Блог

Jun 11, 2023

Механизм замедления частиц Zn2+ в геополимерном материале с использованием рамановской спектроскопии и расчетов DFT

Scientific Reports, том 12, номер статьи: 21036 (2022) Цитировать эту статью 1039 Доступов 1 Цитирований 5 Подробности об альтметрических метриках Геополимеры являются наиболее многообещающей альтернативой обычному портленду.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21036 (2022) Цитировать эту статью

1039 Доступов

1 Цитаты

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Геополимеры являются наиболее многообещающей альтернативой обычному портландцементу для цементирования и ликвидации нефтяных скважин. Для этого суспензии требуется необходимое время перекачивания, обеспечиваемое добавлением замедлителей. Хотя широко известно, что цинк продлевает время схватывания геополимеров, механизм его действия еще полностью не выяснен. Предполагается, что ионы цинка препятствуют первым стадиям олигомеризации силиката (Si–O–Al), что приводит к увеличению времени схватывания. Измерения времени откачки показали, что Zn(NO3)2 задерживает время схватывания на 5 часов по сравнению с образцом без цинка. Расчеты DFT показали, что Si(OH)4 реагирует с [Zn(OH)4]2- через безбарьерное переходное состояние, что указывает на кинетическую основу эффекта замедления. Кроме того, рамановская спектроскопия подтвердила результаты DFT, показав, что виды Q3 в предложенном механизме образуются быстрее в присутствии ионов цинка, чем в его отсутствие.

Геополимеры являются альтернативным вяжущим материалом, который потенциально может заменить обычный портландцемент (ОПЦ) как в строительстве, так и в нефтегазовой отрасли. Применимость этого материала в нефти и газе в последнее время исследовалась, поскольку его производство имеет меньший углеродный след и сохраняет превосходные свойства по сравнению с OPC, особенно в долгосрочных периодах1,2,3. Однако для применения такого материала при цементировании и ликвидации скважин необходимо использовать химические добавки, такие как замедлители схватывания, чтобы замедлить схватывание и гарантировать безопасный период для перемещения в стволы скважин4. Образование геополимеров из твердых материалов представляет собой сложный, многостадийный процесс, примерно включающий i) щелочную деполимеризацию поли(силоксо)каркаса и растворение алюминия ii) образование мономеров и олигомеров из орто-сиалата (OH)3− Si–O–Al– (OH)3 и iii) поликонденсация с образованием высших олигомеров и полимерных 3D-сеток5,6. Преимущественно было продемонстрировано, что степень полимеризации/деполимеризации стекол и геополимеров можно определить с помощью рамановской спектроскопии7. По сути, разновидности SiO4 в сетке кремнезема отличаются друг от друга спектроскопически в зависимости от количества общих атомов кислорода. Изолированный SiO4, например, называется Q0 из-за отсутствия у него общего кислорода. Объект Q1, в свою очередь, обозначает SiO4, один из которых разделяет кислород в сети. Тогда рассуждения распространяются на Q2, Q3 и Q4, означающие два, три и четыре общих атома кислорода соответственно. Ожидается, что при контакте стекла или богатого кремнеземом минерала со щелочной средой количество разновидностей Q0–Q3 со временем увеличивается из-за деполимеризации кремнезема, явление, которое можно отследить, поскольку каждая разновидность Qn появляется на разных частотах в спектре комбинационного рассеяния света7. ,8,9.

Разновидности цинка (Zn2+) как замедлителя реакции изучались, при этом были приняты во внимание его механистические и кинетические аспекты10,11,12,13. Например, считается, что оксид цинка (ZnO) растворяется в Zn2+, что продлевает время схватывания за счет связывания ионов кальция (Ca2+) и образования цинката кальция [Ca(Zn(OH)3)2,2H2O]11. К такому же выводу пришли Конг и др.14, которые лишь предположили, что Zn2+ мог оказывать влияние на конденсационную полимеризацию. Не следует упускать из виду возможность участия Zn2+ на ранних стадиях геополимеризации. Цзэн и др.15 продемонстрировали синтез коагулянта на основе полицинк-силиката, позволяющий получить сложное соединение, состоящее в основном из цинк-кремниевых полимерных частиц, а не простую смесь сырьевых материалов. Изучая влияние ионов Zn2+ и свинца (Pb+2) на OPC, Оретго и др.16 обнаружили, что ионы Zn2+ замедляют полимеризацию силиката. Авторы продемонстрировали методом ЯМР высокую долю частиц Q0 и Q1 после отверждения ОКП ионами Zn2+, что указывает на низкую степень полимеризации звеньев SiO4.