaus y berthynas rhwng pwysau'r sampl a'r tymheredd yn rhan allweddol o'r arbrawf. Mae offerynnau TGA yn casglu data ar dymheredd, pwysau, a pharamedrau eraill fel llif nwy neu dymheredd y sampl. Ar ôl i'r arbrawf TGA gael ei gwblhau, dadansoddir y data a gasglwyd i bennu'r newid ym mhwysau'r sampl fel swyddogaeth o dymheredd. Mae'r wybodaeth hon yn werthfawr wrth bennu ystodau tymheredd sy'n gysylltiedig â newidiadau ffisegol a chemegol yn y sampl, gan gynnwys prosesau fel toddi, anweddu, ocsideiddio, neu ddadelfennu.
Cafodd yr hylif drilio sy'n seiliedig ar ddŵr ei lunio'n ofalus yn unol â safon API 13B-1, a rhestrir ei gyfansoddiad penodol yn Nhabl 2 i gyfeirio ato. Prynwyd asid citrig a glyserol (99 USP) gan Sigma Aldrich, Malaysia i baratoi'r toddydd ewtectig dwfn naturiol (NADES). Yn ogystal, prynwyd yr atalydd siâl confensiynol potasiwm clorid (KCl) gan Sigma Aldrich, Malaysia hefyd. Dewiswyd 1-ethyl, 3-methylimidazolium clorid ([EMIM]Cl) gyda phurdeb o fwy na 98% oherwydd ei effaith sylweddol wrth wella rheoleg hylif drilio ac ataliad siâl, a gadarnhawyd mewn astudiaethau blaenorol. Bydd KCl a ([EMIM]Cl) ill dau yn cael eu defnyddio yn y dadansoddiad cymharol i werthuso perfformiad ataliad siâl NADES.
Mae llawer o ymchwilwyr yn well ganddynt ddefnyddio naddion bentonit i astudio chwydd siâl oherwydd bod bentonit yn cynnwys yr un grŵp “montmorillonit” sy'n achosi chwydd siâl. Mae cael samplau craidd siâl go iawn yn heriol oherwydd bod y broses greiddio yn dadsefydlogi'r siâl, gan arwain at samplau nad ydynt yn gyfan gwbl o siâl ond sydd fel arfer yn cynnwys cymysgedd o haenau tywodfaen a chalchfaen. Yn ogystal, mae samplau siâl fel arfer yn brin o'r grwpiau montmorillonit sy'n achosi chwydd siâl ac felly maent yn anaddas ar gyfer arbrofion atal chwydd.
Yn yr astudiaeth hon, defnyddiwyd gronynnau bentonit wedi'u hailgyfansoddi gyda diamedr o tua 2.54 cm. Gwnaed y gronynnau trwy wasgu 11.5 gram o bowdr bentonit sodiwm mewn gwasg hydrolig ar 1600 psi. Mesurwyd trwch y gronynnau yn gywir cyn eu rhoi mewn dilatometer llinol (LD). Yna trochwyd y gronynnau mewn samplau hylif drilio, gan gynnwys samplau sylfaen a samplau wedi'u chwistrellu ag atalyddion a ddefnyddir i atal chwyddo siâl. Yna monitrwyd y newid yn nhrwch y gronynnau yn ofalus gan ddefnyddio'r LD, gyda mesuriadau'n cael eu cofnodi ar gyfnodau o 60 eiliad am 24 awr.
Dangosodd diffractiad pelydr-X fod cyfansoddiad bentonit, yn enwedig ei gydran montmorillonit o 47%, yn ffactor allweddol wrth ddeall ei nodweddion daearegol. Ymhlith cydrannau montmorillonit bentonit, montmorillonit yw'r prif gydran, gan gyfrif am 88.6% o gyfanswm y cydrannau. Yn y cyfamser, mae cwarts yn cyfrif am 29%, illit am 7%, a charbonad am 9%. Mae rhan fach (tua 3.2%) yn gymysgedd o illit a montmorillonit. Yn ogystal, mae'n cynnwys elfennau hybrin fel Fe2O3 (4.7%), alwminosilicad arian (1.2%), muscovite (4%), a ffosffad (2.3%). Yn ogystal, mae symiau bach o Na2O (1.83%) a silicad haearn (2.17%) yn bresennol, sy'n ei gwneud hi'n bosibl gwerthfawrogi elfennau cyfansoddol bentonit a'u cyfrannau priodol yn llawn.
Mae'r adran astudiaeth gynhwysfawr hon yn manylu ar briodweddau rheolegol a hidlo samplau hylif drilio a baratowyd gan ddefnyddio toddydd ewtectig dwfn naturiol (NADES) ac a ddefnyddir fel ychwanegyn hylif drilio ar wahanol grynodiadau (1%, 3% a 5%). Yna cymharwyd a dadansoddwyd y samplau slyri yn seiliedig ar NADES â samplau slyri yn cynnwys potasiwm clorid (KCl), CC:wrea DES (todydd ewtectig dwfn clorid colin:wrea) a hylifau ïonig. Ymdriniwyd â nifer o baramedrau allweddol yn yr astudiaeth hon gan gynnwys darlleniadau gludedd a gafwyd gan ddefnyddio fiscomedr FANN cyn ac ar ôl dod i gysylltiad ag amodau heneiddio ar 100°C a 150°C. Cymerwyd mesuriadau ar wahanol gyflymderau cylchdro (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm a 600 rpm) gan ganiatáu dadansoddiad cynhwysfawr o ymddygiad yr hylif drilio. Yna gellir defnyddio'r data a gafwyd i bennu priodweddau allweddol fel pwynt cynnyrch (YP) a gludedd plastig (PV), sy'n rhoi cipolwg ar berfformiad yr hylif o dan wahanol amodau. Mae profion hidlo tymheredd uchel pwysedd uchel (HPHT) ar 400 psi a 150°C (tymheredd nodweddiadol mewn ffynhonnau tymheredd uchel) yn pennu'r perfformiad hidlo (trwch y gacen a chyfaint yr hidliad).
Mae'r adran hon yn defnyddio offer o'r radd flaenaf, y Grace HPHT Linear Dilatometer (M4600), i werthuso priodweddau atal chwyddo siâl ein hylifau drilio sy'n seiliedig ar ddŵr yn drylwyr. Mae'r LSM yn beiriant o'r radd flaenaf sy'n cynnwys dau gydran: cywasgydd plât a dilatometer llinol (model: M4600). Paratowyd platiau bentonit i'w dadansoddi gan ddefnyddio'r Grace Core/Plate Compactor. Yna mae'r LSM yn darparu data chwyddo ar unwaith ar y platiau hyn, gan ganiatáu gwerthusiad cynhwysfawr o briodweddau atal chwyddo'r siâl. Cynhaliwyd profion ehangu siâl o dan amodau amgylchynol, h.y., 25°C ac 1 psia.
Mae profi sefydlogrwydd siâl yn cynnwys prawf allweddol a elwir yn aml yn brawf adfer siâl, prawf trochi siâl neu brawf gwasgariad siâl. I ddechrau'r gwerthusiad hwn, caiff toriadau siâl eu gwahanu ar sgrin BSS #6 ac yna eu rhoi ar sgrin #10. Yna caiff y toriadau eu bwydo i danc dal lle cânt eu cymysgu â hylif sylfaen a mwd drilio sy'n cynnwys NADES (Toddydd Ewtectig Dwfn Naturiol). Y cam nesaf yw rhoi'r cymysgedd mewn popty ar gyfer proses rholio poeth ddwys, gan sicrhau bod y toriadau a'r mwd wedi'u cymysgu'n drylwyr. Ar ôl 16 awr, caiff y toriadau eu tynnu o'r mwydion trwy ganiatáu i'r siâl ddadelfennu, gan arwain at ostyngiad ym mhwysau'r toriadau. Cynhaliwyd y prawf adfer siâl ar ôl i'r toriadau siâl gael eu dal mewn mwd drilio ar 150°C a 1000 psi. modfedd o fewn 24 awr.
I fesur adferiad y mwd siâl, fe wnaethom ei hidlo trwy sgrin fwy mân (40 rhwyll), yna ei olchi'n drylwyr â dŵr, ac yn olaf ei sychu mewn popty. Mae'r weithdrefn fanwl hon yn caniatáu inni amcangyfrif y mwd a adferwyd o'i gymharu â'r pwysau gwreiddiol, gan gyfrifo canran y mwd siâl a adferwyd yn llwyddiannus yn y pen draw. Daw ffynhonnell y samplau siâl o Ardal Niah, Ardal Miri, Sarawak, Malaysia. Cyn y profion gwasgariad ac adferiad, cafodd y samplau siâl eu dadansoddi diffractiad pelydr-X (XRD) trylwyr i fesur eu cyfansoddiad clai a chadarnhau eu haddasrwydd ar gyfer profi. Dyma gyfansoddiad mwynau clai'r sampl: illit 18%, kaolinit 31%, clorit 22%, fermiculit 10%, a mica 19%.
Mae tensiwn arwyneb yn ffactor allweddol sy'n rheoli treiddiad cationau dŵr i ficrofandyllau siâl trwy weithred capilarïaidd, a fydd yn cael ei astudio'n fanwl yn yr adran hon. Mae'r papur hwn yn archwilio rôl tensiwn arwyneb ym mhriodwedd cydlynol hylifau drilio, gan dynnu sylw at ei ddylanwad pwysig ar y broses drilio, yn enwedig ataliad siâl. Defnyddiwyd tensiomedr rhyngwynebol (IFT700) i fesur tensiwn arwyneb samplau hylif drilio yn gywir, gan ddatgelu agwedd bwysig ar ymddygiad hylif yng nghyd-destun ataliad siâl.
Mae'r adran hon yn trafod yn fanwl y bylchau rhwng yr haenau-d, sef y pellter rhwng yr haenau alwminosilicad ac un haen alwminosilicad mewn clai. Roedd y dadansoddiad yn cwmpasu samplau mwd gwlyb yn cynnwys 1%, 3% a 5% CA NADES, yn ogystal â 3% KCl, 3% [EMIM]Cl a 3% DES wedi'i seilio ar CC:wrea i'w cymharu. Chwaraeodd diffractomedr pelydr-X benchtop (D2 Phaser) o'r radd flaenaf yn gweithredu ar 40 mA a 45 kV gydag ymbelydredd Cu-Kα (λ = 1.54059 Å) rôl hanfodol wrth gofnodi copaon diffracsiwn pelydr-X samplau Na-Bt gwlyb a sych. Mae cymhwyso hafaliad Bragg yn galluogi pennu'r bylchau rhwng yr haenau-d yn gywir, a thrwy hynny ddarparu gwybodaeth werthfawr am ymddygiad y clai.
Mae'r adran hon yn defnyddio'r offeryn Malvern Zetasizer Nano ZSP uwch i fesur potensial zeta yn gywir. Darparodd y gwerthusiad hwn wybodaeth werthfawr am nodweddion gwefr samplau mwd gwanedig sy'n cynnwys 1%, 3%, a 5% CA NADES, yn ogystal â 3% KCl, 3% [EMIM]Cl, a 3% CC: DES wedi'i seilio ar wrea ar gyfer dadansoddiad cymharol. Mae'r canlyniadau hyn yn cyfrannu at ein dealltwriaeth o sefydlogrwydd cyfansoddion coloidaidd a'u rhyngweithiadau mewn hylifau.
Archwiliwyd y samplau clai cyn ac ar ôl dod i gysylltiad â thoddydd ewtectig dwfn naturiol (NADES) gan ddefnyddio microsgop electron sganio allyriadau maes Zeiss Supra 55 VP (FESEM) wedi'i gyfarparu â phelydr-X gwasgarol ynni (EDX). Roedd y datrysiad delweddu yn 500 nm ac roedd ynni'r trawst electron yn 30 kV a 50 kV. Mae FESEM yn darparu delweddu cydraniad uchel o forffoleg arwyneb a nodweddion strwythurol y samplau clai. Amcan yr astudiaeth hon oedd cael gwybodaeth am effaith NADES ar y samplau clai trwy gymharu'r delweddau a gafwyd cyn ac ar ôl dod i gysylltiad.
Yn yr astudiaeth hon, defnyddiwyd technoleg microsgopeg sganio electronau allyriadau maes (FESEM) i ymchwilio i effaith NADES ar samplau clai ar y lefel microsgopig. Nod yr astudiaeth hon yw egluro cymwysiadau posibl NADES a'i effaith ar forffoleg clai a maint gronynnau cyfartalog, a fydd yn darparu gwybodaeth werthfawr ar gyfer ymchwil yn y maes hwn.
Yn yr astudiaeth hon, defnyddiwyd bariau gwall i ddisgrifio'n weledol amrywioldeb ac ansicrwydd y canran gwall gymedrig (AMPE) ar draws amodau arbrofol. Yn hytrach na phlotio gwerthoedd AMPE unigol (gan y gall plotio gwerthoedd AMPE guddio tueddiadau a gorliwio amrywiadau bach), rydym yn cyfrifo bariau gwall gan ddefnyddio'r rheol 5%. Mae'r dull hwn yn sicrhau bod pob bar gwall yn cynrychioli'r cyfwng y disgwylir i'r cyfwng hyder 95% a 100% o'r gwerthoedd AMPE ddisgyn ynddo, a thrwy hynny'n darparu crynodeb cliriach a mwy cryno o ddosbarthiad y data ar gyfer pob cyflwr arbrofol. Felly mae defnyddio bariau gwall yn seiliedig ar y rheol 5% yn gwella dehongliadwyedd a dibynadwyedd cynrychioliadau graffigol ac yn helpu i ddarparu dealltwriaeth fanylach o'r canlyniadau a'u goblygiadau.
Wrth synthesis toddyddion ewtectig dwfn naturiol (NADES), astudiwyd sawl paramedr allweddol yn ofalus yn ystod y broses baratoi fewnol. Mae'r ffactorau hanfodol hyn yn cynnwys tymheredd, cymhareb molar, a chyflymder cymysgu. Mae ein harbrofion yn dangos pan gymysgir HBA (asid citrig) a HBD (glyserol) ar gymhareb molar o 1:4 ar 50°C, bod cymysgedd ewtectig yn cael ei ffurfio. Nodwedd wahaniaethol y cymysgedd ewtectig yw ei ymddangosiad tryloyw, homogenaidd, a'r absenoldeb gwaddod. Felly, mae'r cam allweddol hwn yn tynnu sylw at bwysigrwydd cymhareb molar, tymheredd, a chyflymder cymysgu, ac ymhlith y rhain y gymhareb molar oedd y ffactor mwyaf dylanwadol wrth baratoi DES a NADES, fel y dangosir yn Ffigur 2.
Mae'r mynegai plygiannol (n) yn mynegi'r gymhareb rhwng cyflymder golau mewn gwactod a chyflymder golau mewn ail gyfrwng, mwy dwys. Mae'r mynegai plygiannol o ddiddordeb arbennig ar gyfer toddyddion ewtectig dwfn naturiol (NADES) wrth ystyried cymwysiadau sy'n sensitif yn optegol fel biosynwyryddion. Roedd mynegai plygiannol y NADES a astudiwyd ar 25 °C yn 1.452, sy'n ddiddorol is na mynegai glyserol.
Mae'n werth nodi bod mynegai plygiannol NADES yn lleihau gyda thymheredd, a gellir disgrifio'r duedd hon yn gywir gan fformiwla (1) a Ffigur 3, gyda'r gwall canrannol cymedrig absoliwt (AMPE) yn cyrraedd 0%. Eglurir yr ymddygiad tymheredd-ddibynnol hwn gan y gostyngiad mewn gludedd a dwysedd ar dymheredd uchel, gan achosi i'r golau deithio trwy'r cyfrwng ar gyflymder uwch, gan arwain at werth mynegai plygiannol (n) is. Mae'r canlyniadau hyn yn rhoi cipolwg gwerthfawr ar ddefnydd strategol NADES mewn synhwyro optegol, gan amlygu eu potensial ar gyfer cymwysiadau biosynhwyrydd.
Mae tensiwn arwyneb, sy'n adlewyrchu tuedd arwyneb hylif i leihau ei arwynebedd, o bwys mawr wrth asesu addasrwydd toddyddion ewtectig dwfn naturiol (NADES) ar gyfer cymwysiadau sy'n seiliedig ar bwysau capilarïau. Mae astudiaeth o densiwn arwyneb yn yr ystod tymheredd o 25–60 °C yn darparu gwybodaeth werthfawr. Ar 25 °C, roedd tensiwn arwyneb NADES sy'n seiliedig ar asid citrig yn 55.42 mN/m, sy'n sylweddol is na thensiwn dŵr a glyserol. Mae Ffigur 4 yn dangos bod y tensiwn arwyneb yn lleihau'n sylweddol wrth i'r tymheredd gynyddu. Gellir esbonio'r ffenomen hon gan gynnydd mewn egni cinetig moleciwlaidd a gostyngiad dilynol mewn grymoedd deniadol rhyngfoleciwlaidd.
Gellir mynegi'r duedd llinol sy'n gostwng mewn tensiwn arwyneb a welwyd yn y NADES a astudiwyd yn dda gan hafaliad (2), sy'n dangos y berthynas fathemategol sylfaenol yn yr ystod tymheredd o 25–60 °C. Mae'r graff yn Ffigur 4 yn dangos yn glir y duedd mewn tensiwn arwyneb gyda thymheredd gyda gwall canrannol cymedrig absoliwt (AMPE) o 1.4%, sy'n mesur cywirdeb y gwerthoedd tensiwn arwyneb a adroddwyd. Mae gan y canlyniadau hyn oblygiadau pwysig ar gyfer deall ymddygiad NADES a'i gymwysiadau posibl.
Mae deall dynameg dwysedd toddyddion ewtectig dwfn naturiol (NADES) yn hanfodol er mwyn hwyluso eu cymhwysiad mewn nifer o astudiaethau gwyddonol. Mae dwysedd NADES sy'n seiliedig ar asid citrig ar 25°C yn 1.361 g/cm3, sy'n uwch na dwysedd y glyserol gwreiddiol. Gellir esbonio'r gwahaniaeth hwn trwy ychwanegu derbynnydd bond hydrogen (asid citrig) at glyserol.
Gan gymryd NADES sy'n seiliedig ar sitrad fel enghraifft, mae ei ddwysedd yn gostwng i 1.19 g/cm3 ar 60°C. Mae'r cynnydd mewn egni cinetig wrth gynhesu yn achosi i'r moleciwlau NADES wasgaru, gan achosi iddynt feddiannu cyfaint mwy, gan arwain at ostyngiad mewn dwysedd. Mae'r gostyngiad a welwyd mewn dwysedd yn dangos cydberthynas linellol benodol â'r cynnydd mewn tymheredd, y gellir ei fynegi'n gywir gan fformiwla (3). Mae Ffigur 5 yn cyflwyno'r nodweddion hyn o'r newid dwysedd NADES yn graffigol gyda gwall canrannol cymedrig absoliwt (AMPE) o 1.12%, sy'n darparu mesur meintiol o gywirdeb y gwerthoedd dwysedd a adroddwyd.
Gludedd yw'r grym deniadol rhwng gwahanol haenau hylif mewn symudiad ac mae'n chwarae rhan allweddol wrth ddeall cymhwysedd toddyddion ewtectig dwfn naturiol (NADES) mewn amrywiol gymwysiadau. Ar 25 °C, roedd gludedd NADES yn 951 cP, sy'n uwch na gludedd glyserol.
Mae'r gostyngiad a welwyd mewn gludedd wrth i'r tymheredd gynyddu yn cael ei egluro'n bennaf gan wanhau grymoedd deniadol rhyngfoleciwlaidd. Mae'r ffenomen hon yn arwain at ostyngiad yng ngludedd yr hylif, tuedd a ddangosir yn glir yn Ffigur 6 ac a fesurir gan Hafaliad (4). Yn nodedig, ar 60°C, mae'r gludedd yn gostwng i 898 cP gyda gwall canrannol cymedrig cyffredinol (AMPE) o 1.4%. Mae dealltwriaeth fanwl o'r gludedd yn erbyn dibyniaeth tymheredd yn NADES o bwys mawr ar gyfer ei gymhwysiad ymarferol.
Mae pH y toddiant, a bennir gan logarithm negatif crynodiad yr ïon hydrogen, yn hanfodol, yn enwedig mewn cymwysiadau sy'n sensitif i pH fel synthesis DNA, felly rhaid astudio pH NADES yn ofalus cyn ei ddefnyddio. Gan gymryd NADES sy'n seiliedig ar asid citrig fel enghraifft, gellir gweld pH asidig amlwg o 1.91, sy'n groes i pH cymharol niwtral glyserol.
Yn ddiddorol, dangosodd pH y toddydd hydawdd naturiol mewn asid citrig dehydrogenase (NADES) duedd ostyngol anlinellol gyda thymheredd cynyddol. Priodolir y ffenomen hon i'r dirgryniadau moleciwlaidd cynyddol sy'n tarfu ar y cydbwysedd H+ yn y toddiant, gan arwain at ffurfio ïonau [H]+ ac, yn ei dro, newid yng ngwerth y pH. Er bod pH naturiol asid citrig yn amrywio o 3 i 5, mae presenoldeb hydrogen asidig mewn glyserol yn gostwng y pH ymhellach i 1.91.
Gellir cynrychioli ymddygiad pH NADES sy'n seiliedig ar sitrad yn yr ystod tymheredd o 25–60 °C yn briodol gan hafaliad (5), sy'n darparu mynegiant mathemategol ar gyfer y duedd pH a welwyd. Mae Ffigur 7 yn darlunio'r berthynas ddiddorol hon yn graffigol, gan amlygu effaith tymheredd ar pH NADES, a adroddir i fod yn 1.4% ar gyfer AMPE.
Cynhaliwyd dadansoddiad thermogravimetrig (TGA) o doddydd ewtectig dwfn asid citrig naturiol (NADES) yn systematig yn yr ystod tymheredd o dymheredd ystafell i 500 °C. Fel y gwelir o Ffigurau 8a a b, roedd y golled màs gychwynnol hyd at 100 °C yn bennaf oherwydd y dŵr a amsugnwyd a'r dŵr hydradu sy'n gysylltiedig ag asid citrig a glyserol pur. Gwelwyd cadw màs sylweddol o tua 88% hyd at 180 °C, a oedd yn bennaf oherwydd dadelfennu asid citrig i asid aconitig a ffurfio methylmaleic anhydrid (III) wedi hynny ar ôl gwresogi pellach (Ffigur 8 b). Uwchlaw 180 °C, gellid gweld ymddangosiad clir o acrolein (acrylaldehyde) mewn glyserol hefyd, fel y dangosir yn Ffigur 8b37.
Datgelodd dadansoddiad thermogravimetrig (TGA) o glyserol broses colli màs dwy gam. Mae'r cam cychwynnol (180 i 220 °C) yn cynnwys ffurfio acrolein, ac yna colli màs sylweddol ar dymheredd uchel o 230 i 300 °C (Ffigur 8a). Wrth i'r tymheredd gynyddu, mae asetaldehyd, carbon deuocsid, methan, a hydrogen yn cael eu ffurfio'n olynol. Yn nodedig, dim ond 28% o'r màs a gadwyd ar 300 °C, sy'n awgrymu y gallai priodweddau cynhenid ​​NADES 8(a)38,39 fod yn ddiffygiol.
Er mwyn cael gwybodaeth am ffurfio bondiau cemegol newydd, dadansoddwyd ataliadau ffres o doddyddion ewtectig dwfn naturiol (NADES) gan ddefnyddio sbectrosgopeg is-goch trawsnewid Fourier (FTIR). Perfformiwyd y dadansoddiad drwy gymharu sbectrwm yr ataliad NADES â sbectrwm asid citrig pur (CA) a glyserol (Gly). Dangosodd y sbectrwm CA bigau clir ar 1752 1/cm a 1673 1/cm, sy'n cynrychioli dirgryniadau ymestynnol y bond C=O ac sydd hefyd yn nodweddiadol o CA. Yn ogystal, gwelwyd newid sylweddol yn y dirgryniad plygu OH ar 1360 1/cm yn rhanbarth yr olion bysedd, fel y dangosir yn Ffigur 9.
Yn yr un modd, yn achos glyserol, canfuwyd y sifftiau mewn dirgryniadau ymestyn a phlygu OH ar donfeddi o 3291 1/cm a 1414 1/cm, yn y drefn honno. Nawr, trwy ddadansoddi sbectrwm NADES fel y'i paratowyd, canfuwyd sifftiad sylweddol yn y sbectrwm. Fel y dangosir yn Ffigur 7, symudodd dirgryniad ymestyn y bond C=O o 1752 1/cm i 1720 1/cm a symudodd dirgryniad plygu'r bond -OH o glyserol o 1414 1/cm i 1359 1/cm. Mae'r sifftiau hyn mewn tonfeddi yn dangos y newid mewn electronegatifedd, sy'n dangos ffurfio bondiau cemegol newydd yn strwythur NADES.