Síntese de copolímeros líquidos iônicos solúveis em água à base de acrilamida e investigação de suas propriedades na floculação de suspensões de argila

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 14177 (2023) Citar este artigo

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Para superar a absorção de água e o inchaço pelas camadas de argilominerais, é muito importante desenvolver aditivos estabilizantes para fluidos de perfuração à base de água, onde polímeros orgânicos são utilizados como matéria-prima. Os copolímeros de acrilamida, atuando como agentes floculantes, têm potencial para separar minerais como a montmorilonita. Neste estudo três copolímeros solúveis em água contendo acrilamida-anfoter, acrilamida-anfoter-ânion e acrilamida-anfoter-cátion foram sintetizados e caracterizados usando várias técnicas analíticas, incluindo espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier, ressonância magnética nuclear, cromatografia de permeação em gel, calorimetria de varredura diferencial, análise termogravimétrica e técnicas gravimétricas térmicas derivadas. Esses copolímeros foram empregados como floculantes para tratar suspensões aquosas contendo partículas de montmorilonita, e uma variedade de métodos analíticos, como medição de volume de sedimentação, análise de microscopia eletrônica de varredura, análise de difração de raios X e medição de ângulo de contato, foram empregados para identificar a relação entre desempenho inibitório. A floculação das placas de montmorilonita foi atribuída às atrações eletrostáticas entre a montmorilonita e os copolímeros sintetizados. Copolímeros de alto peso molecular oferecem maior estabilidade térmica e melhores características de floculação para fluidos de perfuração à base de água. Dentre os copolímeros testados, a amostra acrilamida-anfoter-ânion, de maior peso molecular, apresentou melhor desempenho como coagulante quando comparada aos demais copolímeros.

As lamas de perfuração consistem em suspensões de partículas de montmorilonita em água ou óleo, que são parte inseparável do processo de perfuração. A maioria das lamas de perfuração, atualmente utilizadas em campos de petróleo, é formulada em água1,2,3. A hidratação do xisto durante a perfuração utilizando fluidos de perfuração à base de água é um grande problema4. Os floculantes são essenciais para minimizar o inchaço do xisto montmorilonita durante a perfuração5. Os floculantes sintéticos são mais eficazes que os floculantes naturais devido à sua eficiência e baixo custo6. A pesquisa indicou que a eficiência e a natureza da floculação são influenciadas por vários fatores, como estrutura, peso molecular, carga e dosagem do floculante. Por exemplo, em sistemas onde a ponte é o principal mecanismo de floculação, o processo de floculação pode ser significativamente melhorado usando um polieletrólito de alto peso molecular, independentemente da sua carga7,8,9. Além dos mecanismos de ponte, a floculação também pode ocorrer através da neutralização de carga, especificamente através do mecanismo patch. Nesses casos, é tipicamente utilizado um polieletrólito de baixo peso molecular. Ao utilizar um polieletrólito catiônico na presença de argilas carregadas negativamente, a principal força motriz é a atração eletrostática10. Vários materiais têm sido investigados como potenciais inibidores do xisto, mas a maioria deles sofre degradação na perfuração, o que dificulta suas potenciais aplicações11. Os floculantes geralmente funcionam bem dentro de faixas de temperatura específicas. Além disso, o pH do ambiente pode impactar significativamente o desempenho dos floculantes. Alguns floculantes poliméricos exibem notável sensibilidade à salinidade do fluido12,13. Vários polímeros solúveis em água têm sido usados ​​no fluido de perfuração à base de água para evitar a perda de fluido. A alta temperatura causa a falha do agente de tratamento de fluido de perfuração14. Portanto, é necessário projetar floculantes resistentes ao calor e ecológicos15. Os copolímeros de acrilamida são usados ​​como aditivos de fluidos de perfuração para superar a instabilidade da parede e problemas de colapso . Muitos trabalhos de pesquisa indicaram que a acrilamida copolimerizada com um monômero adequado possui alta estabilidade térmica . A maioria dos floculantes são polímeros à base de acrilamida e podem estar disponíveis nas formas aniônica, catiônica, não iônica ou anfotérica18. A adsorção do copolímero na superfície das partículas de montmorilonita geralmente depende do grupo funcional dos monômeros e da distribuição de carga . A interação entre copolímeros de acrilamida e folhas de montmorilonita ocorre através de atrações eletrostáticas. Portanto, à medida que o tipo de grupos funcionais carregados na cadeia do copolímero de acrilamida muda, suas interações com a montmorilonita também mudam22,23,24. Além disso, o principal problema do mundo atual é a falta de água doce, que se deve ao aumento da poluição ambiental. A floculação é um método eficaz e econômico para tratamento de águas residuais. Existem muitos floculantes de tratamento de águas residuárias, que são utilizados com o objetivo de remover materiais orgânicos e inorgânicos15,25,26. Negligenciar o tratamento destas dispersões pode ter efeitos prejudiciais, não só resultando no desperdício de recursos hídricos valiosos, mas também causando problemas ambientais significativos27. A poliacrilamida e seus copolímeros são amplamente empregados no tratamento de água e na desidratação de lodos. A eficiência da floculação é influenciada por fatores como o tipo de floculante utilizado, seu peso molecular e sua concentração na suspensão aquosa. A floculação ocorre através de mecanismos de neutralização e ponte de carga. O processo de floculação é considerado eficaz e satisfatório quando há notável diminuição da turbidez e sedimentação acelerada das partículas28,29,30,31. Na presente pesquisa, copolímeros contendo monômeros AA, DMAPS, AMPS e DADMAC foram preparados e aplicados como aditivos coagulantes em fluidos de perfuração à base de água. Esses copolímeros podem prevenir em grande parte o inchaço por hidratação dos minerais de montmorilonita e, por outro lado, causam coagulação ao criar forças de atração eletrostática com partículas de montmorilonita.