Σας ευχαριστούμε που επισκεφθήκατε το nature.com. Η έκδοση του προγράμματος περιήγησης που χρησιμοποιείτε έχει περιορισμένη υποστήριξη CSS. Για την καλύτερη δυνατή εμπειρία, συνιστούμε να χρησιμοποιήσετε την πιο πρόσφατη έκδοση του προγράμματος περιήγησης (ή να απενεργοποιήσετε τη λειτουργία συμβατότητας στον Internet Explorer). Επιπλέον, για να διασφαλιστεί η συνεχής υποστήριξη, αυτός ο ιστότοπος δεν θα περιλαμβάνει στυλ ή JavaScript.
Η διαστολή του σχιστολιθικού πετρώματος σε κλαστικές δεξαμενές δημιουργεί σημαντικά προβλήματα, οδηγώντας σε αστάθεια των γεωτρήσεων. Για περιβαλλοντικούς λόγους, η χρήση υγρού γεώτρησης με βάση το νερό με προσθήκη αναστολέων σχιστολιθικού πετρώματος προτιμάται έναντι του υγρού γεώτρησης με βάση το πετρέλαιο. Τα ιοντικά υγρά (ILs) έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή ως αναστολείς σχιστολιθικού πετρώματος λόγω των ρυθμιζόμενων ιδιοτήτων τους και των ισχυρών ηλεκτροστατικών χαρακτηριστικών τους. Ωστόσο, τα ιοντικά υγρά (ILs) με βάση το ιμιδαζολύλιο, που χρησιμοποιούνται ευρέως σε υγρά γεώτρησης, έχουν αποδειχθεί τοξικά, μη βιοδιασπώμενα και ακριβά. Οι βαθείς ευτηκτικοί διαλύτες (DES) θεωρούνται μια πιο οικονομική και λιγότερο τοξική εναλλακτική λύση σε σχέση με τα ιοντικά υγρά, αλλά εξακολουθούν να μην ανταποκρίνονται στην απαιτούμενη περιβαλλοντική βιωσιμότητα. Οι πρόσφατες εξελίξεις σε αυτόν τον τομέα έχουν οδηγήσει στην εισαγωγή φυσικών βαθέων ευτηκτικών διαλυτών (NADES), γνωστών για την πραγματική τους φιλικότητα προς το περιβάλλον. Αυτή η μελέτη διερεύνησε τα NADES, τα οποία περιέχουν κιτρικό οξύ (ως δέκτη δεσμού υδρογόνου) και γλυκερόλη (ως δότη δεσμού υδρογόνου) ως πρόσθετα υγρού γεώτρησης. Τα υγρά γεώτρησης με βάση το NADES αναπτύχθηκαν σύμφωνα με το API 13B-1 και η απόδοσή τους συγκρίθηκε με υγρά γεώτρησης με βάση το χλωριούχο κάλιο, ιοντικά υγρά με βάση το ιμιδαζόλιο και υγρά γεώτρησης με βάση το χλωριούχο χολίνη:ουρία-DES. Οι φυσικοχημικές ιδιότητες των ιδιόκτητων NADES περιγράφονται λεπτομερώς. Οι ρεολογικές ιδιότητες, η απώλεια υγρών και οι ιδιότητες αναστολής σχηματισμού σχιστόλιθου του υγρού γεώτρησης αξιολογήθηκαν κατά τη διάρκεια της μελέτης και αποδείχθηκε ότι σε συγκέντρωση 3% NADES, ο λόγος τάσης διαρροής/πλαστικού ιξώδους (YP/PV) αυξήθηκε, το πάχος του στρώματος λάσπης μειώθηκε κατά 26% και ο όγκος του διηθήματος μειώθηκε κατά 30,1%. Αξιοσημείωτα, το NADES πέτυχε εντυπωσιακό ρυθμό αναστολής διαστολής 49,14% και αύξησε την παραγωγή σχιστόλιθου κατά 86,36%. Αυτά τα αποτελέσματα αποδίδονται στην ικανότητα του NADES να τροποποιεί την επιφανειακή δραστηριότητα, το δυναμικό ζήτα και την απόσταση μεταξύ των στρωμάτων των αργίλων, τα οποία συζητούνται σε αυτή την εργασία για την κατανόηση των υποκείμενων μηχανισμών. Αυτό το βιώσιμο υγρό γεώτρησης αναμένεται να φέρει επανάσταση στη βιομηχανία γεώτρησης, παρέχοντας μια μη τοξική, οικονομικά αποδοτική και εξαιρετικά αποτελεσματική εναλλακτική λύση σε σχέση με τους παραδοσιακούς αναστολείς διάβρωσης σχιστολιθικού πετρώματος, ανοίγοντας το δρόμο για φιλικές προς το περιβάλλον πρακτικές γεώτρησης.
Ο σχιστόλιθος είναι ένα ευέλικτο πέτρωμα που χρησιμεύει τόσο ως πηγή όσο και ως δεξαμενή υδρογονανθράκων, και η πορώδης δομή του1 παρέχει τη δυνατότητα τόσο για την παραγωγή όσο και για την αποθήκευση αυτών των πολύτιμων πόρων. Ωστόσο, ο σχιστόλιθος είναι πλούσιος σε αργιλικά ορυκτά όπως ο μοντμοριλλονίτης, ο σμηκτίτης, ο καολινίτης και ο ιλλίτης, τα οποία τον καθιστούν επιρρεπή σε διόγκωση όταν εκτίθεται στο νερό, οδηγώντας σε αστάθεια του φρέατος κατά τη διάρκεια των εργασιών γεώτρησης2,3. Αυτά τα ζητήματα μπορούν να οδηγήσουν σε μη παραγωγικό χρόνο (NPT) και σε μια σειρά από λειτουργικά προβλήματα, όπως κολλημένους σωλήνες, απώλεια κυκλοφορίας λάσπης, κατάρρευση του φρέατος και ρύπανση των οπών, αυξάνοντας τον χρόνο και το κόστος αποκατάστασης. Παραδοσιακά, τα υγρά γεώτρησης με βάση το πετρέλαιο (OBDF) ήταν η προτιμώμενη επιλογή για σχηματισμούς σχιστόλιθου λόγω της ικανότητάς τους να αντιστέκονται στη διαστολή του σχιστόλιθου4. Ωστόσο, η χρήση υγρών γεώτρησης με βάση το πετρέλαιο συνεπάγεται υψηλότερο κόστος και περιβαλλοντικούς κινδύνους. Τα υγρά γεώτρησης με βάση τα συνθετικά (SBDF) έχουν εξεταστεί ως εναλλακτική λύση, αλλά η καταλληλότητά τους σε υψηλές θερμοκρασίες δεν είναι ικανοποιητική. Τα υγρά γεώτρησης με βάση το νερό (WBDF) αποτελούν μια ελκυστική λύση επειδή είναι ασφαλέστερα, πιο φιλικά προς το περιβάλλον και πιο οικονομικά από το OBDF5. Διάφοροι αναστολείς σχιστολιθικού άλατος έχουν χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση της ικανότητας αναστολής σχιστολιθικού άλατος του WBDF, συμπεριλαμβανομένων παραδοσιακών αναστολέων όπως το χλωριούχο κάλιο, η άσβεστος, το πυριτικό άλας και το πολυμερές. Ωστόσο, αυτοί οι αναστολείς έχουν περιορισμούς όσον αφορά την αποτελεσματικότητα και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις, ειδικά λόγω της υψηλής συγκέντρωσης K+ στους αναστολείς χλωριούχου καλίου και της ευαισθησίας στο pH των πυριτικών αλάτων.6 Οι ερευνητές έχουν διερευνήσει τη δυνατότητα χρήσης ιοντικών υγρών ως πρόσθετα υγρών γεώτρησης για τη βελτίωση της ρεολογίας του υγρού γεώτρησης και την πρόληψη της διόγκωσης και του σχηματισμού υδριτών του σχιστολιθικού άλατος. Ωστόσο, αυτά τα ιοντικά υγρά, ειδικά αυτά που περιέχουν ιμιδαζολυλικά κατιόντα, είναι γενικά τοξικά, ακριβά, μη βιοδιασπώμενα και απαιτούν πολύπλοκες διαδικασίες παρασκευής. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, οι άνθρωποι άρχισαν να αναζητούν μια πιο οικονομική και φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση, η οποία οδήγησε στην εμφάνιση βαθέων ευτηκτικών διαλυτών (DES). Το DES είναι ένα ευτηκτικό μείγμα που σχηματίζεται από έναν δότη δεσμού υδρογόνου (HBD) και έναν δέκτη δεσμού υδρογόνου (HBA) σε μια συγκεκριμένη μοριακή αναλογία και θερμοκρασία. Αυτά τα ευτηκτικά μείγματα έχουν χαμηλότερα σημεία τήξης από τα μεμονωμένα συστατικά τους, κυρίως λόγω της αποεντοπισμού φορτίου που προκαλείται από δεσμούς υδρογόνου. Πολλοί παράγοντες, όπως η ενέργεια του πλέγματος, η αλλαγή της εντροπίας και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ ανιόντων και HBD, παίζουν βασικό ρόλο στη μείωση του σημείου τήξης του DES.
Σε προηγούμενες μελέτες, διάφορα πρόσθετα προστέθηκαν σε υγρό γεώτρησης με βάση το νερό για να λυθεί το πρόβλημα της διαστολής του σχιστολιθικού πετρώματος. Για παράδειγμα, οι Ofei et al. πρόσθεσαν χλωριούχο 1-βουτυλο-3-μεθυλιμιδαζόλιο (BMIM-Cl), το οποίο μείωσε σημαντικά το πάχος του στρώματος λάσπης (έως 50%) και μείωσε την τιμή YP/PV κατά 11 σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Οι Huang et al. χρησιμοποίησαν ιοντικά υγρά (συγκεκριμένα, βρωμιούχο 1-εξυλο-3-μεθυλιμιδαζόλιο και βρωμιούχο 1,2-δις(3-εξυλιμιδαζολ-1-υλ)αιθάνιο) σε συνδυασμό με σωματίδια Na-Bt και μείωσαν σημαντικά τη διόγκωση του σχιστολιθικού πετρώματος κατά 86,43% και 94,17%, αντίστοιχα12. Επιπλέον, οι Yang et al. χρησιμοποίησαν βρωμιούχο 1-βινυλο-3-δωδεκυλιμιδαζόλιο και βρωμιούχο 1-βινυλο-3-τετραδεκυλιμιδαζόλιο για να μειώσουν τη διόγκωση του σχιστολιθικού πετρώματος κατά 16,91% και 5,81%, αντίστοιχα. 13 Yang et al. χρησιμοποίησαν επίσης βρωμιούχο 1-βινυλο-3-αιθυλιμιδαζόλιο και μείωσαν τη διαστολή του σχιστόλιθου κατά 31,62%, διατηρώντας παράλληλα την ανάκτηση του σχιστόλιθου στο 40,60%.14 Επιπλέον, οι Luo et al. χρησιμοποίησαν τετραφθοροβορικό 1-οκτυλο-3-μεθυλιμιδαζόλιο για να μειώσουν τη διόγκωση του σχιστόλιθου κατά 80%.15, 16 Οι Dai et al. χρησιμοποίησαν ιοντικά υγρά συμπολυμερή για την αναστολή του σχιστόλιθου και πέτυχαν αύξηση 18% στη γραμμική ανάκτηση σε σύγκριση με τους αναστολείς αμίνης.17
Τα ίδια τα ιοντικά υγρά έχουν ορισμένα μειονεκτήματα, τα οποία ώθησαν τους επιστήμονες να αναζητήσουν πιο φιλικές προς το περιβάλλον εναλλακτικές λύσεις σε σχέση με τα ιοντικά υγρά, και έτσι γεννήθηκε το DES. Ο Hanjia ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε διαλύτες βαθιάς ευτηκτικής δράσης (DES) που αποτελούνται από βινυλοχλωρίδιο προπιονικό οξύ (1:1), βινυλοχλωρίδιο 3-φαινυλοπροπιονικό οξύ (1:2) και 3-μερκαπτοπροπιονικό οξύ + ιτακονικό οξύ + βινυλοχλωρίδιο (1:1:2), οι οποίοι ανέστειλαν τη διόγκωση του μπεντονίτη κατά 68%, 58% και 58% αντίστοιχα18. Σε ένα ελεύθερο πείραμα, ο MH Rasul χρησιμοποίησε αναλογία 2:1 γλυκερόλης και ανθρακικού καλίου (DES) και μείωσε σημαντικά τη διόγκωση των δειγμάτων σχιστόλιθου κατά 87%19,20. Ο Ma χρησιμοποίησε ουρία:βινυλοχλωρίδιο για να μειώσει σημαντικά τη διαστολή του σχιστόλιθου κατά 67%.21 Οι Rasul et al. Ο συνδυασμός DES και πολυμερούς χρησιμοποιήθηκε ως αναστολέας σχιστόλιθου διπλής δράσης, ο οποίος πέτυχε εξαιρετικό αποτέλεσμα αναστολής του σχιστόλιθου22.
Αν και οι βαθείς ευτηκτικοί διαλύτες (DES) θεωρούνται γενικά μια πιο πράσινη εναλλακτική λύση σε σχέση με τα ιοντικά υγρά, περιέχουν επίσης δυνητικά τοξικά συστατικά όπως άλατα αμμωνίου, γεγονός που καθιστά αμφισβητήσιμη την οικολογική τους φιλικότητα. Αυτό το πρόβλημα έχει οδηγήσει στην ανάπτυξη φυσικών βαθέων ευτηκτικών διαλυτών (NADES). Εξακολουθούν να ταξινομούνται ως DES, αλλά αποτελούνται από φυσικές ουσίες και άλατα, όπως χλωριούχο κάλιο (KCl), χλωριούχο ασβέστιο (CaCl2), άλατα Epsom (MgSO4.7H2O) και άλλα. Οι πολυάριθμοι πιθανοί συνδυασμοί DES και NADES ανοίγουν ένα ευρύ πεδίο έρευνας σε αυτόν τον τομέα και αναμένεται να βρουν εφαρμογές σε μια ποικιλία πεδίων. Αρκετοί ερευνητές έχουν αναπτύξει με επιτυχία νέους συνδυασμούς DES που έχουν αποδειχθεί αποτελεσματικοί σε μια ποικιλία εφαρμογών. Για παράδειγμα, οι Naser et al. 2013 συνέθεσαν DES με βάση το ανθρακικό κάλιο και μελέτησαν τις θερμοφυσικές του ιδιότητες, οι οποίες στη συνέχεια βρήκαν εφαρμογές στους τομείς της αναστολής υδριτών, των προσθέτων υγρών γεώτρησης, της απολιγνινοποίησης και της νανοϊνιδίωσης. 23 Ο Jordy Kim και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν NADES με βάση το ασκορβικό οξύ και αξιολόγησαν τις αντιοξειδωτικές του ιδιότητες σε διάφορες εφαρμογές. 24 Οι Christer et al. ανέπτυξαν NADES με βάση το κιτρικό οξύ και προσδιόρισαν τις δυνατότητές του ως έκδοχο για προϊόντα κολλαγόνου. 25 Ο Liu Yi και οι συνεργάτες του συνόψισαν τις εφαρμογές των NADES ως μέσα εκχύλισης και χρωματογραφίας σε μια ολοκληρωμένη ανασκόπηση, ενώ οι Misan et al. συζήτησαν τις επιτυχημένες εφαρμογές των NADES στον αγροδιατροφικό τομέα. Είναι επιτακτική ανάγκη οι ερευνητές υγρών γεώτρησης να αρχίσουν να δίνουν προσοχή στην αποτελεσματικότητα των NADES στις πρόσφατες εφαρμογές τους. Το 2023, οι Rasul et al. χρησιμοποίησαν διαφορετικούς συνδυασμούς φυσικών διαλυτών βαθιάς ευτηκτικής δράσης με βάση το ασκορβικό οξύ26, το χλωριούχο ασβέστιο27, το χλωριούχο κάλιο28 και το άλας Epsom29 και πέτυχαν εντυπωσιακή αναστολή σχιστολιθικού οξέος και ανάκτηση σχιστολιθικού οξέος. Αυτή η μελέτη είναι μία από τις πρώτες μελέτες που εισήγαγε το NADES (ιδιαίτερα το σκεύασμα με βάση το κιτρικό οξύ και τη γλυκερόλη) ως έναν φιλικό προς το περιβάλλον και αποτελεσματικό αναστολέα σχιστολιθικού οξέος σε υγρά γεώτρησης με βάση το νερό, το οποίο διαθέτει εξαιρετική περιβαλλοντική σταθερότητα, βελτιωμένη ικανότητα αναστολής σχιστολιθικού οξέος και βελτιωμένη απόδοση ρευστού σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς αναστολείς όπως το KCl, τα ιοντικά υγρά με βάση το ιμιδαζολύλιο και τα παραδοσιακά DES.
Η μελέτη θα περιλαμβάνει την εσωτερική παρασκευή NADES με βάση το κιτρικό οξύ (CA), ακολουθούμενη από λεπτομερή φυσικοχημικό χαρακτηρισμό και τη χρήση του ως πρόσθετο υγρού γεώτρησης για την αξιολόγηση των ιδιοτήτων του υγρού γεώτρησης και της ικανότητάς του να αναστέλλει τη διόγκωσή του. Σε αυτή τη μελέτη, το CA θα λειτουργήσει ως δέκτης δεσμού υδρογόνου, ενώ η γλυκερόλη (Gly) θα λειτουργήσει ως δότης δεσμού υδρογόνου που επιλέγεται με βάση τα κριτήρια διαλογής MH για τον σχηματισμό/επιλογή NADES σε μελέτες αναστολής σχιστολιθικού πετρώματος30. Οι μετρήσεις φασματοσκοπίας υπέρυθρου μετασχηματισμού Fourier (FTIR), περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) και δυναμικού ζήτα (ZP) θα διασαφηνίσουν τις αλληλεπιδράσεις NADES-αργίλου και τον μηχανισμό που διέπει την αναστολή διόγκωσης του πηλού. Επιπλέον, αυτή η μελέτη θα συγκρίνει το υγρό γεώτρησης με βάση το CA NADES με το DES32 με βάση το χλωριούχο 1-αιθυλ-3-μεθυλιμιδαζόλιο [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl και χλωριούχο χολίνη:ουρία (1:2) για να διερευνηθεί η αποτελεσματικότητά τους στην αναστολή του σχιστολιθικού πετρώματος και στη βελτίωση της απόδοσης του υγρού γεώτρησης.
Το κιτρικό οξύ (μονοένυδρο), η γλυκερόλη (99 USP) και η ουρία αγοράστηκαν από την EvaChem, Κουάλα Λουμπούρ, Μαλαισία. Το χλωριούχο χολίνη (>98%), το [EMIM]Cl 98% και το χλωριούχο κάλιο αγοράστηκαν από την Sigma Aldrich, Μαλαισία. Οι χημικές δομές όλων των χημικών ουσιών φαίνονται στο Σχήμα 1. Το πράσινο διάγραμμα συγκρίνει τις κύριες χημικές ουσίες που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη: ιοντικό υγρό ιμιδαζολυλίου, χλωριούχο χολίνη (DES), κιτρικό οξύ, γλυκερόλη, χλωριούχο κάλιο και NADES (κιτρικό οξύ και γλυκερόλη). Ο πίνακας οικολογικής φιλικότητας των χημικών ουσιών που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη παρουσιάζεται στον Πίνακα 1. Στον πίνακα, κάθε χημική ουσία αξιολογείται με βάση την τοξικότητα, τη βιοδιασπασιμότητα, το κόστος και την περιβαλλοντική βιωσιμότητα.
Χημικές δομές των υλικών που χρησιμοποιήθηκαν σε αυτή τη μελέτη: (α) κιτρικό οξύ, (β) [EMIM]Cl, (γ) χλωριούχο χολίνη και (δ) γλυκερόλη.
Οι υποψήφιοι δότες δεσμών υδρογόνου (HBD) και δέκτες δεσμών υδρογόνου (HBA) για την ανάπτυξη NADES με βάση CA (φυσικό βαθύ ευτηκτικό διαλύτη) επιλέχθηκαν προσεκτικά σύμφωνα με τα κριτήρια επιλογής MH 30, τα οποία προορίζονται για την ανάπτυξη NADES ως αποτελεσματικών αναστολέων σχιστολιθικού πετρώματος. Σύμφωνα με αυτό το κριτήριο, συστατικά με μεγάλο αριθμό δοτών και δεκτών δεσμών υδρογόνου, καθώς και πολικές λειτουργικές ομάδες, θεωρούνται κατάλληλα για την ανάπτυξη NADES.
Επιπλέον, το ιοντικό υγρό [EMIM]Cl3 και ο διαλύτης βαθιάς ευτηκτικής χλωριούχου χολίνης:ουρίας (DES) επιλέχθηκαν για σύγκριση σε αυτή τη μελέτη, επειδή χρησιμοποιούνται ευρέως ως πρόσθετα υγρού γεώτρησης33,34,35,36. Επιπλέον, συγκρίθηκε το χλωριούχο κάλιο (KCl3) επειδή είναι ένας κοινός αναστολέας.
Το κιτρικό οξύ και η γλυκερόλη αναμίχθηκαν σε διαφορετικές μοριακές αναλογίες για να ληφθούν ευτηκτικά μείγματα. Η οπτική επιθεώρηση έδειξε ότι το ευτηκτικό μείγμα ήταν ένα ομοιογενές, διαφανές υγρό χωρίς θολότητα, υποδεικνύοντας ότι ο δότης δεσμού υδρογόνου (HBD) και ο δέκτης δεσμού υδρογόνου (HBA) αναμίχθηκαν με επιτυχία σε αυτήν την ευτηκτική σύνθεση. Διεξήχθησαν προκαταρκτικά πειράματα για να παρατηρηθεί η εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία συμπεριφορά της διαδικασίας ανάμειξης του HBD και του HBA. Σύμφωνα με τη διαθέσιμη βιβλιογραφία, η αναλογία των ευτηκτικών μειγμάτων αξιολογήθηκε σε τρεις συγκεκριμένες θερμοκρασίες άνω των 50 °C, 70 °C και 100 °C, υποδεικνύοντας ότι η ευτηκτική θερμοκρασία κυμαίνεται συνήθως στην περιοχή των 50-80 °C. Χρησιμοποιήθηκε ένας ψηφιακός ζυγός Mettler για την ακριβή ζύγιση των συστατικών HBD και HBA, και μια θερμαντική πλάκα Thermo Fisher χρησιμοποιήθηκε για τη θέρμανση και την ανάδευση του HBD και του HBA στις 100 rpm υπό ελεγχόμενες συνθήκες.
Οι θερμοφυσικές ιδιότητες του συνθετικού μας βαθιάς ευτηκτικού διαλύτη (DES), συμπεριλαμβανομένης της πυκνότητας, της επιφανειακής τάσης, του δείκτη διάθλασης και του ιξώδους, μετρήθηκαν με ακρίβεια σε ένα εύρος θερμοκρασιών από 289,15 έως 333,15 K. Πρέπει να σημειωθεί ότι αυτό το εύρος θερμοκρασιών επιλέχθηκε κυρίως λόγω των περιορισμών του υπάρχοντος εξοπλισμού. Η ολοκληρωμένη ανάλυση περιελάμβανε μια εις βάθος μελέτη διαφόρων θερμοφυσικών ιδιοτήτων αυτού του σκευάσματος NADES, αποκαλύπτοντας τη συμπεριφορά τους σε ένα εύρος θερμοκρασιών. Η εστίαση σε αυτό το συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασιών παρέχει πληροφορίες για τις ιδιότητες του NADES που έχουν ιδιαίτερη σημασία για μια σειρά εφαρμογών.
Η επιφανειακή τάση του παρασκευασμένου NADES μετρήθηκε στην περιοχή από 289,15 έως 333,15 K χρησιμοποιώντας ένα μετρητή διεπιφανειακής τάσης (IFT700). Τα σταγονίδια NADES σχηματίζονται σε έναν θάλαμο γεμάτο με μεγάλο όγκο υγρού χρησιμοποιώντας μια τριχοειδή βελόνα υπό συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. Τα σύγχρονα συστήματα απεικόνισης εισάγουν κατάλληλες γεωμετρικές παραμέτρους για τον υπολογισμό της διεπιφανειακής τάσης χρησιμοποιώντας την εξίσωση Laplace.
Ένα διαθλασίμετρο ATAGO χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό του δείκτη διάθλασης φρεσκοπαρασκευασμένων NADES σε εύρος θερμοκρασίας από 289,15 έως 333,15 K. Το όργανο χρησιμοποιεί μια θερμική μονάδα για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας και την εκτίμηση του βαθμού διάθλασης του φωτός, εξαλείφοντας την ανάγκη για υδατόλουτρο σταθερής θερμοκρασίας. Η επιφάνεια του πρίσματος του διαθλασίμετρου θα πρέπει να καθαριστεί και το διάλυμα του δείγματος να κατανεμηθεί ομοιόμορφα πάνω σε αυτήν. Βαθμονομήστε με ένα γνωστό πρότυπο διάλυμα και στη συνέχεια διαβάστε τον δείκτη διάθλασης από την οθόνη.
Το ιξώδες του παρασκευασμένου NADES μετρήθηκε σε εύρος θερμοκρασίας από 289,15 έως 333,15 K χρησιμοποιώντας ένα περιστροφικό ιξωδόμετρο Brookfield (κρυογονικού τύπου) με ρυθμό διάτμησης 30 rpm και μέγεθος ατράκτου 6. Το ιξωδόμετρο μετρά το ιξώδες προσδιορίζοντας τη ροπή που απαιτείται για την περιστροφή του άξονα με σταθερή ταχύτητα σε ένα υγρό δείγμα. Αφού το δείγμα τοποθετηθεί στο πλέγμα κάτω από τον άξονα και σφιχτεί, το ιξωδόμετρο εμφανίζει το ιξώδες σε centipoise (cP), παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τις ρεολογικές ιδιότητες του υγρού.
Ένας φορητός μετρητής πυκνότητας DMA 35 Basic χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της πυκνότητας του φρεσκοπαρασκευασμένου φυσικού βαθέος ευτηκτικού διαλύτη (NDEES) στην περιοχή θερμοκρασιών 289,15–333,15 K. Δεδομένου ότι η συσκευή δεν διαθέτει ενσωματωμένο θερμαντήρα, πρέπει να προθερμανθεί στην καθορισμένη θερμοκρασία (± 2 °C) πριν από τη χρήση του μετρητή πυκνότητας NADES. Τραβήξτε τουλάχιστον 2 ml δείγματος μέσω του σωλήνα και η πυκνότητα θα εμφανιστεί αμέσως στην οθόνη. Αξίζει να σημειωθεί ότι λόγω της έλλειψης ενσωματωμένου θερμαντήρα, τα αποτελέσματα της μέτρησης έχουν σφάλμα ± 2 °C.
Για την αξιολόγηση του pH του φρεσκοπαρασκευασμένου NADES στην περιοχή θερμοκρασιών 289,15–333,15 K, χρησιμοποιήσαμε ένα επιτραπέζιο pHμετρο Kenis. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει ενσωματωμένη συσκευή θέρμανσης, το NADES θερμάνθηκε πρώτα στην επιθυμητή θερμοκρασία (±2 °C) χρησιμοποιώντας μια θερμαινόμενη πλάκα και στη συνέχεια μετρήθηκε απευθείας με ένα pHμετρο. Βυθίστε πλήρως τον αισθητήρα του pHμετρου στο NADES και καταγράψτε την τελική τιμή αφού σταθεροποιηθεί η ένδειξη.
Για την αξιολόγηση της θερμικής σταθερότητας των φυσικών ευτηκτικών διαλυτών (NADES) χρησιμοποιήθηκε θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA). Τα δείγματα αναλύθηκαν κατά τη θέρμανση. Χρησιμοποιώντας ζυγαριά υψηλής ακρίβειας και παρακολουθώντας προσεκτικά τη διαδικασία θέρμανσης, δημιουργήθηκε ένα διάγραμμα απώλειας μάζας έναντι της θερμοκρασίας. Το NADES θερμάνθηκε από 0 έως 500 °C με ρυθμό 1 °C ανά λεπτό.
Για να ξεκινήσει η διαδικασία, το δείγμα NADES πρέπει να αναμειχθεί καλά, να ομογενοποιηθεί και να αφαιρεθεί η επιφανειακή υγρασία. Το παρασκευασμένο δείγμα τοποθετείται στη συνέχεια σε μια κυψελίδα TGA, η οποία συνήθως κατασκευάζεται από αδρανές υλικό όπως το αλουμίνιο. Για να εξασφαλιστούν ακριβή αποτελέσματα, τα όργανα TGA βαθμονομούνται χρησιμοποιώντας υλικά αναφοράς, συνήθως πρότυπα βάρους. Μόλις βαθμονομηθεί, ξεκινά το πείραμα TGA και το δείγμα θερμαίνεται με ελεγχόμενο τρόπο, συνήθως με σταθερό ρυθμό. Η συνεχής παρακολούθηση της σχέσης μεταξύ βάρους και θερμοκρασίας του δείγματος είναι ένα βασικό μέρος του πειράματος. Τα όργανα TGA συλλέγουν δεδομένα σχετικά με τη θερμοκρασία, το βάρος και άλλες παραμέτρους όπως η ροή αερίου ή η θερμοκρασία του δείγματος. Μόλις ολοκληρωθεί το πείραμα TGA, τα συλλεγόμενα δεδομένα αναλύονται για να προσδιοριστεί η αλλαγή στο βάρος του δείγματος ως συνάρτηση της θερμοκρασίας. Αυτές οι πληροφορίες είναι πολύτιμες για τον προσδιορισμό των θερμοκρασιακών εύρων που σχετίζονται με φυσικές και χημικές αλλαγές στο δείγμα, συμπεριλαμβανομένων διεργασιών όπως η τήξη, η εξάτμιση, η οξείδωση ή η αποσύνθεση.
Το υγρό γεώτρησης με βάση το νερό παρασκευάστηκε προσεκτικά σύμφωνα με το πρότυπο API 13B-1 και η συγκεκριμένη σύνθεσή του παρατίθεται στον Πίνακα 2 για αναφορά. Κιτρικό οξύ και γλυκερόλη (99 USP) αγοράστηκαν από την Sigma Aldrich, Μαλαισία για την παρασκευή του φυσικού ευτηκτικού διαλύτη βαθιάς γεώτρησης (NADES). Επιπλέον, ο συμβατικός αναστολέας σχιστόλιθου, χλωριούχο κάλιο (KCl), αγοράστηκε επίσης από την Sigma Aldrich, Μαλαισία. Επιλέχθηκε χλωριούχο 1-αιθυλο, 3-μεθυλιμιδαζόλιο ([EMIM]Cl) με καθαρότητα άνω του 98% λόγω της σημαντικής επίδρασής του στη βελτίωση της ρεολογίας του υγρού γεώτρησης και στην αναστολή σχιστόλιθου, κάτι που επιβεβαιώθηκε σε προηγούμενες μελέτες. Τόσο το KCl όσο και το ([EMIM]Cl) θα χρησιμοποιηθούν στη συγκριτική ανάλυση για την αξιολόγηση της απόδοσης αναστολής σχιστόλιθου του NADES.
Πολλοί ερευνητές προτιμούν να χρησιμοποιούν νιφάδες μπεντονίτη για να μελετήσουν τη διόγκωση του σχιστολιθικού πετρώματος, επειδή ο μπεντονίτης περιέχει την ίδια ομάδα «μοντμοριλλονίτη» που προκαλεί τη διόγκωση του σχιστολιθικού πετρώματος. Η λήψη πραγματικών δειγμάτων πυρήνα σχιστολιθικού πετρώματος είναι δύσκολη, επειδή η διαδικασία πυρήνωσης αποσταθεροποιεί τον σχιστολιθικό πετρέλαιο, με αποτέλεσμα δείγματα που δεν είναι εξ ολοκλήρου σχιστολιθικά, αλλά συνήθως περιέχουν ένα μείγμα στρωμάτων ψαμμίτη και ασβεστόλιθου. Επιπλέον, τα δείγματα σχιστολιθικού πετρώματος συνήθως δεν έχουν τις ομάδες μοντμοριλλονίτη που προκαλούν διόγκωση του σχιστολιθικού πετρώματος και επομένως είναι ακατάλληλα για πειράματα αναστολής διόγκωσης.
Σε αυτήν τη μελέτη, χρησιμοποιήσαμε ανασυσταθέντα σωματίδια μπεντονίτη με διάμετρο περίπου 2,54 cm. Οι κόκκοι παρασκευάστηκαν πιέζοντας 11,5 γραμμάρια σκόνης μπεντονίτη νατρίου σε υδραυλική πρέσα στα 1600 psi. Το πάχος των κόκκων μετρήθηκε με ακρίβεια πριν τοποθετηθούν σε γραμμικό διαστολόμετρο (LD). Τα σωματίδια στη συνέχεια βυθίστηκαν σε δείγματα υγρού γεώτρησης, συμπεριλαμβανομένων δειγμάτων βάσης και δειγμάτων στα οποία εγχύθηκαν αναστολείς που χρησιμοποιούνται για την πρόληψη της διόγκωσης του σχιστολιθικού πετρώματος. Η αλλαγή στο πάχος των κόκκων παρακολουθήθηκε προσεκτικά χρησιμοποιώντας το LD, με μετρήσεις που καταγράφηκαν σε διαστήματα 60 δευτερολέπτων για 24 ώρες.
Η περίθλαση ακτίνων Χ έδειξε ότι η σύνθεση του μπεντονίτη, και ιδιαίτερα το 47% του μοντμοριλλονίτη, αποτελεί βασικό παράγοντα για την κατανόηση των γεωλογικών χαρακτηριστικών του. Μεταξύ των μοντμοριλλονιτικών συστατικών του μπεντονίτη, ο μοντμοριλλονίτης είναι το κύριο συστατικό, αντιπροσωπεύοντας το 88,6% του συνόλου των συστατικών. Εν τω μεταξύ, ο χαλαζίας αντιπροσωπεύει το 29%, ο ιλλίτης το 7% και το ανθρακικό άλας το 9%. Ένα μικρό μέρος (περίπου 3,2%) είναι ένα μείγμα ιλλίτη και μοντμοριλλονίτη. Επιπλέον, περιέχει ιχνοστοιχεία όπως Fe2O3 (4,7%), αργιλοπυριτικό άργυρο (1,2%), μοσχοβίτη (4%) και φωσφορικό άλας (2,3%). Επιπλέον, υπάρχουν μικρές ποσότητες Na2O (1,83%) και πυριτικού σιδήρου (2,17%), γεγονός που καθιστά δυνατή την πλήρη εκτίμηση των συστατικών στοιχείων του μπεντονίτη και των αντίστοιχων αναλογιών τους.
Αυτή η ολοκληρωμένη ενότητα μελέτης περιγράφει λεπτομερώς τις ρεολογικές και φιλτραριστικές ιδιότητες δειγμάτων υγρού γεώτρησης που παρασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας φυσικό ευτηκτικό διαλύτη βαθιάς διάτρησης (NADES) και χρησιμοποιήθηκαν ως πρόσθετο υγρού γεώτρησης σε διαφορετικές συγκεντρώσεις (1%, 3% και 5%). Τα δείγματα πολτού με βάση το NADES συγκρίθηκαν και αναλύθηκαν με δείγματα πολτού που αποτελούνται από χλωριούχο κάλιο (KCl), CC:ουρία DES (χλωριούχο χολίνη, βαθύς ευτηκτικός διαλύτης:ουρία) και ιοντικά υγρά. Σε αυτή τη μελέτη καλύφθηκαν ορισμένες βασικές παράμετροι, συμπεριλαμβανομένων των μετρήσεων ιξώδους που ελήφθησαν χρησιμοποιώντας ιξωδόμετρο FANN πριν και μετά την έκθεση σε συνθήκες γήρανσης στους 100°C και 150°C. Οι μετρήσεις ελήφθησαν σε διαφορετικές ταχύτητες περιστροφής (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm και 600 rpm), επιτρέποντας μια ολοκληρωμένη ανάλυση της συμπεριφοράς του υγρού γεώτρησης. Τα δεδομένα που ελήφθησαν μπορούν στη συνέχεια να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό βασικών ιδιοτήτων όπως το όριο διαρροής (YP) και το πλαστικό ιξώδες (PV), τα οποία παρέχουν πληροφορίες για την απόδοση του υγρού υπό διάφορες συνθήκες. Οι δοκιμές διήθησης υψηλής πίεσης και υψηλής θερμοκρασίας (HPHT) στα 400 psi και 150°C (τυπικές θερμοκρασίες σε φρεάτια υψηλής θερμοκρασίας) καθορίζουν την απόδοση διήθησης (πάχος κέικ και όγκος διηθήματος).
Αυτή η ενότητα χρησιμοποιεί υπερσύγχρονο εξοπλισμό, το Γραμμικό Διαστολόμετρο Grace HPHT (M4600), για την διεξοδική αξιολόγηση των ιδιοτήτων αναστολής διόγκωσης σχιστόλιθου των υγρών γεώτρησης με βάση το νερό. Το LSM είναι ένα υπερσύγχρονο μηχάνημα που αποτελείται από δύο εξαρτήματα: έναν συμπιεστή πλακών και ένα γραμμικό διαστολόμετρο (μοντέλο: M4600). Οι πλάκες μπεντονίτη προετοιμάστηκαν για ανάλυση χρησιμοποιώντας το Grace Core/Plate Compactor. Το LSM παρέχει στη συνέχεια άμεσα δεδομένα διόγκωσης σε αυτές τις πλάκες, επιτρέποντας μια ολοκληρωμένη αξιολόγηση των ιδιοτήτων αναστολής διόγκωσης του σχιστόλιθου. Οι δοκιμές διαστολής σχιστόλιθου διεξήχθησαν υπό συνθήκες περιβάλλοντος, δηλαδή 25°C και 1 psia.
Η δοκιμή σταθερότητας σχιστολιθικού πετρώματος περιλαμβάνει μια βασική δοκιμή που συχνά αναφέρεται ως δοκιμή ανάκτησης σχιστολιθικού πετρώματος, δοκιμή εμβάπτισης σχιστολιθικού πετρώματος ή δοκιμή διασποράς σχιστολιθικού πετρώματος. Για να ξεκινήσει αυτή η αξιολόγηση, τα μοσχεύματα σχιστολιθικού πετρώματος διαχωρίζονται σε ένα κόσκινο #6 BSS και στη συνέχεια τοποθετούνται σε ένα κόσκινο #10. Τα μοσχεύματα στη συνέχεια τροφοδοτούνται σε μια δεξαμενή συγκράτησης όπου αναμιγνύονται με ένα βασικό υγρό και λάσπη γεώτρησης που περιέχει NADES (Φυσικό Βαθύ Ευτηκτικό Διαλύτη). Το επόμενο βήμα είναι η τοποθέτηση του μείγματος σε φούρνο για μια έντονη διαδικασία θερμής έλασης, διασφαλίζοντας ότι τα μοσχεύματα και η λάσπη έχουν αναμειχθεί καλά. Μετά από 16 ώρες, τα μοσχεύματα αφαιρούνται από τον πολτό αφήνοντας τον σχιστόλιθο να αποσυντεθεί, με αποτέλεσμα τη μείωση του βάρους των μοσχευμάτων. Η δοκιμή ανάκτησης σχιστολιθικού πετρώματος διεξήχθη αφού τα μοσχεύματα σχιστολιθικού πετρώματος είχαν διατηρηθεί σε λάσπη γεώτρησης στους 150°C και 1000 psi. inch εντός 24 ωρών.
Για να μετρήσουμε την ανάκτηση της σχιστολιθικής λάσπης, την διηθήσαμε μέσα από ένα λεπτότερο κόσκινο (40 mesh), την πλύναμε καλά με νερό και τέλος την ξηράναμε σε φούρνο. Αυτή η επίπονη διαδικασία μας επιτρέπει να εκτιμήσουμε την ανακτημένη λάσπη σε σύγκριση με το αρχικό βάρος, υπολογίζοντας τελικά το ποσοστό της σχιστολιθικής λάσπης που ανακτήθηκε με επιτυχία. Η πηγή των δειγμάτων σχιστολιθικού πετρώματος προέρχεται από την περιοχή Niah, την περιοχή Miri, το Sarawak της Μαλαισίας. Πριν από τις δοκιμές διασποράς και ανάκτησης, τα δείγματα σχιστολιθικού πετρώματος υποβλήθηκαν σε διεξοδική ανάλυση περίθλασης ακτίνων Χ (XRD) για να ποσοτικοποιηθεί η σύνθεση του αργίλου και να επιβεβαιωθεί η καταλληλότητά τους για δοκιμές. Η σύνθεση του δείγματος σε αργιλικά ορυκτά έχει ως εξής: ιλλίτης 18%, καολινίτης 31%, χλωρίτης 22%, βερμικουλίτης 10% και μαρμαρυγίας 19%.
Η επιφανειακή τάση είναι ένας βασικός παράγοντας που ελέγχει τη διείσδυση κατιόντων νερού στους μικροπόρους σχιστολιθικού πετρώματος μέσω τριχοειδούς δράσης, η οποία θα μελετηθεί λεπτομερώς σε αυτήν την ενότητα. Η παρούσα εργασία εξετάζει τον ρόλο της επιφανειακής τάσης στην συνεκτική ιδιότητα των ρευστών γεώτρησης, τονίζοντας τη σημαντική επιρροή της στη διαδικασία γεώτρησης, ιδιαίτερα στην αναστολή σχιστολιθικού πετρώματος. Χρησιμοποιήσαμε ένα διεπιφανειακό τενσιόμετρο (IFT700) για να μετρήσουμε με ακρίβεια την επιφανειακή τάση δειγμάτων ρευστού γεώτρησης, αποκαλύπτοντας μια σημαντική πτυχή της συμπεριφοράς του ρευστού στο πλαίσιο της αναστολής σχιστολιθικού πετρώματος.
Αυτή η ενότητα συζητά λεπτομερώς την απόσταση των στρωμάτων d, η οποία είναι η απόσταση μεταξύ των στρωμάτων αργιλοπυριτικού και ενός στρώματος αργιλοπυριτικού σε αργίλους. Η ανάλυση κάλυψε δείγματα υγρής λάσπης που περιείχαν 1%, 3% και 5% CA NADES, καθώς και 3% KCl, 3% [EMIM]Cl και 3% DES με βάση CC:ουρία για σύγκριση. Ένα υπερσύγχρονο περιθλασίμετρο ακτίνων Χ (D2 Phaser) που λειτουργεί στα 40 mA και 45 kV με ακτινοβολία Cu-Kα (λ = 1,54059 Å) έπαιξε κρίσιμο ρόλο στην καταγραφή των κορυφών περίθλασης ακτίνων Χ τόσο σε υγρά όσο και σε ξηρά δείγματα Na-Bt. Η εφαρμογή της εξίσωσης Bragg επιτρέπει τον ακριβή προσδιορισμό της απόστασης των στρωμάτων d, παρέχοντας έτσι πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τη συμπεριφορά του αργίλου.
Αυτή η ενότητα χρησιμοποιεί το προηγμένο όργανο Malvern Zetasizer Nano ZSP για την ακριβή μέτρηση του δυναμικού ζήτα. Αυτή η αξιολόγηση παρείχε πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τα χαρακτηριστικά φορτίου αραιών δειγμάτων λάσπης που περιείχαν 1%, 3% και 5% CA NADES, καθώς και 3% KCl, 3% [EMIM]Cl και 3% DES με βάση την CC:ουρία για συγκριτική ανάλυση. Αυτά τα αποτελέσματα συμβάλλουν στην κατανόηση της σταθερότητας των κολλοειδών ενώσεων και των αλληλεπιδράσεών τους σε υγρά.
Τα δείγματα αργίλου εξετάστηκαν πριν και μετά την έκθεση σε φυσικό βαθύ ευτηκτικό διαλύτη (NADES) χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης εκπομπής πεδίου Zeiss Supra 55 VP (FESEM) εξοπλισμένο με ακτίνες Χ ενεργειακής διασποράς (EDX). Η ανάλυση απεικόνισης ήταν 500 nm και η ενέργεια της δέσμης ηλεκτρονίων ήταν 30 kV και 50 kV. Το FESEM παρέχει οπτικοποίηση υψηλής ανάλυσης της μορφολογίας της επιφάνειας και των δομικών χαρακτηριστικών των δειγμάτων αργίλου. Στόχος της παρούσας μελέτης ήταν η λήψη πληροφοριών σχετικά με την επίδραση του NADES στα δείγματα αργίλου συγκρίνοντας τις εικόνες που ελήφθησαν πριν και μετά την έκθεση.
Σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκε η τεχνολογία ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης εκπομπής πεδίου (FESEM) για τη διερεύνηση της επίδρασης του NADES σε δείγματα αργίλου σε μικροσκοπικό επίπεδο. Στόχος της παρούσας μελέτης είναι να διευκρινίσει τις πιθανές εφαρμογές του NADES και την επίδρασή του στη μορφολογία του αργίλου και στο μέσο μέγεθος των σωματιδίων, κάτι που θα παράσχει πολύτιμες πληροφορίες για την έρευνα σε αυτόν τον τομέα.
Σε αυτήν τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκαν γραμμές σφάλματος για την οπτική περιγραφή της μεταβλητότητας και της αβεβαιότητας του μέσου ποσοστού σφάλματος (AMPE) σε όλες τις πειραματικές συνθήκες. Αντί να απεικονίζουμε μεμονωμένες τιμές AMPE (καθώς η απεικόνιση των τιμών AMPE μπορεί να αποκρύψει τις τάσεις και να υπερβάλει τις μικρές διακυμάνσεις), υπολογίζουμε τις γραμμές σφάλματος χρησιμοποιώντας τον κανόνα του 5%. Αυτή η προσέγγιση διασφαλίζει ότι κάθε γραμμή σφάλματος αντιπροσωπεύει το διάστημα εντός του οποίου αναμένεται να εμπίπτει το διάστημα εμπιστοσύνης 95% και το 100% των τιμών AMPE, παρέχοντας έτσι μια σαφέστερη και πιο συνοπτική περίληψη της κατανομής δεδομένων για κάθε πειραματική συνθήκη. Η χρήση γραμμών σφάλματος με βάση τον κανόνα του 5% βελτιώνει έτσι την ερμηνευσιμότητα και την αξιοπιστία των γραφικών αναπαραστάσεων και βοηθά στην παροχή μιας πιο λεπτομερούς κατανόησης των αποτελεσμάτων και των συνεπειών τους.
Στη σύνθεση φυσικών ευτηκτικών διαλυτών βαθιάς ανάμειξης (NADES), μελετήθηκαν προσεκτικά αρκετές βασικές παράμετροι κατά τη διάρκεια της εσωτερικής διαδικασίας παρασκευής. Αυτοί οι κρίσιμοι παράγοντες περιλαμβάνουν τη θερμοκρασία, τη μοριακή αναλογία και την ταχύτητα ανάμειξης. Τα πειράματά μας δείχνουν ότι όταν το HBA (κιτρικό οξύ) και το HBD (γλυκερόλη) αναμειγνύονται σε μοριακή αναλογία 1:4 στους 50°C, σχηματίζεται ένα ευτηκτικό μείγμα. Το διακριτικό χαρακτηριστικό του ευτηκτικού μείγματος είναι η διαφανής, ομοιογενής εμφάνισή του και η απουσία ιζήματος. Έτσι, αυτό το βασικό βήμα υπογραμμίζει τη σημασία της μοριακής αναλογίας, της θερμοκρασίας και της ταχύτητας ανάμειξης, μεταξύ των οποίων η μοριακή αναλογία ήταν ο πιο σημαντικός παράγοντας στην παρασκευή των DES και NADES, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2.
Ο δείκτης διάθλασης (n) εκφράζει την αναλογία της ταχύτητας του φωτός στο κενό προς την ταχύτητα του φωτός σε ένα δεύτερο, πυκνότερο μέσο. Ο δείκτης διάθλασης παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για φυσικούς βαθείς ευτηκτικούς διαλύτες (NADES) κατά την εξέταση οπτικά ευαίσθητων εφαρμογών όπως οι βιοαισθητήρες. Ο δείκτης διάθλασης των μελετηθέντων NADES στους 25 °C ήταν 1,452, ο οποίος είναι ενδιαφέρον ότι είναι χαμηλότερος από αυτόν της γλυκερόλης.
Αξίζει να σημειωθεί ότι ο δείκτης διάθλασης των NADES μειώνεται με τη θερμοκρασία, και αυτή η τάση μπορεί να περιγραφεί με ακρίβεια από τον τύπο (1) και το Σχήμα 3, με το απόλυτο μέσο ποσοστό σφάλματος (AMPE) να φτάνει το 0%. Αυτή η εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία συμπεριφορά εξηγείται από τη μείωση του ιξώδους και της πυκνότητας σε υψηλές θερμοκρασίες, με αποτέλεσμα το φως να ταξιδεύει μέσω του μέσου με μεγαλύτερη ταχύτητα, με αποτέλεσμα χαμηλότερη τιμή δείκτη διάθλασης (n). Αυτά τα αποτελέσματα παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τη στρατηγική χρήση των NADES στην οπτική ανίχνευση, υπογραμμίζοντας τις δυνατότητές τους για εφαρμογές βιοαισθητήρων.
Η επιφανειακή τάση, η οποία αντικατοπτρίζει την τάση μιας υγρής επιφάνειας να ελαχιστοποιεί την επιφάνειά της, έχει μεγάλη σημασία στην αξιολόγηση της καταλληλότητας των φυσικών ευτηκτικών διαλυτών βαθιάς ροής (NADES) για εφαρμογές που βασίζονται σε τριχοειδή πίεση. Μια μελέτη της επιφανειακής τάσης στην περιοχή θερμοκρασίας 25–60 °C παρέχει πολύτιμες πληροφορίες. Στους 25 °C, η επιφανειακή τάση των NADES με βάση το κιτρικό οξύ ήταν 55,42 mN/m, η οποία είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή του νερού και της γλυκερόλης. Το Σχήμα 4 δείχνει ότι η επιφανειακή τάση μειώνεται σημαντικά με την αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να εξηγηθεί από την αύξηση της μοριακής κινητικής ενέργειας και την επακόλουθη μείωση των διαμοριακών ελκυστικών δυνάμεων.
Η γραμμική φθίνουσα τάση της επιφανειακής τάσης που παρατηρείται στο υπό μελέτη NADES μπορεί να εκφραστεί καλά από την εξίσωση (2), η οποία απεικονίζει τη βασική μαθηματική σχέση στο εύρος θερμοκρασίας 25–60 °C. Το γράφημα στο Σχήμα 4 απεικονίζει σαφώς την τάση της επιφανειακής τάσης με τη θερμοκρασία με απόλυτο μέσο ποσοστό σφάλματος (AMPE) 1,4%, το οποίο ποσοτικοποιεί την ακρίβεια των αναφερόμενων τιμών επιφανειακής τάσης. Αυτά τα αποτελέσματα έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην κατανόηση της συμπεριφοράς του NADES και των πιθανών εφαρμογών του.
Η κατανόηση της δυναμικής πυκνότητας των φυσικών ευτηκτικών διαλυτών βαθιάς δράσης (NADES) είναι ζωτικής σημασίας για τη διευκόλυνση της εφαρμογής τους σε πολυάριθμες επιστημονικές μελέτες. Η πυκνότητα των NADES με βάση το κιτρικό οξύ στους 25°C είναι 1,361 g/cm3, η οποία είναι υψηλότερη από την πυκνότητα της μητρικής γλυκερόλης. Αυτή η διαφορά μπορεί να εξηγηθεί από την προσθήκη ενός δέκτη δεσμού υδρογόνου (κιτρικό οξύ) στη γλυκερόλη.
Λαμβάνοντας ως παράδειγμα το NADES με βάση το κιτρικό άλας, η πυκνότητά του μειώνεται στα 1,19 g/cm3 στους 60°C. Η αύξηση της κινητικής ενέργειας κατά τη θέρμανση προκαλεί τη διασπορά των μορίων NADES, με αποτέλεσμα την κατάληψη μεγαλύτερου όγκου, με αποτέλεσμα τη μείωση της πυκνότητας. Η παρατηρούμενη μείωση της πυκνότητας δείχνει μια ορισμένη γραμμική συσχέτιση με την αύξηση της θερμοκρασίας, η οποία μπορεί να εκφραστεί σωστά από τον τύπο (3). Το Σχήμα 5 παρουσιάζει γραφικά αυτά τα χαρακτηριστικά της μεταβολής της πυκνότητας NADES με απόλυτο μέσο ποσοστό σφάλματος (AMPE) 1,12%, το οποίο παρέχει ένα ποσοτικό μέτρο της ακρίβειας των αναφερόμενων τιμών πυκνότητας.
Το ιξώδες είναι η ελκτική δύναμη μεταξύ διαφορετικών στρωμάτων ενός υγρού σε κίνηση και παίζει βασικό ρόλο στην κατανόηση της εφαρμογής των φυσικών βαθιάς ευτηκτικών διαλυτών (NADES) σε διάφορες εφαρμογές. Στους 25 °C, το ιξώδες του NADES ήταν 951 cP, το οποίο είναι υψηλότερο από αυτό της γλυκερόλης.
Η παρατηρούμενη μείωση του ιξώδους με την αύξηση της θερμοκρασίας εξηγείται κυρίως από την εξασθένηση των διαμοριακών ελκτικών δυνάμεων. Αυτό το φαινόμενο έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του ιξώδους του ρευστού, μια τάση που φαίνεται σαφώς στο Σχήμα 6 και ποσοτικοποιείται από την Εξίσωση (4). Αξίζει να σημειωθεί ότι στους 60°C, το ιξώδες μειώνεται στα 898 cP με συνολικό μέσο ποσοστό σφάλματος (AMPE) 1,4%. Η λεπτομερής κατανόηση της εξάρτησης του ιξώδους έναντι της θερμοκρασίας στο NADES έχει μεγάλη σημασία για την πρακτική του εφαρμογή.
Το pH του διαλύματος, που καθορίζεται από τον αρνητικό λογάριθμο της συγκέντρωσης ιόντων υδρογόνου, είναι κρίσιμο, ειδικά σε εφαρμογές ευαίσθητες στο pH, όπως η σύνθεση DNA, επομένως το pH των NADES πρέπει να μελετηθεί προσεκτικά πριν από τη χρήση. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα τα NADES με βάση το κιτρικό οξύ, μπορεί να παρατηρηθεί ένα σαφώς όξινο pH 1,91, το οποίο έρχεται σε έντονη αντίθεση με το σχετικά ουδέτερο pH της γλυκερόλης.
Είναι ενδιαφέρον ότι το pH του φυσικού διαλύτη αφυδρογονάσης κιτρικού οξέος (NADES) παρουσίασε μια μη γραμμική τάση μείωσης με την αύξηση της θερμοκρασίας. Αυτό το φαινόμενο αποδίδεται στις αυξημένες μοριακές δονήσεις που διαταράσσουν την ισορροπία H+ στο διάλυμα, οδηγώντας στον σχηματισμό ιόντων [H]+ και, με τη σειρά τους, σε μια αλλαγή στην τιμή του pH. Ενώ το φυσικό pH του κιτρικού οξέος κυμαίνεται από 3 έως 5, η παρουσία όξινου υδρογόνου στη γλυκερόλη μειώνει περαιτέρω το pH στο 1,91.
Η συμπεριφορά του pH των NADES με βάση το κιτρικό άλας στο εύρος θερμοκρασιών 25–60 °C μπορεί να αναπαρασταθεί κατάλληλα από την εξίσωση (5), η οποία παρέχει μια μαθηματική έκφραση για την παρατηρούμενη τάση του pH. Το Σχήμα 7 απεικονίζει γραφικά αυτή την ενδιαφέρουσα σχέση, επισημαίνοντας την επίδραση της θερμοκρασίας στο pH των NADES, το οποίο αναφέρεται ότι είναι 1,4% για το AMPE.
Η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA) φυσικού κιτρικού οξέος σε βαθύ ευτηκτικό διαλύτη (NADES) πραγματοποιήθηκε συστηματικά στην περιοχή θερμοκρασιών από θερμοκρασία δωματίου έως 500 °C. Όπως φαίνεται από τα Σχήματα 8α και β, η αρχική απώλεια μάζας έως τους 100 °C οφειλόταν κυρίως στο απορροφημένο νερό και στο νερό ενυδάτωσης που σχετίζεται με το κιτρικό οξύ και την καθαρή γλυκερόλη. Παρατηρήθηκε σημαντική κατακράτηση μάζας περίπου 88% έως τους 180 °C, η οποία οφειλόταν κυρίως στην αποσύνθεση του κιτρικού οξέος σε ακονιτικό οξύ και στον επακόλουθο σχηματισμό μεθυλομαλεϊκού ανυδρίτη (III) κατά την περαιτέρω θέρμανση (Σχήμα 8β). Πάνω από τους 180 °C, παρατηρήθηκε επίσης μια σαφής εμφάνιση ακρολεϊνης (ακρυλαλδεΰδης) στη γλυκερόλη, όπως φαίνεται στο Σχήμα 8β37.
Η θερμοβαρυμετρική ανάλυση (TGA) της γλυκερόλης αποκάλυψε μια διαδικασία απώλειας μάζας δύο σταδίων. Το αρχικό στάδιο (180 έως 220 °C) περιλαμβάνει τον σχηματισμό ακρολεϊνης, ακολουθούμενο από σημαντική απώλεια μάζας σε υψηλές θερμοκρασίες από 230 έως 300 °C (Σχήμα 8α). Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, σχηματίζονται διαδοχικά ακεταλδεΰδη, διοξείδιο του άνθρακα, μεθάνιο και υδρογόνο. Αξίζει να σημειωθεί ότι μόνο το 28% της μάζας διατηρήθηκε στους 300 °C, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι εγγενείς ιδιότητες του NADES 8(a)38,39 μπορεί να είναι ελαττωματικές.
Για να ληφθούν πληροφορίες σχετικά με τον σχηματισμό νέων χημικών δεσμών, πρόσφατα παρασκευασμένα εναιωρήματα φυσικών βαθέων ευτηκτικών διαλυτών (NADES) αναλύθηκαν με φασματοσκοπία υπέρυθρης μετατροπής Fourier (FTIR). Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε συγκρίνοντας το φάσμα του εναιωρήματος NADES με τα φάσματα καθαρού κιτρικού οξέος (CA) και γλυκερόλης (Gly). Το φάσμα CA έδειξε σαφείς κορυφές στα 1752 1/cm και 1673 1/cm, οι οποίες αντιπροσωπεύουν τις δονήσεις τάνυσης του δεσμού C=O και είναι επίσης χαρακτηριστικές του CA. Επιπλέον, παρατηρήθηκε σημαντική μετατόπιση στην δόνηση κάμψης OH στα 1360 1/cm στην περιοχή δακτυλικών αποτυπωμάτων, όπως φαίνεται στο Σχήμα 9.
Ομοίως, στην περίπτωση της γλυκερόλης, οι μετατοπίσεις των ταλαντώσεων τάνυσης και κάμψης του ΟΗ βρέθηκαν σε κυματαριθμούς 3291 1/cm και 1414 1/cm, αντίστοιχα. Τώρα, αναλύοντας το φάσμα των παρασκευασμένων NADES, βρέθηκε μια σημαντική μετατόπιση στο φάσμα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 7, η ταλάντωση τάνυσης του δεσμού C=O μετατοπίστηκε από 1752 1/cm σε 1720 1/cm και η ταλάντωση κάμψης του δεσμού -OH της γλυκερόλης μετατοπίστηκε από 1414 1/cm σε 1359 1/cm. Αυτές οι μετατοπίσεις στους κυματαριθμούς υποδεικνύουν την αλλαγή στην ηλεκτραρνητικότητα, η οποία υποδηλώνει τον σχηματισμό νέων χημικών δεσμών στη δομή του NADES.