Sintesi di copolimeri liquidi ionici idrosolubili a base di acrilammide e studio delle loro proprietà nella flocculazione di sospensioni di argilla

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 14177 (2023) Citare questo articolo

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Per superare l'assorbimento di acqua e il rigonfiamento da parte degli strati minerali argillosi, è molto importante sviluppare additivi stabilizzanti per fluidi di perforazione a base acquosa, dove i polimeri organici vengono utilizzati come materie prime. I copolimeri di acrilammide, agendo come agenti flocculanti, hanno il potenziale per separare minerali come la montmorillonite. In questo studio, tre copolimeri idrosolubili contenenti acrilammide-anfotro, acrilammide-anfoter-anione e acrilammide-anfoter-catione sono stati sintetizzati e caratterizzati utilizzando varie tecniche analitiche, tra cui la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier, la risonanza magnetica nucleare, la cromatografia a permeazione di gel, calorimetria differenziale a scansione, analisi termogravimetrica e tecniche termogravimetriche derivate. Questi copolimeri sono stati impiegati come flocculanti per trattare sospensioni acquose contenenti particelle di montmorillonite e sono stati impiegati una serie di metodi analitici, come la misurazione del volume di sedimentazione, l'analisi al microscopio elettronico a scansione, l'analisi della diffrazione dei raggi X e la misurazione dell'angolo di contatto, per identificare la relazione tra prestazione inibitoria. La flocculazione delle piastre di montmorillonite è stata attribuita alle attrazioni elettrostatiche tra la montmorillonite e i copolimeri sintetizzati. I copolimeri ad alto peso molecolare offrono una maggiore stabilità termica e migliori caratteristiche di flocculazione per i fluidi di perforazione a base acquosa. Tra i copolimeri testati, il campione acrilammide-anfoter-anione, con il peso molecolare più elevato, ha mostrato le migliori prestazioni come coagulante rispetto agli altri copolimeri.

I fanghi di perforazione sono costituiti da sospensioni di particelle di montmorillonite in acqua o olio che costituiscono una parte inseparabile del processo di perforazione. La maggior parte dei fanghi di perforazione, attualmente utilizzati nei giacimenti petroliferi, sono formulati in acqua1,2,3. L’idratazione dello scisto durante la perforazione utilizzando fluidi di perforazione a base acquosa rappresenta un grave problema4. I flocculanti sono essenziali per ridurre al minimo il rigonfiamento dello scisto di montmorillonite durante la perforazione5. I flocculanti sintetici sono più efficaci dei flocculanti naturali grazie alla loro efficienza e al basso costo6. La ricerca ha indicato che l'efficienza e la natura della flocculazione sono influenzate da vari fattori quali la struttura, il peso molecolare, la carica e il dosaggio del flocculante. Ad esempio, nei sistemi in cui il bridging è il meccanismo principale di flocculazione, il processo di flocculazione può essere notevolmente migliorato utilizzando un polielettrolita ad alto peso molecolare, indipendentemente dalla sua carica7,8,9. Oltre ai meccanismi di bridging, la flocculazione può avvenire anche attraverso la neutralizzazione della carica, in particolare attraverso il meccanismo di patch. In tali casi, viene tipicamente utilizzato un polielettrolita a basso peso molecolare. Quando si utilizza un polielettrolita cationico in presenza di argille caricate negativamente, la principale forza trainante è l'attrazione elettrostatica10. Numerosi materiali sono stati studiati come potenziali inibitori dello shale, ma la maggior parte di essi subisce un degrado durante la perforazione che ne ostacola le potenziali applicazioni11. I flocculanti generalmente funzionano bene entro intervalli di temperatura specifici. Inoltre, il pH dell’ambiente può avere un impatto significativo sulle prestazioni dei flocculanti. Alcuni flocculanti polimerici mostrano una notevole sensibilità alla salinità del fluido12,13. Vari polimeri solubili in acqua sono stati utilizzati nel fluido di perforazione a base acquosa per prevenire la perdita di fluido. L'elevata temperatura causa il guasto dell'agente di trattamento del fluido di perforazione14. Pertanto è necessario progettare flocculanti resistenti al calore ed ecocompatibili15. I copolimeri di acrilammide vengono utilizzati come additivi dei fluidi di perforazione per superare i problemi di instabilità e collasso delle pareti16. Molti lavori di ricerca hanno indicato che l'acrilammide copolimerizzata con un monomero adatto ha un'elevata stabilità termica17. La maggior parte dei flocculanti sono polimeri a base di acrilammide e possono essere disponibili in forma anionica, cationica, non ionica o anfotera18. L'adsorbimento del copolimero sulla superficie delle particelle di montmorillonite dipende generalmente dal gruppo funzionale dei monomeri e dalla distribuzione della carica19,20,21. L'interazione tra i copolimeri di acrilammide e i fogli di montmorillonite avviene attraverso attrazioni elettrostatiche. Pertanto, man mano che cambia il tipo di gruppi funzionali carichi nella catena del copolimero di acrilammide, cambiano anche le loro interazioni con la montmorillonite22,23,24. Inoltre, il problema principale del mondo attuale è la mancanza di acqua dolce, dovuta all’aumento dell’inquinamento ambientale. La flocculazione è un metodo efficace ed economico per il trattamento delle acque reflue. Esistono molti flocculanti di trattamento delle acque reflue, che vengono utilizzati per rimuovere materiali organici e inorganici15,25,26. Trascurare il trattamento di queste dispersioni può avere effetti dannosi, non solo comportando lo spreco di preziose risorse idriche ma causando anche notevoli problemi ambientali27. La poliacrilammide e i suoi copolimeri sono ampiamente utilizzati nel trattamento delle acque e nella disidratazione dei fanghi. L'efficienza della flocculazione è influenzata da fattori quali il tipo di flocculante utilizzato, il suo peso molecolare e la sua concentrazione nella sospensione acquosa. La flocculazione avviene attraverso meccanismi di neutralizzazione della carica e di bridging. Il processo di flocculazione è considerato efficace e soddisfacente quando si riscontra una notevole diminuzione della torbidità e una sedimentazione accelerata delle particelle28,29,30,31. Nella presente ricerca, copolimeri contenenti monomeri AA, DMAPS, AMPS e DADMAC sono stati preparati e applicati come additivi coagulanti nei fluidi di perforazione a base acquosa. Questi copolimeri possono in gran parte prevenire il rigonfiamento da idratazione dei minerali di montmorillonite e, d'altro canto, provocano la coagulazione creando forze di attrazione elettrostatiche con le particelle di montmorillonite.