24.08.2019
Площадочный вибратор является приспособлением, аналогичным электродвигателю, применяемое в роли источника эффективных колебаний....


24.08.2019
На сегодняшний день во всём мире наблюдается максимально экономное использование энергоресурсов, а владельцы недвижимого...


24.08.2019
В процессе обустройства ванной комнаты приходится выбирать большое количество важнейших компонентов, начиная от ванных и унитаза,...


23.08.2019
На сегодняшний день циркониевые коронки считаются уникальной разработкой в сфере протезирования зубов, её пользуются стоматологи...


23.08.2019
Эксплуатационный период любого строения, сохранность всего имущества и создание в нём оптимального микроклимат определяется, в...


23.08.2019
Дабы постройка выглядела массивной и напоминала строения минувших веков, нередко мастера выполняют отделку с помощью руст. Это...


Исследование физико-химических процессов, происходящих в глинистых растворах

15.07.2019

С целью изучения физико-химических процессов, происходящих в промывочных жидкостях при химической обработке и при повышении температуры, нами совместно с В.Г. Довжуком были проведены исследования влияния указанных факторов на электро-кинетический потенциал е и количество связанной воды А, а также взаимосвязи этих величин с технологическими параметрами глинистых растворов: вязкостью Т, предельным статическим напряжением сдвига 01-10 и водоотдачей В. Исследованию подвергались химически необработанные глинистые растворы с различной концентрацией глины.

Изменение физико-химических и технологических свойств глинистых растворов, приготовленных из краснодарского глинопорошка, при введении супила показано на рис. 18.

Из рис. 18 видно, что введение супила приводит к уменьшению количества связанной воды с 8,5% до значений, близких к пулю (0,4%), т. е. при введении супила происходит гидрофобизация частиц глины.

С увеличением концентрации сунила не только уменьшается количество связанной воды, но одновременно уменьшаются вязкость и CHC глинистых растворов. После введения 0,4% сунила дальнейшее уменьшение величин А, Т, Bi и 0ю прекращается. Кривые, показывающие изменение количества связанной воды и вязкости, симбатны до концентрации 0,4% сунила, а при дальнейшем повышении концентрации сунила переходят в прямые, параллельные оси абсцисс. Это показывает, что увеличение концентрации сунила выше 0,4% не вызывает дальнейшего снижения вязкости, хотя водоотдача продолжает снижаться. Следовательно, из рис. 18 можно сделать вывод о том, что водоотдача либо совсем не зависит от количества связанной воды, либо эта зависимость не имеет существенного значения.

По данным рис. 18 можно проследить изменение электрокинетического потенциала и технологических параметров глинистого раствора. Как видно из рисунка, при введении супила повышается электрокинетический потенциал глинистых частиц с 6 до 21 мв. Повышение е-потенциала сопровождается уменьшением водоотдачи глинистого раствора. Таким образом, между е-потенциалом и водоотдачей также можно установить зависимость: чем больше е-потенциал, тем меньше водоотдача, и наоборот.
Исследование физико-химических процессов, происходящих в глинистых растворах

Изменение величин A, е, Т, В, 01, 010 при возрастании концентрации УЩР показано па рис. 19. Так же, как и при введении сунила, происходит уменьшение количества связанной воды с 8,6 до 2%, что показывает несколько меньшую способность УЩР к снижению количества связанной воды. Известно также, что УЩР является менее эффективным понизителем вязкости, чем супил. Это является результатом его более слабого гидрофобизующего действия. С повышением концентрации УЩР е-потенциал также возрастает, по в этом случае УЩР повышает g с 11 до 28 мв, что указывает на более высокую активность УЩР, чем сунила в повышении е-потенциала. Это явление свидетельствует о том, что УЩР может более эффективно снижать водоотдачу, что подтверждается не только данными экспериментов, но и практикой использования химических реагентов.

На рис. 20 показано влияние концентрации КМЦ на количество связанной воды, е-потенциал, водоотдачу, вязкость и статическое напряжение сдвига глинистых растворов, приготовленных из глинопорошка Ильского завода «Утяжелитель». Из рис. 20 видно, что при увеличении концентрации КМЦ возрастает количество связанной воды (с 10 до 64%), е-потенциал (с 9 до 24 мв), вязкость и статическое напряжение сдвига и уменьшается водоотдача.

На рис. 20 показана адсорбция КМЦ с отрицательным знаком, что характеризует так называемую отрицательную адсорбцию, т. е. повышение концентрации КМЦ в результате адсорбции растворителя. Это происходит вследствие того, что КМЦ по отношению к глине является менее поверхностно-активным веществом, чем вода, молекулы КМЦ почти не адсорбируются глинистыми частицами.

Повышение е-потенциала глинистых частиц при введении КМЦ связано в первую очередь с десорбцией катионов с поверхности глинистых частиц и адсорбцией их молекулами КМЦ. Однако при введении КМЦ водоотдача пресных глинистых растворов снижается не только благодаря росту е-потенциала, но и главным образом вследствие того, что данные цепеобразные молекулы КМЦ вместе с глинистыми частицами закупоривают норовые каналы и препятствуют фильтрации жидкости из системы.

Зависимость водоотдачи химически обработанных глинистых растворов от электрокинетического потенциала глинистых частиц показана па рис. 21. Для сунила и УЩР экспериментальные точки со сравнительно небольшим разбросом ложатся на прямую линию, а для КМЦ наиболее приемлемой оказалась параболическая форма кривой. Это различие указывает на особенности снижения водоотдачи КМЦ по сравнению с сунилом и УЩР. Если эффект снижения водоотдачи при введении сунила и УЩР достигается в основном за счет повышения е-потенциала, то снижение водоотдачи при введении КМЦ достигается за счет суммарного эффекта: повышения е-потенциала, связывания воды молекулами КМЦ и закупорки мелких поровых каналов в глинистой корке крупными молекулами КМЦ.

Зависимость вязкости химически обработанных глинистых растворов от количества связанной воды показана на рис. 22. Как видно из рис. 22, зависимость T100=f(A) имеет линейный характер: угол наклона прямых 3 и 5 (обработка УЩР) к оси абсцисс (ось А) значительно больше, чем прямых 1, 2, 4 (обработка сунилом). Угол наклона прямых на рис. 22 характеризует эффективность реагентов-понизителей вязкости. Из данных, приведенных на этом рисунке, можно сделать вывод о том, что эффективность понизителей вязкости зависит от их способности гидрофобизировать поверхность глинистых частиц.

Таким образом, проведенные нами исследования показали, что управление фильтрационными характеристиками неминерализованных промывочных жидкостей осуществляется в основном путем изменения электрокинетического потенциала глинистых частиц. Высокомолекулярные линейные полимеры типа КМЦ также способствуют образованию малопроницаемой фильтрационной корки в силу своих размеров и формы. Следует также учитывать, что растворенные высокомолекулярные вещества обладают большим е-потенциалом, что способствует снижению проницаемости фильтрационных корок. Изменение реологических характеристик может осуществляться за счет гидрофобизации глинистых частиц — уменьшения количества связанной воды.

В табл. 4 в качестве примера приведены физико-химические и технологические характеристики двух глинистых растворов, использованных для прогрева.

Проведение большого количества опытов с глинистыми растворами, приготовленными из различных глин, позволило прийти к выводу об отсутствии качественных отличий в результатах опытов.

Влияние температуры на физико-химические и технологические параметры глинистого раствора, приготовленного из глинопорошка Ильского завода, показано на рис. 23.

Как видно из рис. 23, по мере повышения температуры прогрева увеличивается качество связанной воды. В химически необработанных глинистых растворах изменение количества связанной воды свидетельствует об изменении дисперсности глинистых частиц.

Между количеством связанной воды и дисперсностью глинистых частиц, исходя из представления о мономолекулярном слое, установлена следующая зависимость:

где Sуд — удельная поверхность в см2/г; А — количество связанной воды в % от веса глины; h — толщина слоя воды, равная 2,76х10в-8 см; d — плотность связанной воды, равная 1,3 г/см3.

При повышении температуры до 140° С в результате термодиспергирования происходит уменьшение средних размеров глинистых частиц, что приводит к увеличению количества связанной воды, вязкости и предельного статического напряжения сдвига. Нашими исследованиями не обнаружена взаимосвязь между количеством связанной воды и водоотдачей глинистых растворов. При повышении температуры прогрева свыше 140° С не наблюдается дальнейшего увеличения количества связанной воды, вязкости и CHC глинистых растворов, что свидетельствует об окончании процесса термодиспергирования при этой температуре.

Повышение температуры прогрева до 120° С не оказывает влияния на электрокинетический потенциал глинистых частиц и водоотдачу глинистых растворов. При дальнейшем повышении температуры происходит падение е-потенциала с 6,8 до 3,2 мв, сопровождающееся повышением водоотдачи с 14,7 до 17,2 см3. Причиной падения е-потенциала при нагревании до температуры выше 120° С является уменьшение термодинамического потенциала, что обусловлено общим уменьшением заряда глинистых частиц в результате адсорбции катионов из раствора, перераспределения зарядов и стабилизации кристаллической решетки глинистых минералов под действием температуры.

Приведенные данные позволяют считать, что для исследованных глинистых растворов между дисперсностью и вязкостью существует определенная зависимость. Чем выше концентрация глины и ее исходная дисперсность, тем в большей степени изменения дисперсности в результате прогрева сказываются на изменении вязкости.

На рис. 24 показана зависимость между электро-кинетическим потенциалом глинистых частиц и водоотдачей глинистых растворов. Из этого рисунка видно, что обе величины связаны линейной зависимостью. Чем выше концентрация глины и ее дисперсность, тем меньше изменение е-потенциала сказывается на водоотдаче глинистых растворов. Угол наклона прямых характеризует термическую устойчивость глинистых растворов к изменению водоотдачи.

Для изучения влияния температур на химически обработанные глинистые растворы их подвергали прогреву до 200° С. Результаты прогрева глинистого раствора, обработанного сунилом (рис. 25), показали, что этот химический реагент предотвращает термодиспергирование глинистой фазы до температуры прогрева 140° С, так как в этом интервале температур не происходит заметных изменений физико-химических величин и технологических параметров. Физико-химические процессы, происходящие при дальнейшем нагревании обработанного сунилом глинистого раствора, можно объяснить десорбцией химического реагента с поверхности глинистых частиц при повышении температуры. Причиной необратимой десорбции, по нашему мнению, можно считать уменьшение термодинамического потенциала глин, которое влечет за собой уменьшение электрокинетического потенциала, являющегося причиной увеличения водоотдачи глинистого раствора. Увеличение количества связанной воды в интервале 160—180° С, очевидно, связано с термодиспергированием глинистой фазы, что приводит к загустеванию.

Изменения свойств глинистого раствора, обработанного УЩР, в результате прогрева (рис. 26) во многом аналогичны изменениям, происходящим при прогреве глинистого раствора, обработанного сунилом. УЩР предотвращает термодиспергирование до температуры 120° С, следовательно, эта способность у УЩР значительно ниже, чем у сунила. В остальном характер процессов, происходящих при прогреве глинистых растворов, обработанных сунилом и УЩР, одинаков и объясняется десорбцией молекул химического реагента но мере повышения температуры.

При прогреве глинистого раствора, обработанного КМЦ (рис. 27), также происходит увеличение количества связанной воды, что служит причиной роста вязкости и статического напряжения сдвига, а также падение электрокинетического потенциала, приводящее к увеличению водоотдачи. Ho механизм процессов в данном случае совершенно иной, чем при прогреве глинистых растворов, обработанных сунилом и УЩР. Для анализа этих процессов остановимся сначала на влиянии температур на свойства химических реагентов.

Об изменении свойств химических реагентов в результате прогрева кроме результатов обработки ими глинистых растворов, судили также по изменению pH и кинематической вязкости водных растворов исследуемых химических реагентов, которая является критерием изменения молекулярного веса. Было установлено, что прогрев до 200° С принципиально не меняет свойств сунила и даже несколько улучшает свойства УЩР. Эти реагенты в результате прогрева не подвергаются деструкции или полимеризации.

Исследования показали, что нельзя связывать термостойкость глинистых растворов, обработанных сунилом и УЩР с изменениями, происходящими в этих реагентах в результате прогрева. При прогреве глинистых растворов, обработанных сунилом и УЩР, изменение технологических параметров является следствием изменения физико-химических характеристик в результате десорбции реагентов, тогда как при прогреве глинистого раствора, обработанного КМЦ, в силу вступает третий фактор — деструкция реагентов, вследствие чего глинистый раствор, обработанный КМЦ, по своим свойствам постепенно приближается к необработанному глинистому раствору. Если сравнить результаты прогрева глинистого раствора, обработанного КМЦ, и результаты обработки глинистого раствора прогретым КМЦ, то станет ясно, что в данном случае термостойкость глинистого раствора определяется термостойкостью самого реагента.

Из числа наиболее распространенных химических реагентов более других подвержены деструкции полимеры, имеющие эфирные связи между звеньями: крахмальный реагент, водорослевый реагент и карбоксиметилцеллюлоза. Крахмальный и водорослевый реагенты деструктируются при температуре 100—120° С, Из рис. 27 видно, что изменение свойств исследованного образца КМЦ-350 начинается уже при 100—120° С, а при 160—180° С процесс деструкции заканчивается. При повышенных температурах окисление КМЦ происходит по радикально-цепному процессу. Авторы установили возможность замедления термоокислительной деструкции фенолом, фенолформальдегидными и фенололигниновыми смолами, дубильными веществами, аминами и др. Указанные ингибиторы термоокислителыюй деструкции, по данным, защищают КМЦ от деструкции при 180—200° С. Реагенты УЩР, ССБ, КССБ, нитролигнины, ПФЛХ, сунил относятся к числу ограниченно термостойких, но их действие в малоагрессивной среде проявляется при температурах до 120—180° С. Однако снижение эффективности понизителей вязкости при повышении температуры до 200° С обычно не связано с деструкцией или полимеризацией самих реагентов. Так, например, качество УЩР после прогрева до 200° С даже несколько улучшается.

В агрессивных средах (минерализация, высокий pH) термостойкость всех реагентов и особенно щелочных резко снижается и зависит от индивидуальных свойств каждого реагента и среды. Термостойкость УЩР, НЛ, ПФЛХ и ССБ резко снижается при небольшой (до 1,5%) минерализации. В глинистых растворах на пресной воде и при слабой минерализации КССБ снижает водоотдачу при температурах до 150—180° С, но не препятствует высокотемпературному загустеванию. Глинистые растворы, обработанные УЩР, загустевают при температурах свыше 100°С, причем с увеличением температуры загустевание усиливается. Наиболее термостойкими являются акриловые полимеры: гипан, К-4 и РС-2, что обусловливается углерод — углеродной связью в главной цепи полимера. Для акриловых полимеров характерна способность поддерживать низкую водоотдачу при высокой температуре, но они не только не препятствуют высокотемпературному загустеванию, но и, наоборот, повышают вязкость глинистых растворов. В отличие от химических реагентов, обладающих эфирной связью, акрилаты с повышением температуры до 250° С не деструктируются, а наоборот, полимеризуются, что приводит к еще большему загустеванию глинистых растворов. Изучение свойств акриловых полимеров показывает, что в интервале температур 200—250° С должна происходить их пространственная полимеризация с образованием волокнообразного эластичного продукта.

Исследования термостойкости глинистых растворов, проведенные О.К. Ангелопуло, показали, что водоотдача глинистых растворов, обработанных различными химическими реагентами, при повышенной температуре увеличивается во времени. Через некоторое время после введения вследствие деструкции эффективно снижает водоотдачу только часть введенного химического реагента. Количество реагента в 1 м3 или в 1 т глинистого раствора, сохранившего эффективность, названо эффективной концентрацией.

Таким образом, на основании приведенных выше опытов, можно сделать следующие выводы.

1. Вязкость глинистых суспензий зависит от количества связанной воды. С увеличением количества связанной воды вязкость увеличивается.

2. Водоотдача глинистых суспензий зависит от электрокинетического потенциала глинистых частиц. С увеличением е-потенциала водоотдача уменьшается.

3. Повышение водоотдачи глинистых суспензий в результате термообработки связано с уменьшением электрокинетического потенциала глинистых частиц.

4. Повышение вязкости необработанных глинистых растворов в результате действия высоких температур происходит вследствие термодиспергирования глинистых частиц.

5. При введении сунила и УЩР в глинистые растворы уменьшается количество связанной воды и увеличивается электрокинетический потенциал. Первое способствует снижению вязкости, второе — понижению водоотдачи.

6. В результате термообработки глинистых растворов происходит необратимая десорбция понизителей вязкости, что приводит к росту вязкости и водоотдачи.

7. Свойства водных растворов сунила и УЩР при прогреве до 180—200° С почти не изменяются, а эффективность несколько повышается.

8. При введении в глинистую суспензию крахмального реагента и КМЦ увеличивается общее количество связанной воды в системе, возрастает электрокинетический потенциал. Первое способствует повышению вязкости, второе — снижению водоотдачи.

9. Одна из функций химических реагентов в промывочных жидкостях заключается в предотвращении термодиспергирования глинистых частиц при невысоких температурах (до 120—140° С).

Химические реагенты, вводимые в глинистые суспензии, обычно увеличивают е-потенциал глинистых частиц. Адсорбирующиеся химические реагенты вытесняют с поверхности глинистых частиц молекулы воды, гидрофобизуют эту поверхность, в результате чего уменьшается толщина адсорбционного слоя и увеличивается е-потенциал. Механизм подобного явления исследован нами на примере сунила и УЩР. При введении химических реагентов, не адсорбирующихся на поверхности раздела глина—вода, макромолекула полимера связывает противоионы и в первую очередь катионы двух- и трехвалентных металлов, что приводит к увеличению электрокинетического потенциала. Изменение е-потенциала оказывает влияние на технологические свойства глинистых растворов.

Представления о механизме действия химических реагентов, возникшие на основе результатов приведенных выше исследований, несколько отличаются от существовавших прежде (например), но имеются также работы, в той или иной мере подтверждающие приведенную нами схему. К их числу относятся работы А.К. Mискарли и А.М. Байрамова, Ф.Д. Овчаренко, В.П. Руди, Е.Т. Усковой и др.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна