Asante kwa kutembelea nature.com. Toleo la kivinjari unachotumia lina usaidizi mdogo wa CSS. Kwa matumizi bora zaidi, tunapendekeza kutumia toleo jipya la kivinjari (au kuzima hali ya utangamano katika Internet Explorer). Zaidi ya hayo, ili kuhakikisha usaidizi unaoendelea, tovuti hii haitajumuisha mitindo au JavaScript.
Upanuzi wa shale katika hifadhi za kawaida husababisha matatizo makubwa, na kusababisha kutokuwa na utulivu wa kisima. Kwa sababu za kimazingira, matumizi ya kimiminika cha kuchimba visima kinachotegemea maji pamoja na vizuizi vya shale vilivyoongezwa yanapendelewa zaidi kuliko kimiminika cha kuchimba visima kinachotegemea mafuta. Vimiminika vya ioni (ILs) vimevutia umakini mkubwa kama vizuizi vya shale kutokana na sifa zao zinazoweza kubadilishwa na sifa kali za umemetuamo. Hata hivyo, vimiminika vya ioni vinavyotegemea imidazoli (ILs), vinavyotumika sana katika vimiminika vya kuchimba visima, vimethibitika kuwa na sumu, haviozi na ni ghali. Vimumunyisho vya kina vya eutektiki (DES) vinachukuliwa kuwa mbadala wa gharama nafuu zaidi na usio na sumu kwa vimiminika vya ioni, lakini bado havifikii uendelevu unaohitajika wa mazingira. Maendeleo ya hivi karibuni katika uwanja huu yamesababisha kuanzishwa kwa vimumunyisho vya asili vya kina vya eutektiki (NADES), vinavyojulikana kwa urafiki wao wa kweli wa mazingira. Utafiti huu ulichunguza NADES, ambazo zina asidi ya citric (kama kipokezi cha dhamana ya hidrojeni) na glycerol (kama mtoaji wa dhamana ya hidrojeni) kama viongezeo vya kimiminika cha kuchimba visima. Maji ya kuchimba visima yenye msingi wa NADES yalitengenezwa kwa mujibu wa API 13B-1 na utendaji wake ulilinganishwa na maji ya kuchimba visima yenye msingi wa potasiamu kloridi, vimiminika vya ioni vyenye msingi wa imidazoliamu, na maji ya kuchimba visima yenye msingi wa kloridi ya koline: urea-DES. Sifa za kifizikia za kemikali za NADES zenye umiliki zimeelezewa kwa undani. Sifa za rheological, upotevu wa maji, na sifa za kuzuia shale za maji ya kuchimba visima zilitathminiwa wakati wa utafiti, na ilionyeshwa kuwa katika mkusanyiko wa 3% NADES, uwiano wa mkazo wa mavuno/mnato wa plastiki (YP/PV) uliongezeka, unene wa keki ya matope ulipunguzwa kwa 26%, na ujazo wa kuchuja ulipunguzwa kwa 30.1%. Ikumbukwe kwamba NADES ilipata kiwango cha kuvutia cha kuzuia upanuzi cha 49.14% na kuongeza uzalishaji wa shale kwa 86.36%. Matokeo haya yanahusishwa na uwezo wa NADES kurekebisha shughuli za uso, uwezo wa zeta, na nafasi kati ya tabaka za udongo, ambazo zinajadiliwa katika karatasi hii ili kuelewa mifumo ya msingi. Kioevu hiki endelevu cha kuchimba visima kinatarajiwa kuleta mapinduzi katika tasnia ya kuchimba visima kwa kutoa njia mbadala isiyo na sumu, ya gharama nafuu, na yenye ufanisi mkubwa kwa vizuizi vya kutu vya shale vya kitamaduni, na hivyo kutengeneza njia ya mazoea ya kuchimba visima rafiki kwa mazingira.
Shale ni mwamba unaoweza kutumika kama chanzo na hifadhi ya hidrokaboni, na muundo wake wenye vinyweleo1 hutoa uwezekano wa uzalishaji na uhifadhi wa rasilimali hizi muhimu. Hata hivyo, shale ina madini mengi ya udongo kama vile montmorillonite, smectite, kaolinite na illite, ambayo huifanya iwe rahisi kuvimba inapogusana na maji, na kusababisha kutokuwa na utulivu wa visima wakati wa shughuli za kuchimba visima2,3. Masuala haya yanaweza kusababisha muda usiozalisha (NPT) na matatizo mengi ya uendeshaji ikiwa ni pamoja na mabomba yaliyokwama, mzunguko wa matope uliopotea, kuanguka kwa visima na uchafu wa vipande, na kuongeza muda wa kupona na gharama. Kijadi, vimiminika vya kuchimba visima vinavyotokana na mafuta (OBDF) vimekuwa chaguo linalopendelewa kwa uundaji wa shale kutokana na uwezo wake wa kupinga upanuzi wa shale4. Hata hivyo, matumizi ya vimiminika vya kuchimba visima vinavyotokana na mafuta yanahusisha gharama kubwa na hatari za kimazingira. Vimiminika vya kuchimba visima vinavyotokana na sintetiki (SBDF) vimezingatiwa kama njia mbadala, lakini kufaa kwao katika halijoto ya juu hakuridhishi. Maji ya kuchimba visima yanayotegemea maji (WBDF) ni suluhisho la kuvutia kwa sababu ni salama zaidi, rafiki kwa mazingira, na yana gharama nafuu zaidi kuliko OBDF5. Vizuizi mbalimbali vya shale vimetumika kuongeza uwezo wa kuzuia shale wa WBDF, ikiwa ni pamoja na vizuizi vya kitamaduni kama vile kloridi ya potasiamu, chokaa, silikati, na polima. Hata hivyo, vizuizi hivi vina mapungufu katika suala la ufanisi na athari za kimazingira, hasa kutokana na mkusanyiko mkubwa wa K+ katika vizuizi vya kloridi ya potasiamu na unyeti wa pH wa silikati. 6 Watafiti wamechunguza uwezekano wa kutumia vimiminika vya ioni kama viongezeo vya maji ya kuchimba visima ili kuboresha rheolojia ya maji ya kuchimba visima na kuzuia uvimbe wa shale na uundaji wa hidrati. Hata hivyo, vimiminika hivi vya ioni, hasa vile vyenye katoni za imidazoli, kwa ujumla ni sumu, ghali, haviozi, na vinahitaji michakato tata ya maandalizi. Ili kutatua matatizo haya, watu walianza kutafuta njia mbadala ya kiuchumi na rafiki kwa mazingira, ambayo ilisababisha kuibuka kwa miyeyusho ya kina ya eutectic (DES). DES ni mchanganyiko wa eutektiki unaoundwa na mtoaji wa dhamana ya hidrojeni (HBD) na kipokezi cha dhamana ya hidrojeni (HBA) kwa uwiano na halijoto maalum ya molari. Michanganyiko hii ya eutektiki ina viwango vya chini vya kuyeyuka kuliko vipengele vyake vya kibinafsi, hasa kutokana na uhamishaji wa chaji unaosababishwa na vifungo vya hidrojeni. Mambo mengi, ikiwa ni pamoja na nishati ya kimiani, mabadiliko ya entropi, na mwingiliano kati ya anioni na HBD, huchukua jukumu muhimu katika kupunguza kiwango cha kuyeyuka cha DES.
Katika tafiti zilizopita, viongezeo mbalimbali viliongezwa kwenye maji yanayochimba visima ili kutatua tatizo la upanuzi wa shale. Kwa mfano, Ofei et al. waliongeza kloridi ya 1-butyl-3-methylimidazolium (BMIM-Cl), ambayo ilipunguza kwa kiasi kikubwa unene wa keki ya matope (hadi 50%) na kupunguza thamani ya YP/PV kwa 11 katika halijoto tofauti. Huang et al. walitumia vimiminika vya ioni (hasa, 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide na 1,2-bis(3-hexylimidazol-1-yl)ethane bromide) pamoja na chembe za Na-Bt na kupunguza kwa kiasi kikubwa uvimbe wa shale kwa 86.43% na 94.17%, mtawalia12. Kwa kuongezea, Yang et al. walitumia 1-vinyl-3-dodecylimidazolium bromidi na 1-vinyl-3-tetradecylimidazolium bromidi kupunguza uvimbe wa shale kwa 16.91% na 5.81%, mtawalia. 13 Yang na wenzake pia walitumia 1-vinyl-3-ethylimidazolium bromidi na kupunguza upanuzi wa shale kwa 31.62% huku wakidumisha urejeshaji wa shale kwa 40.60%. 14 Kwa kuongezea, Luo na wenzake walitumia 1-octyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate kupunguza uvimbe wa shale kwa 80%. 15, 16 Dai na wenzake walitumia kopolimia za kioevu za ioni kuzuia shale na kufikia ongezeko la 18% la urejeshaji wa mstari ikilinganishwa na vizuizi vya amini. 17
Vimiminika vya ioni vyenyewe vina hasara kadhaa, ambazo ziliwafanya wanasayansi kutafuta njia mbadala rafiki zaidi kwa mazingira badala ya vimiminika vya ioni, na hivyo DES ilizaliwa. Hanjia alikuwa wa kwanza kutumia miyeyusho ya kina ya eutectic (DES) iliyojumuisha asidi ya propioni ya kloridi ya vinyl (1:1), kloridi ya vinyl 3-phenylpropionic (1:2), na asidi ya mercaptopropionic 3 + asidi ya itaconic + kloridi ya vinyl (1:1:2), ambayo ilizuia uvimbe wa bentonite kwa 68%, 58%, na 58%, mtawalia. Katika jaribio la bure, MH Rasul alitumia uwiano wa 2:1 wa glycerol na kaboneti ya potasiamu (DES) na kupunguza kwa kiasi kikubwa uvimbe wa sampuli za shale kwa 87%19,20. Ma alitumia urea:kloridi ya vinyl kupunguza kwa kiasi kikubwa upanuzi wa shale kwa 67%.21 Rasul et al. Mchanganyiko wa DES na polima ulitumika kama kizuizi cha shale chenye hatua mbili, ambacho kilipata athari bora ya kuzuia shale22.
Ingawa miyeyusho ya kina eutectic (DES) kwa ujumla huchukuliwa kuwa mbadala wa kijani kibichi zaidi kwa vimiminika vya ioni, pia vina vipengele vinavyoweza kuwa na sumu kama vile chumvi za amonia, jambo ambalo hufanya urafiki wao wa mazingira kuwa wa kutiliwa shaka. Tatizo hili limesababisha ukuzaji wa miyeyusho ya asili ya kina eutectic (NADES). Bado huainishwa kama DES, lakini huundwa na vitu na chumvi asilia, ikiwa ni pamoja na kloridi ya potasiamu (KCl), kloridi ya kalsiamu (CaCl2), chumvi za Epsom (MgSO4.7H2O), na zingine. Michanganyiko mingi inayowezekana ya DES na NADES hufungua wigo mpana wa utafiti katika eneo hili na inatarajiwa kupata matumizi katika nyanja mbalimbali. Watafiti kadhaa wamefanikiwa kutengeneza michanganyiko mipya ya DES ambayo imethibitika kuwa na ufanisi katika matumizi mbalimbali. Kwa mfano, Naser et al. 2013 walitengeneza DES inayotokana na potasiamu kaboneti na kusoma sifa zake za jotofizikia, ambayo baadaye ilipata matumizi katika maeneo ya kuzuia hidrati, viongezeo vya maji ya kuchimba visima, uainishaji, na nanofibrillation. 23 Jordy Kim na wafanyakazi wenzake walitengeneza NADES zenye asidi ya askobiki na kutathmini sifa zake za antioxidant katika matumizi mbalimbali. 24 Christer na wenzake walitengeneza NADES zenye asidi ya citric na kubaini uwezo wake kama kichocheo cha bidhaa za kolajeni. 25 Liu Yi na wafanyakazi wenzake walifupisha matumizi ya NADES kama vyombo vya uchimbaji na chromatografia katika mapitio ya kina, huku Misan na wenzake wakijadili matumizi yaliyofanikiwa ya NADES katika sekta ya chakula cha kilimo. Ni muhimu kwamba watafiti wa maji ya kuchimba visima waanze kuzingatia ufanisi wa NADES katika matumizi yao. Mnamo 2023, Rasul na wenzake walitumia michanganyiko tofauti ya miyeyusho ya asili ya eutectic yenye kina kirefu kulingana na asidi ya askobiki, kloridi ya kalsiamu, kloridi ya potasiamu, na chumvi ya Epsom, na wakapata kizuizi cha kuvutia cha shale na urejeshaji wa shale. Utafiti huu ni mojawapo ya tafiti za kwanza kuanzisha NADES (hasa asidi citric na uundaji unaotegemea gliserili) kama kizuizi cha shale rafiki kwa mazingira na chenye ufanisi katika vimiminika vya kuchimba visima vinavyotegemea maji, ambacho kina uthabiti bora wa mazingira, uwezo ulioboreshwa wa kuzuia shale na utendaji ulioboreshwa wa kimiminika ikilinganishwa na vizuizi vya kitamaduni kama vile KCl, vimiminika vya ioni vinavyotegemea imidazoli na DES ya kitamaduni.
Utafiti huu utahusisha utayarishaji wa ndani wa NADES zenye msingi wa asidi citric (CA) ukifuatiwa na uainishaji wa kina wa kifizikiakemikali na matumizi yake kama kiongeza cha maji ya kuchimba ili kutathmini sifa za maji ya kuchimba na uwezo wake wa kuzuia uvimbe. Katika utafiti huu, CA itatenda kama kipokezi cha dhamana ya hidrojeni huku glycerol (Gly) ikitenda kama mfadhili wa dhamana ya hidrojeni aliyechaguliwa kulingana na vigezo vya uchunguzi wa MH kwa ajili ya uundaji/uteuzi wa NADES katika masomo ya kuzuia shale30. Vipimo vya spektroskopia ya infrared ya fourier (FTIR), diffraction ya X-ray (XRD) na zeta potential (ZP) vitafafanua mwingiliano wa NADES na udongo na utaratibu unaosababisha kizuizi cha uvimbe wa udongo. Zaidi ya hayo, utafiti huu utalinganisha maji ya kuchimba yanayotegemea CA NADES na DES32 kulingana na 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl na kloridi ya koline:urea (1:2) ili kuchunguza ufanisi wao katika kizuizi cha shale na kuboresha utendaji wa maji ya kuchimba.
Asidi ya citriki (monohidrati), gliserili (99 USP), na urea zilinunuliwa kutoka EvaChem, Kuala Lumpur, Malaysia. Kloridi ya koline (>98%), [EMIM]Cl 98%, na kloridi ya potasiamu zilinunuliwa kutoka Sigma Aldrich, Malaysia. Miundo ya kemikali ya kemikali zote imeonyeshwa kwenye Mchoro 1. Mchoro wa kijani unalinganisha kemikali kuu zilizotumika katika utafiti huu: kioevu cha ioni cha imidazoli, kloridi ya koline (DES), asidi ya citric, gliserili, kloridi ya potasiamu, na NADES (asidi ya citric na gliserili). Jedwali la urafiki wa mazingira la kemikali zilizotumika katika utafiti huu limewasilishwa katika Jedwali 1. Katika jedwali, kila kemikali imekadiriwa kulingana na sumu, uozo wa kibiolojia, gharama, na uendelevu wa mazingira.
Miundo ya kemikali ya vifaa vilivyotumika katika utafiti huu: (a) asidi citric, (b) [EMIM]Cl, (c) kloridi ya kolini, na (d) gliserini.
Wagombea wa mfadhili wa dhamana ya hidrojeni (HBD) na kipokeaji cha dhamana ya hidrojeni (HBA) kwa ajili ya ukuzaji wa NADES zenye msingi wa CA (asili ya eutectic solvent) walichaguliwa kwa uangalifu kulingana na vigezo vya uteuzi vya MH 30, ambavyo vimekusudiwa kwa ajili ya ukuzaji wa NADES kama vizuizi bora vya shale. Kulingana na kigezo hiki, vipengele vyenye idadi kubwa ya wafadhili na vipokeaji vya dhamana ya hidrojeni pamoja na vikundi vya utendaji kazi vya polar vinachukuliwa kuwa vinafaa kwa ajili ya ukuzaji wa NADES.
Kwa kuongezea, kioevu cha ioni [EMIM]Cl na kiyeyusho cha kloridi ya koline:urea kina eutectic (DES) vilichaguliwa kwa ajili ya kulinganisha katika utafiti huu kwa sababu vinatumika sana kama viongezeo vya maji ya kuchimba visima33,34,35,36. Kwa kuongezea, kloridi ya potasiamu (KCl) ililinganishwa kwa sababu ni kizuizi cha kawaida.
Asidi ya citric na glycerol zilichanganywa katika uwiano tofauti wa molari ili kupata michanganyiko ya eutectic. Ukaguzi wa kuona ulionyesha kuwa mchanganyiko wa eutectic ulikuwa kioevu sawa, chenye uwazi bila mawimbi, ikionyesha kwamba mtoaji wa dhamana ya hidrojeni (HBD) na kipokezi cha dhamana ya hidrojeni (HBA) vilichanganywa kwa mafanikio katika muundo huu wa eutectic. Majaribio ya awali yalifanywa ili kuchunguza tabia inayotegemea halijoto ya mchakato wa kuchanganya HBD na HBA. Kulingana na machapisho yaliyopatikana, uwiano wa michanganyiko ya eutectic ulipimwa katika halijoto tatu maalum zaidi ya 50 °C, 70 °C na 100 °C, ikionyesha kwamba halijoto ya eutectic kwa kawaida huwa katika kiwango cha 50–80 °C. Usawa wa kidijitali wa Mettler ulitumika kupima kwa usahihi vipengele vya HBD na HBA, na sahani ya moto ya Thermo Fisher ilitumika kupasha joto na kukoroga HBD na HBA kwa 100 rpm chini ya hali zilizodhibitiwa.
Sifa za jotofizikia za kiyeyusho chetu cha kina cha eutektiki kilichosanisiwa (DES), ikijumuisha msongamano, mvutano wa uso, faharisi ya kuakisi, na mnato, zilipimwa kwa usahihi katika kiwango cha halijoto kuanzia 289.15 hadi 333.15 K. Ikumbukwe kwamba kiwango hiki cha halijoto kilichaguliwa hasa kutokana na mapungufu ya vifaa vilivyopo. Uchambuzi wa kina ulijumuisha utafiti wa kina wa sifa mbalimbali za jotofizikia za uundaji huu wa NADES, ukifichua tabia zao katika kiwango cha halijoto mbalimbali. Kuzingatia kiwango hiki maalum cha halijoto hutoa ufahamu kuhusu sifa za NADES ambazo ni muhimu sana kwa matumizi kadhaa.
Mvutano wa uso wa NADES ulioandaliwa ulipimwa katika kiwango cha kuanzia 289.15 hadi 333.15 K kwa kutumia kipimo cha mvutano wa uso (IFT700). Matone ya NADES huundwa katika chumba kilichojaa kiasi kikubwa cha kioevu kwa kutumia sindano ya kapilari chini ya hali maalum ya joto na shinikizo. Mifumo ya kisasa ya upigaji picha huanzisha vigezo sahihi vya kijiometri ili kuhesabu mvutano wa uso kwa kutumia mlinganyo wa Laplace.
Kinzani cha ATAGO kilitumika kubaini faharasa ya kuakisi ya NADES zilizoandaliwa hivi karibuni katika kiwango cha halijoto cha 289.15 hadi 333.15 K. Kifaa hiki hutumia moduli ya joto kudhibiti halijoto ili kukadiria kiwango cha kuakisi mwanga, na kuondoa hitaji la bafu ya maji yenye halijoto isiyobadilika. Uso wa prismu wa kinzani unapaswa kusafishwa na suluhisho la sampuli linapaswa kusambazwa sawasawa juu yake. Rekebisha kwa kutumia suluhisho la kawaida linalojulikana, kisha usome faharasa ya kuakisi kutoka kwenye skrini.
Mnato wa NADES zilizoandaliwa ulipimwa katika kiwango cha halijoto cha 289.15 hadi 333.15 K kwa kutumia kipima joto cha Brookfield (aina ya cryogenic) kwa kiwango cha kukata cha 30 rpm na ukubwa wa kipima joto cha 6. Kipima joto hupima mnato kwa kubaini torque inayohitajika kuzungusha kipima joto kwa kasi isiyobadilika katika sampuli ya kioevu. Baada ya sampuli kuwekwa kwenye skrini chini ya kipima joto na kukazwa, kipima joto huonyesha mnato katika sentipoise (cP), na kutoa taarifa muhimu kuhusu sifa za rheological za kioevu.
Kipima msongamano kinachobebeka cha DMA 35 Basic kilitumika kubaini msongamano wa kiyeyusho cha asilia chenye kina kirefu cha eutectic (NDEES) kilichoandaliwa hivi karibuni katika kiwango cha halijoto cha 289.15–333.15 K. Kwa kuwa kifaa hakina hita iliyojengewa ndani, lazima iwekwe moto hadi halijoto maalum (± 2 °C) kabla ya kutumia mita ya msongamano ya NADES. Chora angalau mililita 2 za sampuli kupitia bomba, na msongamano utaonyeshwa mara moja kwenye skrini. Inafaa kuzingatia kwamba kutokana na ukosefu wa hita iliyojengewa ndani, matokeo ya kipimo yana hitilafu ya ± 2 °C.
Ili kutathmini pH ya NADES zilizoandaliwa hivi karibuni katika kiwango cha halijoto cha 289.15–333.15 K, tulitumia mita ya pH ya Kenis benchtop. Kwa kuwa hakuna kifaa cha kupasha joto kilichojengewa ndani, NADES ilipashwa joto kwanza hadi halijoto inayotakiwa (±2 °C) kwa kutumia hotplate kisha ikapimwa moja kwa moja na mita ya pH. Ingiza kabisa kipima pH katika NADES na urekodi thamani ya mwisho baada ya usomaji kutulia.
Uchambuzi wa Thermogravimetric (TGA) ulitumika kutathmini uthabiti wa joto wa miyeyusho asilia ya kina ya eutectic (NADES). Sampuli zilichambuliwa wakati wa kupasha joto. Kwa kutumia usawa wa usahihi wa hali ya juu na kufuatilia kwa makini mchakato wa kupasha joto, njama ya upotevu wa wingi dhidi ya halijoto ilitolewa. NADES ilipashwa joto kutoka 0 hadi 500 °C kwa kiwango cha 1 °C kwa dakika.
Ili kuanza mchakato, sampuli ya NADES lazima ichanganywe vizuri, ibadilishwe kuwa homogeneous, na unyevunyevu wa uso uondolewe. Sampuli iliyoandaliwa kisha huwekwa kwenye cuvette ya TGA, ambayo kwa kawaida hutengenezwa kwa nyenzo isiyo na maji kama vile alumini. Ili kuhakikisha matokeo sahihi, vifaa vya TGA hurekebishwa kwa kutumia vifaa vya marejeleo, kwa kawaida viwango vya uzito. Mara tu baada ya kurekebishwa, jaribio la TGA huanza na sampuli hupashwa joto kwa njia iliyodhibitiwa, kwa kawaida kwa kasi ya mara kwa mara. Ufuatiliaji unaoendelea wa uhusiano kati ya uzito wa sampuli na halijoto ni sehemu muhimu ya jaribio. Vifaa vya TGA hukusanya data kuhusu halijoto, uzito, na vigezo vingine kama vile mtiririko wa gesi au halijoto ya sampuli. Mara tu jaribio la TGA litakapokamilika, data iliyokusanywa inachambuliwa ili kubaini mabadiliko katika uzito wa sampuli kama kazi ya halijoto. Taarifa hii ni muhimu katika kubaini viwango vya halijoto vinavyohusiana na mabadiliko ya kimwili na kemikali katika sampuli, ikiwa ni pamoja na michakato kama vile kuyeyuka, uvukizi, oksidi, au kuoza.
Kimiminika cha kuchimba visima kinachotegemea maji kiliundwa kwa uangalifu kulingana na kiwango cha API 13B-1, na muundo wake maalum umeorodheshwa katika Jedwali la 2 kwa marejeleo. Asidi ya citric na glycerol (99 USP) zilinunuliwa kutoka Sigma Aldrich, Malaysia ili kuandaa kiyeyusho asilia cha eutectic kirefu (NADES). Kwa kuongezea, kloridi ya potasiamu ya kawaida inayozuia shale (KCl) pia ilinunuliwa kutoka Sigma Aldrich, Malaysia. 1-ethili, 3-methylimidazoliamu kloridi ([EMIM]Cl) yenye usafi wa zaidi ya 98% ilichaguliwa kutokana na athari yake muhimu katika kuboresha rheolojia ya kimiminika cha kuchimba visima na kizuizi cha shale, ambayo ilithibitishwa katika tafiti za awali. KCl na ([EMIM]Cl) zote mbili zitatumika katika uchanganuzi wa kulinganisha ili kutathmini utendaji wa kizuizi cha shale cha NADES.
Watafiti wengi wanapendelea kutumia vipande vya bentonite kusoma uvimbe wa shale kwa sababu bentonite ina kundi lile lile la "montmorillonite" linalosababisha uvimbe wa shale. Kupata sampuli halisi za msingi wa shale ni changamoto kwa sababu mchakato wa kuzungusha shale hudhoofisha utulivu wa shale, na kusababisha sampuli ambazo si shale kabisa lakini kwa kawaida huwa na mchanganyiko wa tabaka za mchanga na chokaa. Kwa kuongezea, sampuli za shale kwa kawaida hazina vikundi vya montmorillonite vinavyosababisha uvimbe wa shale na kwa hivyo hazifai kwa majaribio ya kuzuia uvimbe.
Katika utafiti huu, tulitumia chembe za bentonite zilizoundwa upya zenye kipenyo cha takriban sentimita 2.54. Chembe hizo zilitengenezwa kwa kubonyeza gramu 11.5 za unga wa bentonite wa sodiamu katika kifaa cha kusukuma majimaji kwa psi 1600. Unene wa chembe hizo ulipimwa kwa usahihi kabla ya kuwekwa kwenye kipima mwangaza cha mstari (LD). Kisha chembe hizo zilizamishwa kwenye sampuli za umajimaji wa kuchimba visima, ikiwa ni pamoja na sampuli za msingi na sampuli zilizodungwa vizuizi vinavyotumika kuzuia uvimbe wa shale. Mabadiliko ya unene wa chembe hizo yalifuatiliwa kwa uangalifu kwa kutumia LD, huku vipimo vikirekodiwa kwa vipindi vya sekunde 60 kwa saa 24.
Mtawanyiko wa X-ray ulionyesha kuwa muundo wa bentonite, haswa sehemu yake ya 47% ya montmorillonite, ni jambo muhimu katika kuelewa sifa zake za kijiolojia. Miongoni mwa vipengele vya montmorillonite vya bentonite, montmorillonite ndio sehemu kuu, ikihesabu 88.6% ya vipengele vyote. Wakati huo huo, quartz inahesabu 29%, illite inawakilisha 7%, na kaboneti inawakilisha 9%. Sehemu ndogo (karibu 3.2%) ni mchanganyiko wa illite na montmorillonite. Kwa kuongezea, ina vipengele vidogo kama vile Fe2O3 (4.7%), aluminosilicate ya fedha (1.2%), muscovite (4%), na fosfeti (2.3%). Kwa kuongezea, kiasi kidogo cha Na2O (1.83%) na silicate ya chuma (2.17%) vipo, ambayo inafanya iwezekane kuthamini kikamilifu vipengele vya bentonite na uwiano wake husika.
Sehemu hii ya utafiti kamili inaelezea sifa za rheological na uchujaji wa sampuli za maji ya kuchimba visima zilizotayarishwa kwa kutumia kiyeyusho asilia cha kina kirefu cha eutectic (NADES) na kutumika kama nyongeza ya maji ya kuchimba visima katika viwango tofauti (1%, 3% na 5%). Sampuli za tope zinazotegemea NADES zililinganishwa na kuchanganuliwa kwa kutumia sampuli za tope zinazojumuisha kloridi ya potasiamu (KCl), CC:urea DES (kloridi ya koline kloridi kirefu cha eutectic:urea) na vimiminika vya ioni. Vigezo kadhaa muhimu vilifunikwa katika utafiti huu ikijumuisha usomaji wa mnato uliopatikana kwa kutumia viscometer ya FANN kabla na baada ya kukabiliwa na hali ya kuzeeka kwa 100°C na 150°C. Vipimo vilichukuliwa kwa kasi tofauti za mzunguko (3 rpm, 6 rpm, 300 rpm na 600 rpm) na kuruhusu uchambuzi kamili wa tabia ya maji ya kuchimba visima. Data iliyopatikana inaweza kutumika kubaini sifa muhimu kama vile kiwango cha mavuno (YP) na mnato wa plastiki (PV), ambayo hutoa ufahamu wa utendaji wa maji chini ya hali mbalimbali. Vipimo vya uchujaji wa shinikizo la juu la joto (HPHT) katika 400 psi na 150°C (joto la kawaida katika visima vya joto la juu) huamua utendaji wa uchujaji (unene wa keki na ujazo wa uchujaji).
Sehemu hii inatumia vifaa vya kisasa, Kipimajoto cha Grace HPHT Linear (M4600), ili kutathmini kwa kina sifa za kuzuia uvimbe wa shale za majimaji yetu ya kuchimba visima yanayotumia maji. LSM ni mashine ya kisasa inayojumuisha vipengele viwili: kifaa cha kukamua sahani na kifaa cha kukamua mstari (mfano: M4600). Sahani za Bentonite zilitayarishwa kwa ajili ya uchambuzi kwa kutumia Kipimajoto cha Grace Core/Plate. Kisha LSM hutoa data ya uvimbe wa haraka kwenye sahani hizi, ikiruhusu tathmini kamili ya sifa za kuzuia uvimbe wa shale. Majaribio ya upanuzi wa shale yalifanywa chini ya hali ya mazingira, yaani, 25°C na 1 psia.
Upimaji wa uthabiti wa shale unahusisha jaribio muhimu ambalo mara nyingi hujulikana kama jaribio la urejeshaji wa shale, jaribio la kuzama kwa shale au jaribio la utawanyiko wa shale. Ili kuanza tathmini hii, vipandikizi vya shale hutenganishwa kwenye skrini ya BSS #6 na kisha kuwekwa kwenye skrini ya #10. Kisha vipandikizi hulishwa kwenye tanki la kuhifadhia ambapo huchanganywa na umajimaji wa msingi na matope ya kuchimba yenye NADES (Natural Deep Eutectic Solvent). Hatua inayofuata ni kuweka mchanganyiko katika oveni kwa mchakato mkali wa kuviringisha moto, kuhakikisha kwamba vipandikizi na matope vimechanganywa vizuri. Baada ya saa 16, vipandikizi huondolewa kwenye massa kwa kuruhusu shale kuoza, na kusababisha kupungua kwa uzito wa vipandikizi. Jaribio la urejeshaji wa shale lilifanyika baada ya vipandikizi vya shale kushikiliwa kwenye matope ya kuchimba kwa joto la 150°C na inchi 1000 psi. ndani ya saa 24.
Ili kupima urejeshaji wa matope ya shale, tuliyachuja kupitia skrini nyembamba zaidi (mesh 40), kisha tukayaosha vizuri kwa maji, na hatimaye tukayakausha kwenye oveni. Utaratibu huu mgumu unaturuhusu kukadiria matope yaliyopatikana ikilinganishwa na uzito wa awali, hatimaye kuhesabu asilimia ya matope ya shale yaliyopatikana kwa mafanikio. Chanzo cha sampuli za shale kinatoka Wilaya ya Niah, Wilaya ya Miri, Sarawak, Malaysia. Kabla ya majaribio ya utawanyiko na urejeshaji, sampuli za shale zilifanyiwa uchambuzi wa kina wa diffraction ya X-ray (XRD) ili kupima muundo wao wa udongo na kuthibitisha kufaa kwao kwa majaribio. Muundo wa madini ya udongo wa sampuli ni kama ifuatavyo: illite 18%, kaolinite 31%, kloridi 22%, vermiculite 10%, na mica 19%.
Mvutano wa uso ni jambo muhimu linalodhibiti kupenya kwa katoni za maji kwenye vinyweleo vya shale kupitia hatua ya kapilari, ambayo itasomwa kwa undani katika sehemu hii. Karatasi hii inachunguza jukumu la mvutano wa uso katika sifa ya mshikamano wa vimiminika vya kuchimba visima, ikiangazia ushawishi wake muhimu kwenye mchakato wa kuchimba visima, haswa kizuizi cha shale. Tulitumia kipima mvutano wa uso (IFT700) kupima kwa usahihi mvutano wa uso wa sampuli za vimiminika vya kuchimba visima, ikifichua kipengele muhimu cha tabia ya vimiminika katika muktadha wa kizuizi cha shale.
Sehemu hii inajadili kwa undani nafasi kati ya tabaka la d, ambayo ni umbali kati ya tabaka za aluminiosiliti na safu moja ya aluminiosiliti katika udongo wa mfinyanzi. Uchambuzi ulihusisha sampuli za matope yenye unyevunyevu zenye 1%, 3% na 5% CA NADES, pamoja na 3% KCl, 3% [EMIM]Cl na 3% CC:urea kulingana na DES kwa ajili ya kulinganisha. Kipima-mwanga cha X-ray cha kisasa zaidi (D2 Phaser) kinachofanya kazi kwa 40 mA na 45 kV chenye mionzi ya Cu-Kα (λ = 1.54059 Å) kilichukua jukumu muhimu katika kurekodi vilele vya mtawanyiko wa X-ray vya sampuli za Na-Bt zenye unyevunyevu na kavu. Utumiaji wa mlinganyo wa Bragg huwezesha uamuzi sahihi wa nafasi kati ya tabaka la d, na hivyo kutoa taarifa muhimu kuhusu tabia ya udongo.
Sehemu hii inatumia kifaa cha hali ya juu cha Malvern Zetasizer Nano ZSP kupima kwa usahihi uwezo wa zeta. Tathmini hii ilitoa taarifa muhimu kuhusu sifa za chaji za sampuli za matope zilizopunguzwa zenye 1%, 3%, na 5% CA NADES, pamoja na 3% KCl, 3% [EMIM]Cl, na 3% CC:urea-based DES kwa ajili ya uchambuzi wa kulinganisha. Matokeo haya yanachangia uelewa wetu wa uthabiti wa misombo ya kolloidal na mwingiliano wake katika vimiminika.
Sampuli za udongo zilichunguzwa kabla na baada ya kuathiriwa na kiyeyusho asilia cha kina cha eutektiki (NADES) kwa kutumia darubini ya elektroni ya Zeiss Supra 55 VP skanning field electric emission scanning (FESEM) iliyo na X-ray ya kutawanya nishati (EDX). Azimio la upigaji picha lilikuwa 500 nm na nishati ya boriti ya elektroni ilikuwa 30 kV na 50 kV. FESEM hutoa taswira ya ubora wa juu ya mofolojia ya uso na sifa za kimuundo za sampuli za udongo. Lengo la utafiti huu lilikuwa kupata taarifa kuhusu athari za NADES kwenye sampuli za udongo kwa kulinganisha picha zilizopatikana kabla na baada ya kuathiriwa.
Katika utafiti huu, teknolojia ya darubini ya elektroni ya skanning ya uzalishaji wa shambani (FESEM) ilitumika kuchunguza athari za NADES kwenye sampuli za udongo katika kiwango cha hadubini. Lengo la utafiti huu ni kufafanua matumizi yanayowezekana ya NADES na athari zake kwenye mofolojia ya udongo na ukubwa wa wastani wa chembe, ambayo itatoa taarifa muhimu kwa utafiti katika uwanja huu.
Katika utafiti huu, pau za makosa zilitumika kuelezea kwa macho tofauti na kutokuwa na uhakika wa hitilafu ya wastani wa asilimia (AMPE) katika hali za majaribio. Badala ya kupanga thamani za AMPE za kila mmoja (kwa kuwa kupanga thamani za AMPE kunaweza kuficha mitindo na kuzidisha tofauti ndogo), tunahesabu pau za makosa kwa kutumia sheria ya 5%. Mbinu hii inahakikisha kwamba kila pau ya makosa inawakilisha muda ambao muda wa kujiamini wa 95% na 100% ya thamani za AMPE zinatarajiwa kuanguka, na hivyo kutoa muhtasari ulio wazi na mfupi zaidi wa usambazaji wa data kwa kila hali ya majaribio. Kutumia pau za makosa kulingana na sheria ya 5% kwa hivyo kunaboresha utafsiri na uaminifu wa uwakilishi wa picha na husaidia kutoa uelewa wa kina zaidi wa matokeo na athari zake.
Katika usanisi wa miyeyusho asilia ya eutektiki ya kina (NADES), vigezo kadhaa muhimu vilisomwa kwa uangalifu wakati wa mchakato wa maandalizi ya ndani. Vipengele hivi muhimu ni pamoja na halijoto, uwiano wa molari, na kasi ya kuchanganya. Majaribio yetu yanaonyesha kwamba HBA (asidi ya citric) na HBD (glycerol) zinapochanganywa kwa uwiano wa molari wa 1:4 kwa 50°C, mchanganyiko wa eutektiki huundwa. Kipengele tofauti cha mchanganyiko wa eutektiki ni mwonekano wake wa uwazi na usawa, na kutokuwepo kwa mashapo. Kwa hivyo, hatua hii muhimu inaangazia umuhimu wa uwiano wa molari, halijoto, na kasi ya kuchanganya, kati ya ambayo uwiano wa molari ulikuwa sababu yenye ushawishi mkubwa katika utayarishaji wa DES na NADES, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 2.
Kielezo cha kuakisi (n) kinaonyesha uwiano wa kasi ya mwanga katika ombwe na kasi ya mwanga katika njia ya pili, yenye msongamano zaidi. Kielezo cha kuakisi kinavutia hasa kwa miyeyusho asilia ya eutektiki ya kina (NADES) wakati wa kuzingatia matumizi nyeti ya macho kama vile vihisi vya kibiolojia. Kielezo cha kuakisi cha NADES zilizosomwa kwa 25 °C kilikuwa 1.452, ambacho ni cha chini cha kuvutia kuliko kile cha glycerol.
Inafaa kuzingatia kwamba fahirisi ya kuakisi ya NADES hupungua kadri halijoto inavyoongezeka, na mwelekeo huu unaweza kuelezewa kwa usahihi kwa kutumia fomula (1) na Mchoro 3, huku hitilafu ya wastani kabisa ya asilimia (AMPE) ikifikia 0%. Tabia hii inayotegemea halijoto inaelezewa na kupungua kwa mnato na msongamano katika halijoto ya juu, na kusababisha mwanga kusafiri kupitia njia kwa kasi ya juu zaidi, na kusababisha thamani ya chini ya fahirisi ya kuakisi (n). Matokeo haya hutoa maarifa muhimu kuhusu matumizi ya kimkakati ya NADES katika utambuzi wa macho, yakionyesha uwezo wao kwa matumizi ya vihisi vya kibiolojia.
Mvutano wa uso, ambao unaonyesha mwelekeo wa uso wa kioevu kupunguza eneo lake, ni muhimu sana katika kutathmini ufaa wa miyeyusho ya asili ya eutectic (NADES) kwa matumizi yanayotegemea shinikizo la kapilari. Utafiti wa mvutano wa uso katika kiwango cha halijoto cha 25–60 °C hutoa taarifa muhimu. Katika 25 °C, mvutano wa uso wa NADES unaotegemea asidi ya citric ulikuwa 55.42 mN/m2, ambao ni mdogo sana kuliko ule wa maji na glycerol. Mchoro 4 unaonyesha kwamba mvutano wa uso hupungua sana kadri halijoto inavyoongezeka. Jambo hili linaweza kuelezewa na ongezeko la nishati ya kinetiki ya molekuli na kupungua kwa nguvu za kuvutia za molekuli.
Mwelekeo wa kupungua kwa mvutano wa uso kwa mstari unaoonekana katika NADES zilizosomwa unaweza kuonyeshwa vyema kwa mlinganyo (2), unaoonyesha uhusiano wa msingi wa hisabati katika kiwango cha halijoto cha 25–60 °C. Grafu katika Mchoro 4 inaonyesha wazi mwenendo wa mvutano wa uso na halijoto yenye hitilafu ya wastani wa asilimia (AMPE) ya 1.4%, ambayo hupima usahihi wa thamani za mvutano wa uso zilizoripotiwa. Matokeo haya yana athari muhimu kwa kuelewa tabia ya NADES na matumizi yake yanayowezekana.
Kuelewa mienendo ya msongamano wa miyeyusho asilia ya kina ya eutektiki (NADES) ni muhimu ili kurahisisha matumizi yake katika tafiti nyingi za kisayansi. Msongamano wa NADES zenye msingi wa asidi ya citric katika 25°C ni 1.361 g/cm3, ambayo ni kubwa kuliko msongamano wa gliserini mzazi. Tofauti hii inaweza kuelezewa kwa kuongezwa kwa kipokezi cha dhamana ya hidrojeni (asidi ya citric) kwenye gliserini.
Kwa mfano, NADES zenye msingi wa sitrati, msongamano wake hupungua hadi 1.19 g/cm3 kwa 60°C. Ongezeko la nishati ya kinetiki linapopashwa joto husababisha molekuli za NADES kutawanyika, na kuzifanya kuchukua ujazo mkubwa zaidi, na kusababisha kupungua kwa msongamano. Kupungua kwa msongamano kunakoonekana kunaonyesha uhusiano fulani wa mstari na ongezeko la halijoto, ambalo linaweza kuonyeshwa ipasavyo kwa fomula (3). Mchoro 5 unaonyesha kwa michoro sifa hizi za mabadiliko ya msongamano wa NADES kwa hitilafu ya wastani kabisa ya asilimia (AMPE) ya 1.12%, ambayo hutoa kipimo cha kiasi cha usahihi wa thamani za msongamano zilizoripotiwa.
Mnato ni nguvu ya kuvutia kati ya tabaka tofauti za kimiminika kinachotembea na huchukua jukumu muhimu katika kuelewa utumiaji wa miyeyusho asilia ya eutectic (NADES) katika matumizi mbalimbali. Katika 25 °C, mnato wa NADES ulikuwa 951 cP, ambayo ni kubwa kuliko ile ya glycerol.
Kupungua kwa mnato kunakoonekana pamoja na ongezeko la joto kunaelezewa zaidi na kudhoofika kwa nguvu za kuvutia za molekuli. Jambo hili husababisha kupungua kwa mnato wa umajimaji, mwenendo unaoonyeshwa wazi katika Mchoro 6 na kupimwa na Mlinganyo (4). Ikumbukwe kwamba, katika 60°C, mnato hushuka hadi 898 cP huku hitilafu ya wastani wa asilimia (AMPE) ya 1.4%. Uelewa wa kina wa utegemezi wa mnato dhidi ya halijoto katika NADES ni muhimu sana kwa matumizi yake ya vitendo.
pH ya myeyusho, inayoamuliwa na logaritimu hasi ya mkusanyiko wa ioni za hidrojeni, ni muhimu, hasa katika matumizi nyeti kwa pH kama vile usanisi wa DNA, kwa hivyo pH ya NADES lazima isomewe kwa uangalifu kabla ya matumizi. Kwa kuchukua NADES zenye asidi ya citric kama mfano, pH yenye asidi ya 1.91 inaweza kuzingatiwa, ambayo ni tofauti sana na pH isiyo na upande wowote ya glycerol.
Cha kufurahisha ni kwamba, pH ya kiyeyusho asilia cha asidi citric dehydrogenase mumunyifu (NADES) kilionyesha mwelekeo wa kupungua usio wa mstari pamoja na ongezeko la halijoto. Jambo hili linahusishwa na ongezeko la mitetemo ya molekuli inayovuruga usawa wa H+ katika myeyusho, na kusababisha uundaji wa ioni [H]+ na, kwa upande wake, mabadiliko katika thamani ya pH. Ingawa pH asilia ya asidi citric inatofautiana kutoka 3 hadi 5, uwepo wa hidrojeni tindikali katika gliserini hupunguza zaidi pH hadi 1.91.
Tabia ya pH ya NADES zenye msingi wa sitrati katika kiwango cha halijoto cha 25–60 °C inaweza kuwakilishwa ipasavyo na mlinganyo (5), ambao hutoa usemi wa kihisabati kwa mwenendo wa pH ulioonekana. Mchoro 7 unaonyesha uhusiano huu wa kuvutia kwa njia ya picha, ukionyesha athari ya halijoto kwenye pH ya NADES, ambayo inaripotiwa kuwa 1.4% kwa AMPE.
Uchambuzi wa jotogravimetric (TGA) wa kiyeyusho asilia cha asidi citric kina eutectic (NADES) ulifanyika kwa utaratibu katika kiwango cha halijoto kuanzia joto la kawaida hadi 500 °C. Kama inavyoonekana kutoka kwa Mchoro 8a na b, upotevu wa awali wa uzito hadi 100 °C ulitokana hasa na maji yaliyofyonzwa na maji yaliyochanganywa na asidi citric na glycerol safi. Uhifadhi mkubwa wa uzito wa takriban 88% ulionekana hadi 180 °C, ambao ulitokana hasa na kuoza kwa asidi citric hadi asidi aconitic na uundaji uliofuata wa anhidridi ya methylmaleic (III) baada ya kupashwa joto zaidi (Mchoro 8 b). Zaidi ya 180 °C, mwonekano wazi wa akrolini (acrylaldehyde) katika glycerol pia ungeweza kuonekana, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 8b37.
Uchambuzi wa Thermogravimetric (TGA) wa glycerol ulionyesha mchakato wa upotevu wa uzito wa hatua mbili. Hatua ya awali (180 hadi 220 °C) inahusisha uundaji wa akrolini, ikifuatiwa na upotevu mkubwa wa uzito katika halijoto ya juu kutoka 230 hadi 300 °C (Mchoro 8a). Kadri halijoto inavyoongezeka, asetaldehidi, kaboni dioksidi, methane, na hidrojeni huundwa mfululizo. Ikumbukwe kwamba ni 28% tu ya uzito uliohifadhiwa kwenye 300 °C, ikidokeza kwamba sifa za ndani za NADES 8(a)38,39 zinaweza kuwa na kasoro.
Ili kupata taarifa kuhusu uundaji wa vifungo vipya vya kemikali, vimiminiko vilivyotayarishwa hivi karibuni vya miyeyusho asilia ya kina ya eutectic (NADES) vilichambuliwa na spektroskopia ya infrared ya Fourier (FTIR). Uchambuzi ulifanywa kwa kulinganisha wigo wa kumiminika kwa NADES na spektroskopia ya asidi safi ya citric (CA) na glycerol (Gly). Wigo wa CA ulionyesha vilele vilivyo wazi katika 1752 1/cm na 1673 1/cm, ambavyo vinawakilisha mitetemo ya kunyoosha ya kifungo cha C=O na pia ni sifa ya CA. Kwa kuongezea, mabadiliko makubwa katika mtetemo wa kupinda kwa OH katika 1360 1/cm yalionekana katika eneo la alama za vidole, kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 9.
Vile vile, katika kesi ya glycerol, mabadiliko ya mitetemo ya kunyoosha na kupinda ya OH yalipatikana katika nambari za mawimbi za 3291 1/cm na 1414 1/cm, mtawalia. Sasa, kwa kuchanganua wigo wa NADES zilizoandaliwa, mabadiliko makubwa katika wigo yalipatikana. Kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 7, mtetemo wa kunyoosha wa dhamana ya C=O ulibadilika kutoka 1752 1/cm hadi 1720 1/cm na mtetemo wa kupinda wa dhamana ya -OH ya glycerol ulibadilika kutoka 1414 1/cm hadi 1359 1/cm. Mabadiliko haya katika nambari za mawimbi yanaonyesha mabadiliko katika upendeleo wa umeme, ambayo yanaonyesha uundaji wa vifungo vipya vya kemikali katika muundo wa NADES.