ขอบคุณที่เข้าชม nature.com เบราว์เซอร์ที่คุณใช้อยู่มีการรองรับ CSS อย่างจำกัด เพื่อประสบการณ์การใช้งานที่ดีที่สุด เราขอแนะนำให้ใช้เบราว์เซอร์เวอร์ชันล่าสุด (หรือปิดโหมดความเข้ากันได้ใน Internet Explorer) นอกจากนี้ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าเว็บไซต์นี้จะได้รับการสนับสนุนอย่างต่อเนื่อง เว็บไซต์นี้จะไม่มีสไตล์หรือ JavaScript
การขยายตัวของหินดินดานในแหล่งกักเก็บแบบตะกอนก่อให้เกิดปัญหาสำคัญ ส่งผลให้หลุมเจาะไม่เสถียร ด้วยเหตุผลด้านสิ่งแวดล้อม การใช้ของเหลวเจาะแบบน้ำที่มีสารยับยั้งการขยายตัวของหินดินดานจึงเป็นที่นิยมมากกว่าของเหลวเจาะแบบน้ำมัน ของเหลวไอออนิก (ILs) ได้รับความสนใจอย่างมากในฐานะสารยับยั้งการขยายตัวของหินดินดาน เนื่องจากคุณสมบัติที่ปรับแต่งได้และลักษณะทางไฟฟ้าสถิตที่แข็งแกร่ง อย่างไรก็ตาม ของเหลวไอออนิก (ILs) ที่มีอิมิดาโซลิลเป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในของเหลวเจาะนั้น พิสูจน์แล้วว่ามีพิษ ย่อยสลายไม่ได้ทางชีวภาพ และมีราคาแพง ตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึก (DES) ถือเป็นทางเลือกที่คุ้มค่ากว่าและมีพิษน้อยกว่าของเหลวไอออนิก แต่ก็ยังไม่ตรงตามข้อกำหนดด้านความยั่งยืนทางสิ่งแวดล้อม ความก้าวหน้าล่าสุดในด้านนี้ได้นำไปสู่การแนะนำตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ (NADES) ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในด้านความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมอย่างแท้จริง การศึกษาครั้งนี้ได้ตรวจสอบ NADES ซึ่งประกอบด้วยกรดซิตริก (เป็นตัวรับพันธะไฮโดรเจน) และกลีเซอรอล (เป็นตัวให้พันธะไฮโดรเจน) ในฐานะสารเติมแต่งในของเหลวเจาะ น้ำมันหล่อลื่นสำหรับการเจาะที่ใช้ NADES เป็นส่วนประกอบหลักได้รับการพัฒนาตามมาตรฐาน API 13B-1 และได้มีการเปรียบเทียบประสิทธิภาพกับน้ำมันหล่อลื่นสำหรับการเจาะที่ใช้โพแทสเซียมคลอไรด์ น้ำมันหล่อลื่นไอออนิกที่ใช้ไอมีดาโซเลียม และน้ำมันหล่อลื่นสำหรับการเจาะที่ใช้โคลีนคลอไรด์:ยูเรีย-DES เป็นส่วนประกอบหลัก คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของ NADES ที่เป็นกรรมสิทธิ์นี้ได้รับการอธิบายอย่างละเอียด ในระหว่างการศึกษาได้มีการประเมินคุณสมบัติทางรีโอโลยี การสูญเสียของเหลว และคุณสมบัติการยับยั้งการขยายตัวของหินดินดานของน้ำมันหล่อลื่นสำหรับการเจาะ และพบว่าที่ความเข้มข้นของ NADES 3% อัตราส่วนความเค้นคราก/ความหนืดพลาสติก (YP/PV) เพิ่มขึ้น ความหนาของชั้นโคลนลดลง 26% และปริมาตรของของเหลวที่กรองได้ลดลง 30.1% ที่สำคัญ NADES สามารถยับยั้งการขยายตัวได้อย่างน่าประทับใจถึง 49.14% และเพิ่มการผลิตหินดินดานได้ถึง 86.36% ผลลัพธ์เหล่านี้เกิดจากความสามารถของ NADES ในการปรับเปลี่ยนกิจกรรมบนพื้นผิว ศักย์ซีตา และระยะห่างระหว่างชั้นของดินเหนียว ซึ่งจะกล่าวถึงในบทความนี้เพื่อทำความเข้าใจกลไกพื้นฐาน คาดว่าของเหลวสำหรับการเจาะที่ยั่งยืนนี้จะปฏิวัติวงการการเจาะโดยการนำเสนอทางเลือกที่ไม่เป็นพิษ คุ้มค่า และมีประสิทธิภาพสูงแทนสารยับยั้งการกัดกร่อนของหินดินดานแบบดั้งเดิม ปูทางไปสู่การเจาะที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
หินดินดานเป็นหินอเนกประสงค์ที่ทำหน้าที่เป็นทั้งแหล่งกำเนิดและแหล่งกักเก็บไฮโดรคาร์บอน และโครงสร้างที่มีรูพรุน¹ ทำให้มีศักยภาพในการผลิตและกักเก็บทรัพยากรที่มีค่าเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม หินดินดานอุดมไปด้วยแร่ดินเหนียว เช่น มอนต์มอริลโลไนต์ สเมกไทต์ เคโอลิไนต์ และอิลไลต์ ซึ่งทำให้มีแนวโน้มที่จะบวมเมื่อสัมผัสกับน้ำ ส่งผลให้หลุมเจาะไม่เสถียรในระหว่างการขุดเจาะ^2,3 ปัญหาเหล่านี้อาจนำไปสู่เวลาที่ไม่ก่อให้เกิดผลผลิต (NPT) และปัญหาในการดำเนินงานมากมาย รวมถึงท่อติด การไหลเวียนของโคลนลดลง การยุบตัวของหลุมเจาะ และการอุดตันของหัวเจาะ ซึ่งเพิ่มเวลาและต้นทุนในการกู้คืน โดยทั่วไปแล้ว ของเหลวขุดเจาะแบบใช้น้ำมัน (OBDF) เป็นตัวเลือกที่นิยมสำหรับชั้นหินดินดานเนื่องจากความสามารถในการต้านทานการขยายตัวของหินดินดาน⁴ อย่างไรก็ตาม การใช้ของเหลวขุดเจาะแบบใช้น้ำมันนั้นมีต้นทุนสูงกว่าและมีความเสี่ยงต่อสิ่งแวดล้อม ของเหลวขุดเจาะแบบสังเคราะห์ (SBDF) ได้รับการพิจารณาว่าเป็นทางเลือกอื่น แต่ความเหมาะสมในการใช้งานที่อุณหภูมิสูงยังไม่เป็นที่น่าพอใจ ของเหลวสำหรับการเจาะแบบใช้น้ำ (WBDF) เป็นทางเลือกที่น่าสนใจ เนื่องจากมีความปลอดภัยกว่า เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่า และคุ้มค่ากว่าของเหลวสำหรับการเจาะแบบใช้น้ำมัน (OBDF5) มีการใช้สารยับยั้งการก่อตัวของหินดินดานหลายชนิดเพื่อเพิ่มความสามารถในการยับยั้งการก่อตัวของหินดินดานของ WBDF รวมถึงสารยับยั้งแบบดั้งเดิม เช่น โพแทสเซียมคลอไรด์ ปูนขาว ซิลิเกต และโพลิเมอร์ อย่างไรก็ตาม สารยับยั้งเหล่านี้มีข้อจำกัดในด้านประสิทธิภาพและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากความเข้มข้นของ K+ สูงในสารยับยั้งโพแทสเซียมคลอไรด์และความไวต่อค่า pH ของซิลิเกต นักวิจัยได้สำรวจความเป็นไปได้ในการใช้ของเหลวไอออนิกเป็นสารเติมแต่งในของเหลวสำหรับการเจาะเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางรีโอโลยีของของเหลวสำหรับการเจาะและป้องกันการบวมตัวของหินดินดานและการก่อตัวของไฮเดรต อย่างไรก็ตาม ของเหลวไอออนิกเหล่านี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ประกอบด้วยแคตไอออนอิมิดาโซลิล มักเป็นพิษ มีราคาแพง ย่อยสลายไม่ได้ทางชีวภาพ และต้องใช้กระบวนการเตรียมที่ซับซ้อน เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ ผู้คนจึงเริ่มมองหาทางเลือกที่ประหยัดและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น ซึ่งนำไปสู่การเกิดขึ้นของตัวทำละลายยูเทคติกแบบลึก (DES) DES คือสารผสมยูเทคติกที่เกิดจากตัวให้ไฮโดรเจนบอนด์ (HBD) และตัวรับไฮโดรเจนบอนด์ (HBA) ในอัตราส่วนโมลและอุณหภูมิที่เฉพาะเจาะจง สารผสมยูเทคติกเหล่านี้มีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าส่วนประกอบแต่ละชนิด โดยส่วนใหญ่เกิดจากการกระจายตัวของประจุที่เกิดจากไฮโดรเจนบอนด์ ปัจจัยหลายอย่าง รวมถึงพลังงานแลตติส การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี และปฏิกิริยาระหว่างแอนไอออนและ HBD มีบทบาทสำคัญในการลดจุดหลอมเหลวของ DES
ในการศึกษาครั้งก่อนๆ มีการเติมสารเติมแต่งต่างๆ ลงในของเหลวสำหรับการเจาะที่ใช้น้ำเป็นฐาน เพื่อแก้ปัญหาการขยายตัวของหินดินดาน ตัวอย่างเช่น Ofei และคณะ ได้เติม 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (BMIM-Cl) ซึ่งช่วยลดความหนาของชั้นโคลนได้อย่างมีนัยสำคัญ (มากถึง 50%) และลดค่า YP/PV ลง 11 เท่า ที่อุณหภูมิต่างๆ Huang และคณะ ใช้ของเหลวไอออนิก (โดยเฉพาะ 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide และ 1,2-bis(3-hexylimidazol-1-yl)ethane bromide) ร่วมกับอนุภาค Na-Bt และช่วยลดการบวมของหินดินดานได้อย่างมีนัยสำคัญถึง 86.43% และ 94.17% ตามลำดับ12 นอกจากนี้ Yang และคณะ มีการใช้ 1-vinyl-3-dodecylimidazolium bromide และ 1-vinyl-3-tetradecylimidazolium bromide เพื่อลดการบวมตัวของหินดินดานลง 16.91% และ 5.81% ตามลำดับ 13 Yang และคณะยังใช้ 1-vinyl-3-ethylimidazolium bromide และลดการขยายตัวของหินดินดานลง 31.62% ในขณะที่ยังคงรักษาอัตราการฟื้นตัวของหินดินดานไว้ที่ 40.60% 14 นอกจากนี้ Luo และคณะยังใช้ 1-octyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate เพื่อลดการบวมตัวของหินดินดานลง 80% 15, 16 Dai และคณะใช้โคพอลิเมอร์ของของเหลวไอออนิกเพื่อยับยั้งหินดินดานและได้ผลลัพธ์การฟื้นตัวเชิงเส้นเพิ่มขึ้น 18% เมื่อเทียบกับสารยับยั้งอะมีน 17
ของเหลวไอออนิกเองก็มีข้อเสียอยู่บ้าง ซึ่งกระตุ้นให้นักวิทยาศาสตร์มองหาทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าของเหลวไอออนิก และด้วยเหตุนี้ DES จึงถือกำเนิดขึ้น ฮันเจียเป็นคนแรกที่ใช้ตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึก (DES) ที่ประกอบด้วยไวนิลคลอไรด์กรดโพรพิโอนิก (1:1), ไวนิลคลอไรด์กรด 3-ฟีนิลโพรพิโอนิก (1:2) และกรด 3-เมอร์แคปโตโพรพิโอนิก + กรดไอตาโคนิก + ไวนิลคลอไรด์ (1:1:2) ซึ่งยับยั้งการบวมของเบนโทไนต์ได้ 68%, 58% และ 58% ตามลำดับ18 ในการทดลองอิสระ MH Rasul ใช้กลีเซอรอลและโพแทสเซียมคาร์บอเนต (DES) ในอัตราส่วน 2:1 และลดการบวมของตัวอย่างหินดินดานได้อย่างมีนัยสำคัญถึง 87%19,20 Ma ใช้ยูเรีย:ไวนิลคลอไรด์เพื่อลดการขยายตัวของหินดินดานได้อย่างมีนัยสำคัญถึง 67%21 Rasul et al. การผสมผสานระหว่าง DES และโพลิเมอร์ถูกนำมาใช้เป็นสารยับยั้งหินดินดานแบบออกฤทธิ์คู่ ซึ่งให้ผลการยับยั้งหินดินดานที่ยอดเยี่ยม22
แม้ว่าตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึก (DES) โดยทั่วไปจะถูกมองว่าเป็นทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าของเหลวไอออนิก แต่ก็ยังมีส่วนประกอบที่อาจเป็นพิษ เช่น เกลือแอมโมเนียม ซึ่งทำให้ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมของตัวทำละลายเหล่านี้เป็นที่น่าสงสัย ปัญหานี้จึงนำไปสู่การพัฒนาตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ (NADES) NADES ยังคงถูกจัดอยู่ในประเภท DES แต่ประกอบด้วยสารและเกลือจากธรรมชาติ ได้แก่ โพแทสเซียมคลอไรด์ (KCl) แคลเซียมคลอไรด์ (CaCl2) เกลือเอปซอม (MgSO4.7H2O) และอื่นๆ การผสมผสานที่เป็นไปได้มากมายของ DES และ NADES เปิดโอกาสกว้างสำหรับการวิจัยในด้านนี้ และคาดว่าจะนำไปประยุกต์ใช้ในหลากหลายสาขา นักวิจัยหลายคนประสบความสำเร็จในการพัฒนา DES สูตรผสมใหม่ๆ ที่พิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพในหลากหลายการใช้งาน ตัวอย่างเช่น Naser และคณะ ในปี 2013 มีการสังเคราะห์ DES ที่มีโพแทสเซียมคาร์บอเนตเป็นส่วนประกอบ และศึกษาคุณสมบัติทางเทอร์โมฟิสิกส์ ซึ่งต่อมาพบว่ามีการประยุกต์ใช้ในด้านการยับยั้งการเกิดไฮเดรต สารเติมแต่งในของเหลวสำหรับการเจาะ การกำจัดลิกนิน และการสร้างนาโนไฟเบอร์ 23 Jordy Kim และคณะได้พัฒนา NADES ที่มีกรดแอสคอร์บิกเป็นส่วนประกอบ และประเมินคุณสมบัติต้านอนุมูลอิสระในการใช้งานต่างๆ 24 Christer และคณะได้พัฒนา NADES ที่มีกรดซิตริกเป็นส่วนประกอบ และระบุศักยภาพของมันในฐานะสารช่วยในการผลิตผลิตภัณฑ์คอลลาเจน 25 Liu Yi และคณะได้สรุปการประยุกต์ใช้ NADES ในฐานะสื่อกลางในการสกัดและโครมาโทกราฟีในบทวิจารณ์ที่ครอบคลุม ในขณะที่ Misan และคณะได้กล่าวถึงการประยุกต์ใช้ NADES ที่ประสบความสำเร็จในภาคเกษตรและอาหาร นักวิจัยด้านของเหลวสำหรับการเจาะจำเป็นต้องเริ่มให้ความสนใจกับประสิทธิภาพของ NADES ในการใช้งานต่างๆ ในปัจจุบัน ในปี 2023 Rasul และคณะ มีการใช้ตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติหลายชนิดผสมกัน โดยใช้กรดแอสคอร์บิก26 แคลเซียมคลอไรด์27 โพแทสเซียมคลอไรด์28 และเกลือเอปซอม29 และประสบความสำเร็จในการยับยั้งและฟื้นฟูหินดินดานอย่างน่าประทับใจ การศึกษานี้เป็นหนึ่งในการศึกษาแรกๆ ที่นำเสนอ NADES (โดยเฉพาะสูตรที่ใช้กรดซิตริกและกลีเซอรอลเป็นส่วนประกอบ) เป็นสารยับยั้งหินดินดานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพในของเหลวสำหรับการเจาะแบบใช้น้ำ ซึ่งมีคุณสมบัติเด่นด้านความเสถียรต่อสิ่งแวดล้อม ความสามารถในการยับยั้งหินดินดานที่ดีขึ้น และประสิทธิภาพของของเหลวที่ดีขึ้น เมื่อเทียบกับสารยับยั้งแบบดั้งเดิม เช่น KCl ของเหลวไอออนิกที่ใช้ไอมีดาโซลิล และ DES แบบดั้งเดิม
การศึกษานี้จะเกี่ยวข้องกับการเตรียม NADES ที่มีกรดซิตริก (CA) เป็นส่วนประกอบภายในองค์กร ตามด้วยการวิเคราะห์คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีอย่างละเอียด และการนำไปใช้เป็นสารเติมแต่งในของเหลวสำหรับการเจาะ เพื่อประเมินคุณสมบัติของของเหลวสำหรับการเจาะและความสามารถในการยับยั้งการบวมตัว ในการศึกษานี้ CA จะทำหน้าที่เป็นตัวรับพันธะไฮโดรเจน ในขณะที่กลีเซอรอล (Gly) จะทำหน้าที่เป็นตัวให้พันธะไฮโดรเจน โดยเลือกตามเกณฑ์การคัดกรอง MH สำหรับการก่อตัว/การเลือก NADES ในการศึกษาการยับยั้งการบวมตัวของหินดินดาน30 การวัดด้วยสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม (FTIR) การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) และศักย์ซีตา (ZP) จะช่วยอธิบายปฏิสัมพันธ์ระหว่าง NADES กับดินเหนียว และกลไกที่อยู่เบื้องหลังการยับยั้งการบวมตัวของดินเหนียว นอกจากนี้ การศึกษานี้จะเปรียบเทียบของเหลวสำหรับการเจาะที่ใช้ CA NADES กับ DES32 ซึ่งประกอบด้วย 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride [EMIM]Cl7,12,14,17,31, KCl และ choline chloride:urea (1:2) เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพในการยับยั้งการแตกตัวของหินดินดานและปรับปรุงประสิทธิภาพของของเหลวสำหรับการเจาะ
กรดซิตริก (โมโนไฮเดรต), กลีเซอรอล (99 USP) และยูเรีย ซื้อจาก EvaChem, กัวลาลัมเปอร์, มาเลเซีย โคลีนคลอไรด์ (>98%), [EMIM]Cl 98% และโพแทสเซียมคลอไรด์ ซื้อจาก Sigma Aldrich, มาเลเซีย โครงสร้างทางเคมีของสารเคมีทั้งหมดแสดงในรูปที่ 1 แผนภาพสีเขียวเปรียบเทียบสารเคมีหลักที่ใช้ในการศึกษาครั้งนี้ ได้แก่ ของเหลวไอออนิกอิมิดาโซลิล โคลีนคลอไรด์ (DES) กรดซิตริก กลีเซอรอล โพแทสเซียมคลอไรด์ และ NADES (กรดซิตริกและกลีเซอรอล) ตารางความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมของสารเคมีที่ใช้ในการศึกษาครั้งนี้แสดงในตารางที่ 1 ในตาราง สารเคมีแต่ละชนิดได้รับการจัดอันดับตามความเป็นพิษ ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ ต้นทุน และความยั่งยืนทางสิ่งแวดล้อม
โครงสร้างทางเคมีของวัสดุที่ใช้ในการศึกษาครั้งนี้: (a) กรดซิตริก, (b) [EMIM]Cl, (c) โคลีนคลอไรด์ และ (d) กลีเซอรอล
สารที่ให้และรับพันธะไฮโดรเจน (HBD) และสารที่รับพันธะไฮโดรเจน (HBA) สำหรับการพัฒนา NADES ที่ใช้ CA (ตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ) ได้รับการคัดเลือกอย่างระมัดระวังตามเกณฑ์การคัดเลือก MH 30 ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อการพัฒนา NADES ให้เป็นสารยับยั้งหินดินดานที่มีประสิทธิภาพ ตามเกณฑ์นี้ ส่วนประกอบที่มีจำนวนสารที่ให้และรับพันธะไฮโดรเจนจำนวนมาก รวมถึงหมู่ฟังก์ชันที่มีขั้ว ถือว่าเหมาะสมสำหรับการพัฒนา NADES
นอกจากนี้ ของเหลวไอออนิก [EMIM]Cl และตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกโคลีนคลอไรด์:ยูเรีย (DES) ถูกเลือกมาเปรียบเทียบในการศึกษาครั้งนี้ เนื่องจากมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะสารเติมแต่งของเหลวสำหรับการเจาะ33,34,35,36 นอกจากนี้ ยังมีการเปรียบเทียบโพแทสเซียมคลอไรด์ (KCl) เนื่องจากเป็นสารยับยั้งที่ใช้กันทั่วไป
กรดซิตริกและกลีเซอรอลถูกผสมในอัตราส่วนโมลที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้สารผสมยูเทคติก การตรวจสอบด้วยสายตาแสดงให้เห็นว่าสารผสมยูเทคติกเป็นของเหลวใสที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยไม่มีความขุ่น บ่งชี้ว่าตัวให้ไฮโดรเจนบอนด์ (HBD) และตัวรับไฮโดรเจนบอนด์ (HBA) ผสมกันได้อย่างสำเร็จในองค์ประกอบยูเทคติกนี้ การทดลองเบื้องต้นได้ดำเนินการเพื่อสังเกตพฤติกรรมที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของกระบวนการผสมของ HBD และ HBA ตามเอกสารที่มีอยู่ สัดส่วนของสารผสมยูเทคติกได้รับการประเมินที่อุณหภูมิเฉพาะสามระดับที่สูงกว่า 50 °C, 70 °C และ 100 °C ซึ่งบ่งชี้ว่าอุณหภูมิยูเทคติกมักอยู่ในช่วง 50–80 °C เครื่องชั่งดิจิทัล Mettler ถูกใช้ในการชั่งน้ำหนักส่วนประกอบ HBD และ HBA อย่างแม่นยำ และแผ่นความร้อน Thermo Fisher ถูกใช้ในการให้ความร้อนและกวน HBD และ HBA ที่ 100 รอบต่อนาทีภายใต้สภาวะควบคุม
คุณสมบัติทางเทอร์โมฟิสิกส์ของตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึก (DES) ที่สังเคราะห์ขึ้นของเรา ซึ่งรวมถึงความหนาแน่น แรงตึงผิว ดัชนีหักเห และความหนืด ได้รับการวัดอย่างแม่นยำในช่วงอุณหภูมิ 289.15 ถึง 333.15 เคลวิน ควรสังเกตว่าช่วงอุณหภูมินี้ถูกเลือกเนื่องจากข้อจำกัดของอุปกรณ์ที่มีอยู่เป็นหลัก การวิเคราะห์อย่างครอบคลุมนี้รวมถึงการศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับคุณสมบัติทางเทอร์โมฟิสิกส์ต่างๆ ของสูตร NADES นี้ ซึ่งเผยให้เห็นพฤติกรรมของพวกมันในช่วงอุณหภูมิต่างๆ การมุ่งเน้นไปที่ช่วงอุณหภูมิเฉพาะนี้ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคุณสมบัติของ NADES ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานหลายๆ ด้าน
วัดค่าความตึงผิวของ NADES ที่เตรียมไว้ในช่วงอุณหภูมิ 289.15 ถึง 333.15 K โดยใช้เครื่องวัดความตึงผิว (IFT700) หยด NADES ถูกสร้างขึ้นในห้องที่บรรจุของเหลวปริมาณมากโดยใช้เข็มแคปิลลารีภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความดันที่กำหนด ระบบการถ่ายภาพที่ทันสมัยนำเสนอพารามิเตอร์ทางเรขาคณิตที่เหมาะสมเพื่อคำนวณความตึงผิวโดยใช้สมการลาปลาส
ใช้เครื่องวัดดัชนีหักเหแสง ATAGO ในการหาค่าดัชนีหักเหของสารละลาย NADES ที่เตรียมใหม่ในช่วงอุณหภูมิ 289.15 ถึง 333.15 เคลวิน เครื่องมือนี้ใช้โมดูลความร้อนในการควบคุมอุณหภูมิเพื่อประมาณค่าการหักเหของแสง ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบอ่างน้ำ ควรทำความสะอาดพื้นผิวปริซึมของเครื่องวัดดัชนีหักเหแสง และกระจายสารละลายตัวอย่างให้ทั่วถึง ทำการสอบเทียบด้วยสารละลายมาตรฐานที่ทราบค่า แล้วอ่านค่าดัชนีหักเหจากหน้าจอ
วัดความหนืดของ NADES ที่เตรียมไว้ในช่วงอุณหภูมิ 289.15 ถึง 333.15 K โดยใช้เครื่องวัดความหนืดแบบหมุนของ Brookfield (ชนิดไครโอเจนิก) ที่อัตราการเฉือน 30 รอบต่อนาที และขนาดแกนหมุน 6 เครื่องวัดความหนืดจะวัดความหนืดโดยการหาแรงบิดที่จำเป็นในการหมุนแกนหมุนด้วยความเร็วคงที่ในตัวอย่างของเหลว หลังจากวางตัวอย่างบนตะแกรงใต้แกนหมุนและขันให้แน่นแล้ว เครื่องวัดความหนืดจะแสดงค่าความหนืดในหน่วยเซนติพอยส์ (cP) ซึ่งให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับคุณสมบัติทางรีโอโลยีของของเหลว
ใช้เครื่องวัดความหนาแน่นแบบพกพา DMA 35 Basic ในการวัดความหนาแน่นของตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ (NDEES) ที่เตรียมใหม่ ในช่วงอุณหภูมิ 289.15–333.15 K เนื่องจากเครื่องมือไม่มีฮีตเตอร์ในตัว จึงต้องอุ่นเครื่องให้ได้อุณหภูมิที่กำหนด (± 2 °C) ก่อนใช้งานเครื่องวัดความหนาแน่น NADES ดูดตัวอย่างอย่างน้อย 2 มล. ผ่านท่อ และค่าความหนาแน่นจะแสดงบนหน้าจอทันที ควรทราบว่าเนื่องจากไม่มีฮีตเตอร์ในตัว ผลการวัดจึงมีความคลาดเคลื่อน ± 2 °C
เพื่อประเมินค่า pH ของ NADES ที่เตรียมใหม่ในช่วงอุณหภูมิ 289.15–333.15 K เราใช้เครื่องวัด pH แบบตั้งโต๊ะ Kenis เนื่องจากไม่มีอุปกรณ์ทำความร้อนในตัว จึงต้องให้ความร้อน NADES จนถึงอุณหภูมิที่ต้องการ (±2 °C) โดยใช้แผ่นความร้อนก่อน แล้วจึงวัดค่าโดยตรงด้วยเครื่องวัด pH จุ่มหัววัดของเครื่องวัด pH ลงใน NADES จนมิด และบันทึกค่าสุดท้ายหลังจากค่าที่วัดได้คงที่แล้ว
การวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตริก (TGA) ถูกนำมาใช้เพื่อประเมินเสถียรภาพทางความร้อนของตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ (NADES) ตัวอย่างถูกวิเคราะห์ในระหว่างการให้ความร้อน โดยใช้เครื่องชั่งความแม่นยำสูงและตรวจสอบกระบวนการให้ความร้อนอย่างระมัดระวัง สร้างกราฟแสดงการสูญเสียมวลเทียบกับอุณหภูมิ NADES ถูกให้ความร้อนจาก 0 ถึง 500 °C ในอัตรา 1 °C ต่อนาที
ในการเริ่มต้นกระบวนการ ตัวอย่าง NADES ต้องได้รับการผสมให้เข้ากันอย่างทั่วถึง ทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน และกำจัดความชื้นที่ผิวหน้าออกก่อน จากนั้นตัวอย่างที่เตรียมไว้จะถูกวางในคิวเวตต์ TGA ซึ่งโดยทั่วไปทำจากวัสดุเฉื่อย เช่น อะลูมิเนียม เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำ เครื่องมือ TGA จะได้รับการสอบเทียบโดยใช้สารอ้างอิง ซึ่งโดยทั่วไปคือมาตรฐานน้ำหนัก เมื่อสอบเทียบแล้ว การทดลอง TGA จะเริ่มต้นขึ้นและตัวอย่างจะถูกให้ความร้อนในลักษณะที่ควบคุมได้ โดยปกติในอัตราคงที่ การตรวจสอบความสัมพันธ์ระหว่างน้ำหนักตัวอย่างและอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องเป็นส่วนสำคัญของการทดลอง เครื่องมือ TGA จะรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับอุณหภูมิ น้ำหนัก และพารามิเตอร์อื่นๆ เช่น การไหลของก๊าซหรืออุณหภูมิของตัวอย่าง เมื่อการทดลอง TGA เสร็จสิ้น ข้อมูลที่รวบรวมได้จะถูกวิเคราะห์เพื่อกำหนดการเปลี่ยนแปลงของน้ำหนักตัวอย่างเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ ข้อมูลนี้มีค่าในการกำหนดช่วงอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและเคมีในตัวอย่าง รวมถึงกระบวนการต่างๆ เช่น การหลอมเหลว การระเหย การออกซิเดชัน หรือการสลายตัว
น้ำยาเจาะแบบใช้น้ำเป็นส่วนประกอบหลักได้รับการคิดค้นสูตรอย่างพิถีพิถันตามมาตรฐาน API 13B-1 โดยมีส่วนประกอบเฉพาะระบุไว้ในตารางที่ 2 เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิง กรดซิตริกและกลีเซอรอล (99 USP) ซื้อจาก Sigma Aldrich ประเทศมาเลเซีย เพื่อเตรียมตัวทำละลายยูเทคติกแบบธรรมชาติ (NADES) นอกจากนี้ สารยับยั้งการแตกตัวของหินดินดานแบบดั้งเดิม โพแทสเซียมคลอไรด์ (KCl) ก็ซื้อจาก Sigma Aldrich ประเทศมาเลเซียเช่นกัน 1-เอทิล, 3-เมทิลอิมิดาโซเลียมคลอไรด์ ([EMIM]Cl) ที่มีความบริสุทธิ์มากกว่า 98% ถูกเลือกใช้เนื่องจากมีผลอย่างมากในการปรับปรุงคุณสมบัติทางรีโอโลยีของน้ำยาเจาะและการยับยั้งการแตกตัวของหินดินดาน ซึ่งได้รับการยืนยันในการศึกษาครั้งก่อนๆ ทั้ง KCl และ ([EMIM]Cl) จะถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์เปรียบเทียบเพื่อประเมินประสิทธิภาพการยับยั้งการแตกตัวของหินดินดานของ NADES
นักวิจัยหลายคนนิยมใช้เบนโทไนต์แบบเกล็ดในการศึกษาการบวมตัวของหินดินดาน เนื่องจากเบนโทไนต์มีกลุ่ม "มอนต์มอริลโลไนต์" ชนิดเดียวกับที่ทำให้หินดินดานบวมตัว การเก็บตัวอย่างแกนหินดินดานจริงนั้นทำได้ยาก เพราะกระบวนการเจาะแกนทำให้หินดินดานไม่เสถียร ส่งผลให้ตัวอย่างที่ได้ไม่ใช่หินดินดานทั้งหมด แต่โดยทั่วไปจะมีส่วนผสมของชั้นหินทรายและหินปูน นอกจากนี้ ตัวอย่างหินดินดานมักขาดกลุ่มมอนต์มอริลโลไนต์ที่ทำให้หินดินดานบวมตัว จึงไม่เหมาะสมสำหรับการทดลองยับยั้งการบวมตัว
ในการศึกษาครั้งนี้ เราใช้ผงเบนโทไนต์ที่ประกอบขึ้นใหม่ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2.54 เซนติเมตร โดยทำการผลิตเม็ดเบนโทไนต์โดยการอัดผงโซเดียมเบนโทไนต์ 11.5 กรัมในเครื่องอัดไฮดรอลิกที่ความดัน 1600 psi จากนั้นจึงวัดความหนาของเม็ดเบนโทไนต์อย่างแม่นยำก่อนนำไปวางในเครื่องวัดการขยายตัวเชิงเส้น (LD) แล้วจึงนำเม็ดเบนโทไนต์ไปแช่ในตัวอย่างของเหลวสำหรับการเจาะ ซึ่งรวมถึงตัวอย่างพื้นฐานและตัวอย่างที่ฉีดสารยับยั้งการบวมตัวของหินดินดาน จากนั้นจึงทำการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงความหนาของเม็ดเบนโทไนต์อย่างละเอียดโดยใช้เครื่อง LD โดยบันทึกค่าที่ช่วงเวลา 60 วินาที เป็นเวลา 24 ชั่วโมง
การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์แสดงให้เห็นว่าองค์ประกอบของเบนโทไนต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งส่วนประกอบมอนต์มอริลโลไนต์ 47% เป็นปัจจัยสำคัญในการทำความเข้าใจลักษณะทางธรณีวิทยาของมัน ในบรรดาส่วนประกอบมอนต์มอริลโลไนต์ของเบนโทไนต์ มอนต์มอริลโลไนต์เป็นส่วนประกอบหลัก คิดเป็น 88.6% ของส่วนประกอบทั้งหมด ในขณะที่ควอตซ์คิดเป็น 29% อิลไลต์ 7% และคาร์บอเนต 9% ส่วนเล็กน้อย (ประมาณ 3.2%) เป็นส่วนผสมของอิลไลต์และมอนต์มอริลโลไนต์ นอกจากนี้ยังประกอบด้วยธาตุติดตาม เช่น Fe2O3 (4.7%) ซิลเวอร์อะลูมิโนซิลิเกต (1.2%) มัสโคไวต์ (4%) และฟอสเฟต (2.3%) นอกจากนี้ยังมี Na2O (1.83%) และเหล็กซิลิเกต (2.17%) ในปริมาณเล็กน้อย ซึ่งทำให้สามารถเข้าใจองค์ประกอบของเบนโทไนต์และสัดส่วนของแต่ละองค์ประกอบได้อย่างครบถ้วน
ส่วนการศึกษาเชิงลึกนี้กล่าวถึงรายละเอียดคุณสมบัติทางรีโอโลยีและการกรองของตัวอย่างของเหลวสำหรับการเจาะที่เตรียมโดยใช้ตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ (NADES) และใช้เป็นสารเติมแต่งในของเหลวสำหรับการเจาะที่ความเข้มข้นต่าง ๆ (1%, 3% และ 5%) จากนั้นจึงนำตัวอย่างสารละลาย NADES มาเปรียบเทียบและวิเคราะห์กับตัวอย่างสารละลายที่ประกอบด้วยโพแทสเซียมคลอไรด์ (KCl), CC:urea DES (ตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกโคลีนคลอไรด์:ยูเรีย) และของเหลวไอออนิก พารามิเตอร์สำคัญหลายประการได้รับการกล่าวถึงในการศึกษานี้ รวมถึงค่าความหนืดที่ได้จากเครื่องวัดความหนืด FANN ก่อนและหลังการสัมผัสกับสภาวะการเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิ 100°C และ 150°C การวัดค่าทำที่ความเร็วรอบต่าง ๆ (3 รอบต่อนาที, 6 รอบต่อนาที, 300 รอบต่อนาที และ 600 รอบต่อนาที) เพื่อให้สามารถวิเคราะห์พฤติกรรมของของเหลวสำหรับการเจาะได้อย่างครอบคลุม จากนั้นสามารถนำข้อมูลที่ได้มาใช้ในการกำหนดคุณสมบัติที่สำคัญ เช่น จุดคราค (YP) และความหนืดพลาสติก (PV) ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับประสิทธิภาพของของเหลวภายใต้สภาวะต่างๆ การทดสอบการกรองที่ความดันสูงและอุณหภูมิสูง (HPHT) ที่ 400 psi และ 150°C (อุณหภูมิทั่วไปในบ่อที่มีอุณหภูมิสูง) จะกำหนดประสิทธิภาพการกรอง (ความหนาของเค้กและปริมาตรของของเหลวที่กรองได้)
ส่วนนี้ใช้เครื่องมือที่ทันสมัยที่สุด คือ เครื่องวัดการขยายตัวเชิงเส้น (Linear Dilatometer: LSM) รุ่น Grace HPHT (M4600) เพื่อประเมินคุณสมบัติการยับยั้งการบวมตัวของหินดินดานของน้ำยาขุดเจาะแบบน้ำอย่างละเอียด เครื่อง LSM เป็นเครื่องมือที่ทันสมัย ​​ประกอบด้วยสองส่วน คือ เครื่องอัดแผ่น และเครื่องวัดการขยายตัวเชิงเส้น (รุ่น: M4600) แผ่นเบนโทไนต์ถูกเตรียมสำหรับการวิเคราะห์โดยใช้เครื่องอัดแผ่น/แกน Grace จากนั้นเครื่อง LSM จะให้ข้อมูลการขยายตัวของแผ่นเหล่านี้ทันที ทำให้สามารถประเมินคุณสมบัติการยับยั้งการบวมตัวของหินดินดานได้อย่างครอบคลุม การทดสอบการขยายตัวของหินดินดานดำเนินการภายใต้สภาวะแวดล้อมปกติ คือ 25°C และ 1 psia
การทดสอบความเสถียรของหินดินดานเกี่ยวข้องกับการทดสอบที่สำคัญ ซึ่งมักเรียกว่าการทดสอบการฟื้นตัวของหินดินดาน การทดสอบการเอียงของหินดินดาน หรือการทดสอบการกระจายตัวของหินดินดาน ในการเริ่มต้นการประเมินนี้ เศษหินดินดานจะถูกแยกออกโดยใช้ตะแกรง BSS เบอร์ 6 แล้วจึงนำไปใส่ในตะแกรงเบอร์ 10 จากนั้นเศษหินดินดานจะถูกส่งไปยังถังพัก ซึ่งจะผสมกับของเหลวพื้นฐานและโคลนเจาะที่มีส่วนผสมของ NADES (Natural Deep Eutectic Solvent) ขั้นตอนต่อไปคือการนำส่วนผสมไปอบในเตาอบด้วยกระบวนการรีดร้อนอย่างเข้มข้น เพื่อให้แน่ใจว่าเศษหินดินดานและโคลนเจาะผสมกันอย่างทั่วถึง หลังจาก 16 ชั่วโมง เศษหินดินดานจะถูกแยกออกจากส่วนผสมโดยปล่อยให้หินดินดานสลายตัว ส่งผลให้น้ำหนักของเศษหินดินดานลดลง การทดสอบการฟื้นตัวของหินดินดานดำเนินการหลังจากที่เศษหินดินดานถูกเก็บไว้ในโคลนเจาะที่อุณหภูมิ 150°C และความดัน 1000 psi/นิ้ว ภายใน 24 ชั่วโมง
เพื่อวัดปริมาณการกู้คืนโคลนหินดินดาน เราได้กรองโคลนผ่านตะแกรงละเอียด (40 เมช) จากนั้นล้างให้สะอาดด้วยน้ำ และสุดท้ายนำไปอบแห้งในเตาอบ ขั้นตอนที่พิถีพิถันนี้ช่วยให้เราสามารถประมาณปริมาณโคลนที่กู้คืนได้เมื่อเทียบกับน้ำหนักเดิม และคำนวณเปอร์เซ็นต์ของโคลนหินดินดานที่กู้คืนได้สำเร็จในที่สุด แหล่งที่มาของตัวอย่างหินดินดานมาจากอำเภอเนียห์ อำเภอมีรี รัฐซาราวัก ประเทศมาเลเซีย ก่อนการทดสอบการกระจายตัวและการกู้คืน ตัวอย่างหินดินดานได้รับการวิเคราะห์ด้วยการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) อย่างละเอียดเพื่อหาปริมาณองค์ประกอบของดินเหนียวและยืนยันความเหมาะสมสำหรับการทดสอบ องค์ประกอบแร่ดินเหนียวของตัวอย่างมีดังนี้: อิลไลต์ 18%, เคโอลิไนต์ 31%, คลอไรต์ 22%, เวอร์มิคูไลต์ 10% และไมกา 19%
แรงตึงผิวเป็นปัจจัยสำคัญที่ควบคุมการแทรกซึมของไอออนน้ำเข้าไปในรูพรุนขนาดเล็กของหินดินดานผ่านแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอย ซึ่งจะได้รับการศึกษาอย่างละเอียดในส่วนนี้ บทความนี้ตรวจสอบบทบาทของแรงตึงผิวในคุณสมบัติการยึดเกาะของของเหลวสำหรับการเจาะ โดยเน้นถึงอิทธิพลที่สำคัญต่อกระบวนการเจาะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการยับยั้งการแทรกซึมของหินดินดาน เราใช้เครื่องวัดแรงตึงผิวระหว่างเฟส (IFT700) เพื่อวัดแรงตึงผิวของตัวอย่างของเหลวสำหรับการเจาะอย่างแม่นยำ ซึ่งเผยให้เห็นแง่มุมที่สำคัญของพฤติกรรมของของเหลวในบริบทของการยับยั้งการแทรกซึมของหินดินดาน
ส่วนนี้จะกล่าวถึงระยะห่างระหว่างชั้น d โดยละเอียด ซึ่งเป็นระยะห่างระหว่างชั้นอะลูมิโนซิลิเกตกับชั้นอะลูมิโนซิลิเกตหนึ่งชั้นในดินเหนียว การวิเคราะห์ครอบคลุมตัวอย่างโคลนเปียกที่มี CA NADES 1%, 3% และ 5% รวมถึง DES ที่มี KCl 3%, [EMIM]Cl 3% และ CC:urea 3% เพื่อใช้ในการเปรียบเทียบ เครื่องวิเคราะห์การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์แบบตั้งโต๊ะที่ทันสมัย ​​(D2 Phaser) ซึ่งทำงานที่ 40 mA และ 45 kV โดยใช้รังสี Cu-Kα (λ = 1.54059 Å) มีบทบาทสำคัญในการบันทึกยอดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ของตัวอย่าง Na-Bt ทั้งแบบเปียกและแห้ง การประยุกต์ใช้สมการของแบร็กช่วยให้สามารถกำหนดระยะห่างระหว่างชั้น d ได้อย่างแม่นยำ ซึ่งให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับพฤติกรรมของดินเหนียว
ส่วนนี้ใช้เครื่องมือ Malvern Zetasizer Nano ZSP ขั้นสูงเพื่อวัดศักย์ซีตาอย่างแม่นยำ การประเมินนี้ให้ข้อมูลที่มีค่าเกี่ยวกับลักษณะประจุของตัวอย่างโคลนเจือจางที่มี CA NADES 1%, 3% และ 5% รวมถึง KCl 3%, [EMIM]Cl 3% และ DES ที่มี CC:urea 3% สำหรับการวิเคราะห์เปรียบเทียบ ผลลัพธ์เหล่านี้ช่วยให้เราเข้าใจถึงเสถียรภาพของสารประกอบคอลลอยด์และการโต้ตอบของพวกมันในของเหลวได้ดียิ่งขึ้น
ตัวอย่างดินเหนียวได้รับการตรวจสอบก่อนและหลังการสัมผัสกับตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ (NADES) โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนสนามแม่เหล็กไฟฟ้า (FESEM) รุ่น Zeiss Supra 55 VP ที่ติดตั้งระบบวิเคราะห์รังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน (EDX) ความละเอียดในการถ่ายภาพอยู่ที่ 500 นาโนเมตร และพลังงานลำแสงอิเล็กตรอนอยู่ที่ 30 กิโลโวลต์และ 50 กิโลโวลต์ FESEM ให้ภาพที่มีความละเอียดสูงของลักษณะพื้นผิวและโครงสร้างของตัวอย่างดินเหนียว วัตถุประสงค์ของการศึกษาครั้งนี้คือเพื่อหาข้อมูลเกี่ยวกับผลกระทบของ NADES ต่อตัวอย่างดินเหนียวโดยการเปรียบเทียบภาพที่ได้ก่อนและหลังการสัมผัส
ในการศึกษาครั้งนี้ เทคโนโลยีกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนด้วยการปล่อยสนามไฟฟ้า (FESEM) ถูกนำมาใช้เพื่อตรวจสอบผลกระทบของ NADES ต่อตัวอย่างดินเหนียวในระดับจุลภาค จุดมุ่งหมายของการศึกษาครั้งนี้คือเพื่อชี้แจงถึงการประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ของ NADES และผลกระทบต่อสัณฐานวิทยาและขนาดอนุภาคเฉลี่ยของดินเหนียว ซึ่งจะให้ข้อมูลที่มีค่าสำหรับการวิจัยในสาขานี้
ในการศึกษาครั้งนี้ แถบแสดงความคลาดเคลื่อน (error bars) ถูกนำมาใช้เพื่ออธิบายความแปรปรวนและความไม่แน่นอนของค่าเฉลี่ยเปอร์เซ็นต์ความคลาดเคลื่อน (AMPE) ในแต่ละเงื่อนไขการทดลอง แทนที่จะพล็อตค่า AMPE แต่ละค่า (เนื่องจากการพล็อตค่า AMPE อาจบดบังแนวโน้มและทำให้ความแปรปรวนเล็กน้อยดูเกินจริง) เราคำนวณแถบแสดงความคลาดเคลื่อนโดยใช้กฎ 5% วิธีนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าแถบแสดงความคลาดเคลื่อนแต่ละแถบแสดงถึงช่วงที่คาดว่าช่วงความเชื่อมั่น 95% และ 100% ของค่า AMPE จะตกอยู่ ซึ่งจะช่วยให้สรุปการกระจายข้อมูลสำหรับแต่ละเงื่อนไขการทดลองได้ชัดเจนและกระชับยิ่งขึ้น การใช้แถบแสดงความคลาดเคลื่อนตามกฎ 5% จึงช่วยปรับปรุงความสามารถในการตีความและความน่าเชื่อถือของการนำเสนอด้วยกราฟ และช่วยให้เข้าใจผลลัพธ์และนัยสำคัญของผลลัพธ์ได้ละเอียดมากขึ้น
ในการสังเคราะห์ตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ (NADES) ได้มีการศึกษาพารามิเตอร์สำคัญหลายประการอย่างละเอียดถี่ถ้วนในระหว่างกระบวนการเตรียมภายในห้องปฏิบัติการ ปัจจัยสำคัญเหล่านี้ได้แก่ อุณหภูมิ อัตราส่วนโมล และความเร็วในการผสม การทดลองของเราแสดงให้เห็นว่า เมื่อผสม HBA (กรดซิตริก) และ HBD (กลีเซอรอล) ในอัตราส่วนโมล 1:4 ที่อุณหภูมิ 50°C จะเกิดสารผสมยูเทคติกขึ้น คุณลักษณะเด่นของสารผสมยูเทคติกคือ มีลักษณะโปร่งใส เป็นเนื้อเดียวกัน และไม่มีตะกอน ดังนั้น ขั้นตอนนี้จึงเน้นย้ำถึงความสำคัญของอัตราส่วนโมล อุณหภูมิ และความเร็วในการผสม โดยที่อัตราส่วนโมลเป็นปัจจัยที่มีอิทธิพลมากที่สุดในการเตรียม DES และ NADES ดังแสดงในรูปที่ 2
ดัชนีหักเห (n) แสดงถึงอัตราส่วนของความเร็วแสงในสุญญากาศต่อความเร็วแสงในตัวกลางที่สองซึ่งมีความหนาแน่นกว่า ดัชนีหักเหมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ (NADES) เมื่อพิจารณาถึงการใช้งานที่ไวต่อแสง เช่น ไบโอเซนเซอร์ ดัชนีหักเหของ NADES ที่ศึกษาที่อุณหภูมิ 25 °C คือ 1.452 ซึ่งน่าสนใจตรงที่ต่ำกว่าดัชนีหักเหของกลีเซอรอล
เป็นที่น่าสังเกตว่าดัชนีหักเหของ NADES ลดลงตามอุณหภูมิ และแนวโน้มนี้สามารถอธิบายได้อย่างแม่นยำด้วยสูตร (1) และรูปที่ 3 โดยที่ค่าความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยร้อยละสัมบูรณ์ (AMPE) เข้าใกล้ 0% พฤติกรรมที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมินี้อธิบายได้จากการลดลงของความหนืดและความหนาแน่นที่อุณหภูมิสูง ทำให้แสงเดินทางผ่านตัวกลางด้วยความเร็วที่สูงขึ้น ส่งผลให้ค่าดัชนีหักเห (n) ลดลง ผลลัพธ์เหล่านี้ให้ข้อมูลเชิงลึกที่มีคุณค่าเกี่ยวกับการใช้ NADES ในเชิงกลยุทธ์ในการตรวจจับด้วยแสง โดยเน้นถึงศักยภาพในการใช้งานไบโอเซนเซอร์
แรงตึงผิว ซึ่งสะท้อนถึงแนวโน้มของพื้นผิวของเหลวที่จะลดพื้นที่ผิวให้เหลือน้อยที่สุด มีความสำคัญอย่างยิ่งในการประเมินความเหมาะสมของตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ (NADES) สำหรับการใช้งานที่อาศัยแรงดันคาปิลลารี การศึกษาแรงตึงผิวในช่วงอุณหภูมิ 25–60 °C ให้ข้อมูลที่มีค่า ที่ 25 °C แรงตึงผิวของ NADES ที่มีกรดซิตริกเป็นส่วนประกอบหลักอยู่ที่ 55.42 mN/m ซึ่งต่ำกว่าน้ำและกลีเซอรอลอย่างมีนัยสำคัญ รูปที่ 4 แสดงให้เห็นว่าแรงตึงผิวลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้ด้วยการเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์ของโมเลกุลและการลดลงของแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุลในเวลาต่อมา
แนวโน้มการลดลงเชิงเส้นของแรงตึงผิวที่สังเกตได้ใน NADES ที่ศึกษา สามารถแสดงได้ดีด้วยสมการ (2) ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์พื้นฐานในช่วงอุณหภูมิ 25–60 °C กราฟในรูปที่ 4 แสดงให้เห็นแนวโน้มของแรงตึงผิวกับอุณหภูมิอย่างชัดเจน โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยร้อยละสัมบูรณ์ (AMPE) เท่ากับ 1.4% ซึ่งวัดความแม่นยำของค่าแรงตึงผิวที่รายงาน ผลลัพธ์เหล่านี้มีนัยสำคัญต่อการทำความเข้าใจพฤติกรรมของ NADES และการประยุกต์ใช้งานที่เป็นไปได้
การทำความเข้าใจพลวัตความหนาแน่นของตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ (NADES) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการนำไปประยุกต์ใช้ในงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์มากมาย ความหนาแน่นของ NADES ที่มีกรดซิตริกเป็นส่วนประกอบที่อุณหภูมิ 25°C คือ 1.361 กรัม/ซม³ ซึ่งสูงกว่าความหนาแน่นของกลีเซอรอลดั้งเดิม ความแตกต่างนี้สามารถอธิบายได้จากการเติมตัวรับพันธะไฮโดรเจน (กรดซิตริก) เข้าไปในกลีเซอรอล
ยกตัวอย่างเช่น NADES ที่มีซิเตรตเป็นส่วนประกอบ ความหนาแน่นจะลดลงเหลือ 1.19 g/cm3 ที่อุณหภูมิ 60°C การเพิ่มขึ้นของพลังงานจลน์เมื่อได้รับความร้อนทำให้โมเลกุลของ NADES กระจายตัวออกไป ทำให้โมเลกุลเหล่านั้นครอบครองปริมาตรที่ใหญ่ขึ้น ส่งผลให้ความหนาแน่นลดลง การลดลงของความหนาแน่นที่สังเกตได้แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์เชิงเส้นกับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ ซึ่งสามารถแสดงได้อย่างถูกต้องด้วยสูตร (3) รูปที่ 5 แสดงลักษณะเหล่านี้ของการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของ NADES โดยมีค่าความคลาดเคลื่อนเฉลี่ยร้อยละสัมบูรณ์ (AMPE) เท่ากับ 1.12% ซึ่งเป็นการวัดเชิงปริมาณของความถูกต้องของค่าความหนาแน่นที่รายงาน
ความหนืดคือแรงดึงดูดระหว่างชั้นต่างๆ ของของเหลวที่กำลังเคลื่อนที่ และมีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจถึงความเหมาะสมของตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ (NADES) ในการใช้งานต่างๆ ที่อุณหภูมิ 25 °C ความหนืดของ NADES อยู่ที่ 951 cP ซึ่งสูงกว่าความหนืดของกลีเซอรอล
การลดลงของความหนืดที่สังเกตได้เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นนั้น ส่วนใหญ่เกิดจากการอ่อนตัวลงของแรงดึงดูดระหว่างโมเลกุล ปรากฏการณ์นี้ส่งผลให้ความหนืดของของเหลวลดลง ซึ่งเป็นแนวโน้มที่แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนในรูปที่ 6 และวัดปริมาณได้ด้วยสมการ (4) ที่น่าสังเกตคือ ที่อุณหภูมิ 60°C ความหนืดลดลงเหลือ 898 cP โดยมีค่าเฉลี่ยเปอร์เซ็นต์ความคลาดเคลื่อนโดยรวม (AMPE) เท่ากับ 1.4% ความเข้าใจอย่างละเอียดเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างความหนืดกับอุณหภูมิใน NADES มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติ
ค่า pH ของสารละลาย ซึ่งกำหนดโดยลอการิทึมลบของความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออน มีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานที่ไวต่อค่า pH เช่น การสังเคราะห์ DNA ดังนั้นจึงต้องศึกษาค่า pH ของ NADES อย่างละเอียดก่อนใช้งาน ยกตัวอย่างเช่น NADES ที่มีกรดซิตริกเป็นส่วนประกอบ จะมีค่า pH เป็นกรดอย่างชัดเจนที่ 1.91 ซึ่งแตกต่างอย่างมากจากค่า pH ที่เป็นกลางของกลีเซอรอล
ที่น่าสนใจคือ ค่า pH ของตัวทำละลายที่ละลายได้ในกรดซิตริกดีไฮโดรจีเนสตามธรรมชาติ (NADES) แสดงแนวโน้มลดลงแบบไม่เป็นเส้นตรงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์นี้เกิดจากการสั่นสะเทือนของโมเลกุลที่เพิ่มขึ้น ซึ่งรบกวนสมดุลของ H+ ในสารละลาย นำไปสู่การก่อตัวของไอออน [H]+ และส่งผลให้ค่า pH เปลี่ยนแปลงไป ในขณะที่ค่า pH ตามธรรมชาติของกรดซิตริกอยู่ในช่วง 3 ถึง 5 การมีอยู่ของไฮโดรเจนที่เป็นกรดในกลีเซอรอลจะลดค่า pH ลงไปอีกจนถึง 1.91
พฤติกรรมค่า pH ของ NADES ที่ใช้ซิเตรตในช่วงอุณหภูมิ 25–60 °C สามารถแสดงได้อย่างเหมาะสมด้วยสมการ (5) ซึ่งให้การแสดงออกทางคณิตศาสตร์สำหรับแนวโน้มค่า pH ที่สังเกตได้ รูปที่ 7 แสดงความสัมพันธ์ที่น่าสนใจนี้ในเชิงกราฟ โดยเน้นผลกระทบของอุณหภูมิต่อค่า pH ของ NADES ซึ่งมีรายงานว่าอยู่ที่ 1.4% สำหรับ AMPE
การวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตริก (TGA) ของตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกของกรดซิตริกธรรมชาติ (NADES) ได้ดำเนินการอย่างเป็นระบบในช่วงอุณหภูมิตั้งแต่อุณหภูมิห้องถึง 500 °C ดังที่เห็นได้จากรูปที่ 8a และ 8b การสูญเสียมวลเริ่มต้นจนถึง 100 °C ส่วนใหญ่เกิดจากน้ำที่ถูกดูดซับและน้ำไฮเดรชั่นที่เกี่ยวข้องกับกรดซิตริกและกลีเซอรอลบริสุทธิ์ มีการคงมวลไว้ได้มากถึงประมาณ 88% จนถึง 180 °C ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากการสลายตัวของกรดซิตริกเป็นกรดอะโคนิติกและการก่อตัวของเมทิลมาเลอิกแอนไฮไดรด์(III) ในภายหลังเมื่อให้ความร้อนต่อไป (รูปที่ 8b) เหนือ 180 °C ยังสามารถสังเกตเห็นการปรากฏของอะโครลีน (อะคริลอัลดีไฮด์) ในกลีเซอรอลได้อย่างชัดเจน ดังแสดงในรูปที่ 8b37
การวิเคราะห์เทอร์โมกราวิเมตริก (TGA) ของกลีเซอรอลเผยให้เห็นกระบวนการสูญเสียมวลสองขั้นตอน ขั้นตอนแรก (180 ถึง 220 °C) เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของอะโครลีน ตามด้วยการสูญเสียมวลอย่างมีนัยสำคัญที่อุณหภูมิสูงตั้งแต่ 230 ถึง 300 °C (รูปที่ 8a) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น อะเซทัลดีไฮด์ คาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน และไฮโดรเจนจะก่อตัวขึ้นตามลำดับ ที่น่าสังเกตคือ มีเพียง 28% ของมวลเท่านั้นที่ยังคงอยู่ที่ 300 °C ซึ่งบ่งชี้ว่าคุณสมบัติที่แท้จริงของ NADES 8(a)38,39 อาจมีข้อบกพร่อง
เพื่อให้ได้ข้อมูลเกี่ยวกับการก่อตัวของพันธะเคมีใหม่ จึงได้ทำการวิเคราะห์สารแขวนลอยของตัวทำละลายยูเทคติกเชิงลึกจากธรรมชาติ (NADES) ที่เตรียมสดใหม่โดยใช้สเปกโทรสโกปีอินฟราเรดแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม (FTIR) การวิเคราะห์นี้ดำเนินการโดยการเปรียบเทียบสเปกตรัมของสารแขวนลอย NADES กับสเปกตรัมของกรดซิตริกบริสุทธิ์ (CA) และกลีเซอรอลบริสุทธิ์ (Gly) สเปกตรัมของ CA แสดงยอดที่ชัดเจนที่ 1752 1/cm และ 1673 1/cm ซึ่งแสดงถึงการสั่นแบบยืดของพันธะ C=O และเป็นลักษณะเฉพาะของ CA นอกจากนี้ ยังพบการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญในการสั่นแบบดัดงอของ OH ที่ 1360 1/cm ในบริเวณลายนิ้วมือ ดังแสดงในรูปที่ 9
ในทำนองเดียวกัน ในกรณีของกลีเซอรอล พบว่าการเปลี่ยนแปลงของการสั่นแบบยืดและดัดของ OH เกิดขึ้นที่เลขคลื่น 3291 1/cm และ 1414 1/cm ตามลำดับ เมื่อวิเคราะห์สเปกตรัมของ NADES ที่เตรียมได้ พบว่ามีการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญในสเปกตรัม ดังแสดงในรูปที่ 7 การสั่นแบบยืดของพันธะ C=O เปลี่ยนจาก 1752 1/cm เป็น 1720 1/cm และการสั่นแบบดัดของพันธะ -OH ของกลีเซอรอลเปลี่ยนจาก 1414 1/cm เป็น 1359 1/cm การเปลี่ยนแปลงของเลขคลื่นเหล่านี้บ่งชี้ถึงการเปลี่ยนแปลงของค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตี ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการเกิดพันธะเคมีใหม่ในโครงสร้างของ NADES