Synthèse de copolymères liquides ioniques hydrosolubles à base d'acrylamide et étude de leurs propriétés dans la floculation de suspensions d'argile

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 14177 (2023) Citer cet article

3 Altmétrique

Détails des métriques

Pour éviter l'absorption d'eau et le gonflement des couches minérales argileuses, il est très important de développer des additifs stabilisants pour les fluides de forage à base d'eau, où des polymères organiques sont utilisés comme matières premières. Les copolymères d'acrylamide, agissant comme agents floculants, ont le potentiel de séparer des minéraux tels que la montmorillonite. Dans cette étude, trois copolymères hydrosolubles contenant de l'acrylamide-amphotère, de l'acrylamide-amphotère-anion et de l'acrylamide-amphotère-cation ont été synthétisés et caractérisés à l'aide de diverses techniques analytiques, notamment la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, la résonance magnétique nucléaire, la chromatographie par perméation de gel, calorimétrie différentielle à balayage, analyse thermogravimétrique et techniques dérivées de gravimétrie thermique. Ces copolymères ont été utilisés comme floculants pour traiter les suspensions aqueuses contenant des particules de montmorillonite, et une gamme de méthodes analytiques, telles que la mesure du volume de sédimentation, l'analyse par microscopie électronique à balayage, l'analyse par diffraction des rayons X et la mesure de l'angle de contact, ont été utilisées pour identifier la relation entre performances inhibitrices. La floculation des plaques de montmorillonite a été attribuée aux attractions électrostatiques entre la montmorillonite et les copolymères synthétisés. Les copolymères à haut poids moléculaire offrent une plus grande stabilité thermique et de meilleures caractéristiques de floculation pour les fluides de forage à base d'eau. Parmi les copolymères testés, l’échantillon acrylamide-amphotère-anion, avec le poids moléculaire le plus élevé, a présenté les meilleures performances en tant que coagulant par rapport aux autres copolymères.

Les boues de forage sont constituées de suspensions de particules de montmorillonite dans de l'eau ou de l'huile qui constituent une partie indissociable du processus de forage. La plupart des boues de forage, actuellement utilisées dans les champs pétroliers, sont formulées dans de l'eau1,2,3. L’hydratation des schistes lors du forage utilisant des fluides de forage à base d’eau constitue un problème majeur4. Les floculants sont essentiels pour minimiser le gonflement des schistes montmorillonitiques lors du forage5. Les floculants synthétiques sont plus efficaces que les floculants naturels en raison de leur efficacité et de leur faible coût6. La recherche a indiqué que l'efficacité et la nature de la floculation sont influencées par divers facteurs tels que la structure, le poids moléculaire, la charge et le dosage du floculant. Par exemple, dans les systèmes où le pontage est le principal mécanisme de floculation, le processus de floculation peut être considérablement amélioré en utilisant un polyélectrolyte de haut poids moléculaire, quelle que soit sa charge7,8,9. En plus des mécanismes de pontage, la floculation peut également se produire par neutralisation des charges, notamment via le mécanisme de patch. Dans de tels cas, un polyélectrolyte de faible poids moléculaire est généralement utilisé. Lors de l’utilisation d’un polyélectrolyte cationique en présence d’argiles chargées négativement, la principale force motrice est l’attraction électrostatique10. Plusieurs matériaux ont été étudiés comme inhibiteurs potentiels de schiste, mais la plupart d'entre eux subissent une dégradation lors du forage, ce qui entrave leurs applications potentielles11. Les floculants fonctionnent généralement bien dans des plages de températures spécifiques. De plus, le pH de l’environnement peut avoir un impact significatif sur les performances des floculants. Certains floculants polymères présentent une sensibilité notable à la salinité du fluide12,13. Divers polymères solubles dans l'eau ont été utilisés dans le fluide de forage à base d'eau pour éviter la perte de fluide. La température élevée provoque la défaillance de l’agent de traitement du fluide de forage14. Il est donc nécessaire de concevoir des floculants résistants à la chaleur et respectueux de l’environnement15. Les copolymères d'acrylamide sont utilisés comme additifs pour les fluides de forage pour surmonter les problèmes d'instabilité des parois et d'effondrement16. De nombreux travaux de recherche ont indiqué que l'acrylamide copolymérisé avec un monomère approprié présente une stabilité thermique élevée17. La plupart des floculants sont des polymères à base d'acrylamide et peuvent être disponibles sous formes anioniques, cationiques, non ioniques ou amphotères18. L'adsorption du copolymère à la surface des particules de montmorillonite dépend généralement du groupe fonctionnel des monomères et de la répartition des charges19,20,21. L'interaction entre les copolymères d'acrylamide et les feuilles de montmorillonite se produit par attractions électrostatiques. Par conséquent, à mesure que le type de groupes fonctionnels chargés dans la chaîne du copolymère acrylamide change, leurs interactions avec la montmorillonite changent également22,23,24. En outre, le principal problème du monde actuel est le manque d’eau douce, dû à l’augmentation de la pollution de l’environnement. La floculation est une méthode efficace et économique de traitement des eaux usées. Il existe de nombreux floculants destinés au traitement des eaux usées, qui sont utilisés pour éliminer les matières organiques et inorganiques15,25,26. Négliger le traitement de ces dispersions peut avoir des effets néfastes, entraînant non seulement le gaspillage de précieuses ressources en eau, mais également des problèmes environnementaux importants27. Le polyacrylamide et ses copolymères sont largement utilisés dans le traitement de l'eau et la déshydratation des boues. L'efficacité de la floculation est influencée par des facteurs tels que le type de floculant utilisé, son poids moléculaire et sa concentration dans la suspension aqueuse. La floculation se produit grâce à des mécanismes de neutralisation et de pontage des charges. Le processus de floculation est considéré comme efficace et satisfaisant lorsqu’il y a une diminution notable de la turbidité et une sédimentation accélérée des particules28,29,30,31. Dans la présente recherche, des copolymères contenant des monomères AA, DMAPS, AMPS et DADMAC ont été préparés et appliqués comme additifs coagulants dans les fluides de forage à base d'eau. Ces copolymères peuvent largement empêcher le gonflement par hydratation des minéraux de montmorillonite, et d'autre part, ils provoquent la coagulation en créant des forces d'attraction électrostatiques avec les particules de montmorillonite.