Nanofluidos contendo nanomateriais de carbono aminados : preparo e propriedades
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
Descrição
Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Aminated carbon nanomaterials nanofluids : preparation and properties
Primeiro orientador
Membros da banca
Claudia Regina Elias Mansur
Ricardo Jorge Espanhol Andrade
Hallen Daniel Rezende Calado
Marcelo Cardoso
Ricardo Jorge Espanhol Andrade
Hallen Daniel Rezende Calado
Marcelo Cardoso
Resumo
A fim de garantir um alto grau de dispersão e transferir suas excelentes propriedades mecânicas, reológicas e térmicas para outras matrizes e solventes, nanotubos de carbono (NTC) e grafeno podem ser modificados quimicamente mediante a inserção de grupos oxigenados e aminados em sua estrutura. A poliacrilamida parcialmente hidrolisada (HPAM) é um polieletrólito solúvel em água e de alto caráter viscosificante, a qual é comumente usada em processos de recuperação avançada de petróleo (IOR). No entanto, em temperaturas elevadas e alta concentração de sais, a HPAM sofre hidrólise dos grupos acrilamida, tendo como resultado uma queda na sua viscosidade. Essa queda influenciará de maneira negativa a eficiência de varrido na IOR, tendo consequências econômicas e energéticas indesejáveis. Este trabalho de doutorado foi dividido em três series. Na Série 1 foi estudado o sistema composto por NTC oxidados (NTCO) e aminados com trietilenotetramina (TETA). Para isso, foi desenvolvida uma metodologia de síntese que permitiu a obtenção de NTCO-TETA. Em seguida, foram avaliadas as propriedades coloidais de nanofluidos (NF) contendo NTCO-TETA. Por último, foi realizado um estudo das propriedades reológicas de NF contendo NTCO-TETA e dispersos em solução aquosa de HPAM com o objetivo de avaliar a sua degradação química sob condições de reservatório de petróleo e gás. Na Série 2 foram repetidos os estudos descritos na Série 1, porém para o sistema composto por óxido de grafeno (GO) aminado com TETA. A Série 3 foi proposta de maneira exploratória e seu objetivo foi o estudo das propriedades coloidais e reológicas de NF contendo híbridos de GO-TETA:NTCO-TETA. A metodologia de síntese desenvolvida se mostrou energeticamente viável e com baixo impacto ambiental, permitindo a obtenção de nanomateriais de carbono (NMC) com alta qualidade estrutural e morfológica. Além disso, a presença de grupos amina nos NMC foi confirmada através de técnicas de CHN, TG/DTG e FTIR. O estudo coloidal mostrou que todos os NF de carbono apresentaram alta carga superficial e tamanhos de partícula na escala nano. Finalmente, o estudo reológico mostrou a grande influência da morfologia das nanopartículas na sua organização espacial. Adicionalmente, foram observados ganhos na viscosidade em NF contendo NTCO-TETA e híbridos de GO-TETA:NTCO-TETA, confirmando assim a potencial aplicação destes NMC em processos de IOR.
Abstract
In order to ensure a high degree of dispersion and transfer their outstanding mechanic, rheological, and thermal properties to other matrices and solvents, carbon nanotubes (CNT) and graphene can be chemically modified by inserting oxygenated and amino groups into their structure. Partially hydrolyzed polyacrylamide (HPAM) is a water-soluble polyelectrolyte of high viscosifying character, which is commonly used in improved oil recovery (IOR) processes. However, at high temperatures and high salt concentration, HPAM undergo hydrolysis of the acrylamide groups, resulting into a viscosity decrease. This will negatively affect the IOR sweeping performance, and thus, an outcome of economical and energetic undesired consequences. This Ph.D. research was divided into three series. In the first series, the objective was to study the system composed by previously oxidized amino-CNT, treated with triethylenetetramine (TETA). For this, a synthesis methodology was carried on, so TETA-CNT were obtained. Then, the colloidal properties of TETA-CNT nanofluids (NF) were studied when dispersed in both water and HPAM solutions. At last, a rheological study was performed on both aqueous TETA-CNT NF and HPAM + TETA-CNT NF, in order to evaluate their chemical decomposition under oil and gas reservoir conditions. In the second series, the whole process of series 1 was repeated, yet, using graphene oxide (GO) aminated with TETA. The third series was proposed as an exploring scope and its goal was to study both colloidal and rheological properties TETA-GO:TETA-CNT hybrids NF. The synthesis methodologies carried on showed to be energetically viable and had a low environmental impact, allowing to obtain carbon nanomaterials with high structural and morphological quality. In addition, the presence of amine groups into the carbon nanomaterials (CNM) structure was confirmed by CHN, TG/DTG and FTIR techniques. The colloidal study showed that all carbon NF display high surface charge and apparent particle sizes in the nanometer range. Finally, the rheological study showed the great influence of the morphology of the nanoparticles on their spatial organization. Besides, a viscosity gain was observed in TETA-CNT NF and TETA-GO:TETA-CNT hybrids NF, confirming the applicability of these CNM in IOR processes.
Assunto
Engenharia química, Nanotubos de carbono, Óxido de grafeno, Poliacrilamida, Reologia
Palavras-chave
Nanotubos de carbono aminados, Óxido de grafeno aminado, Poliacrilamida parcialmente hidrolisada, Reologia, Recuperação avançada de petróleo