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Evalución del Comportamiento Reologico de polielectrolitos

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by

nickole manrique

on 23 June 2015

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Transcript of Evalución del Comportamiento Reologico de polielectrolitos

39
EVALUACIÓN DEL COMPORTAMIENTO REOLÓGICO SOBRE POLIELECTROLÍTOS A BASE DE ACRILAMIDA HIDROFÓBICAMENTE MODIFICADA
Capitulo II
MARCO TEÓRICO

Capitulo III
MARCO METODOLÓGICO

Naturaleza de la investigación
Capitulo I
EL PROBLEMA

Planteamiento del Problema
Los ingresos de la renta petrolera justifican la inversión en investigación
Integrantes:
Manrique, Stephanie
Ramírez, Nomar
Tutor:
Dra. Mirtha Carrillo

Introducción
Presión natural permite extraer del
20% al 30%
del crudo contenido en la formación
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA "ANTONIO JOSÉ DE SUCRE"
VICE-RECTORADO DE BARQUISIMETO
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
BARQUISIMETO, ESTADO LARA
Perforación petrolera
La extracción del resto del crudo implica una recuperación asistida del yacimiento
Arrastre con soluciones acuosas de viscosidad elevada
Polímeros
De alta masa molar
Antecedentes
Bases Teóricas
Polímeros
Moléculas de cadena larga y muy alto peso molecular
Poliacrilamida
Viscosidad
Aumentan la viscosidad de soluciones acuosas
PAM
La viscosidad específica
Cantidad de sal presente en el medio de solución
depende
Comportamiento de la viscosidad de los polielectrolítos
Acrilamida 2-acrilamido-2-metil-propil-sulfonato de sodio N-dodecil-acrilamida
(AM-AMPSNa-C12)
1.
Determinar el
comportamiento de la viscosidad
de soluciones acuosas de
de diferentes concentraciones de
AM-AMPSNa-C12
y
AM-AMPSNa-C12-POP 3%
a través de ensayos reológicos

2.
Determinar el
comportamiento de la viscosidad
en soluciones salinas con concentraciones variables de
AM-AMPSNa-C12

y

AM-AMPSNa-C12-POP3%

y una concentración fija de NaCl a través de ensayos reológicos

3.
Establecer la
relación
que existe entre el
comportamiento reológico
de los polímeros

AM-AMPSNa-C12

y

AM-AMPSNa-C12-POP3%

en base a los comonómeros presentes en cada uno de estos polímeros y en ausencia o presencia de sal en la solución
Objetivos de la Investigación
Objetivo General
Evaluar el comportamiento reológico en soluciones acuosas de polielectrolítos a base de acrilamida hidrofóbicamente modificada.
Objetivos Específicos
Justificación
Poliacrilamida
Aplicaciones
Investigaciones
Incorporación de cadenas laterales hidrocarbonadas y modificación a la cadena principal con polielectrolítos
Reología de Polielectrolítos Hidrofóbicamente Modificados
Superan a sus análogas:
Poliacrilamida
y
Poliacrilamida Parcialmente Hidrolizada
Viscosidad
Geles o membranas en laboratorios de biotecnología
Tratamiento de aguas residuales
Floculante para el agua potable
Agente acondicionante de suelos
Procesamiento de alimentos
Agricultura
Aplicaciones biomédicas
Aportes
Características hidrofóbicas
Capacidad de formar red de asociaciones hidrofóbicas
Aumento del volumen hidrodinámico en solución
Aumento de la viscosidad
Polímero mas utilizado en la recuperación mejorada de crudo
Polímero usado en viscosificación de soluciones acuosas
HPAM
Alto peso molecular y repulsión de cargas
Esfuerzo constante
Gradiente de velocidad
Relación:
Fluidos Newtonianos y no Newtonianos
Viscosidad Dinámica
Viscosidad de polímeros en solución
Representa una de las propiedades más importantes de soluciones poliméricas
Variación de la viscosidad
Temperatura
Ejemplo de efecto de temperatura en fluidos Newtonianos y no Newtonianos
Velocidad de corte
Adelgazamiento por corte o cizallamiento y fluidos pseudoplásticos
Respuesta típica de un fluido no newtoniano
Viscosificación por corte
Comportamiento de viscosificación por cizalla para una solución polímerica mostrando el efecto de fotodegradación para (1) 1 día, (2) 15 días, (3) 50 días, al ser expuesta a luz a temperatura ambiente
Influencia de las sales
Viscosidad específica de soluciones HPAM depende de cantidad de sal presente
Reología
Estudio de la caracterización y en las mediciones de las propiedades de materiales que no pueden ser definidos únicamente por las palabras sólido o líquido lo que brinda información en cuanto el comportamiento mecánico de distintos materiales
Investigación experimental
Variables de estudio
Viscosidad
Concentración de polímero y de sal
Velocidad de corte
Dependiente, Independiente y de Control:
Población y muestra
Soluciones con concentración variables de polielectrolítos
Soluciones con concentración variable de polielectrolítos y concentración fija de sal
24 soluciones
24 soluciones
Muestras de agua pura (18MΩ)
4 muestras
Procedimientos y técnicas
Preparación de soluciones
Medición de viscosidad
Materiales
Polímeros en estudio
AM-AMPSNa-C12 y AM-AMPSNa-C12-POP 3%
Estructura de los comonómeros
POBLACIÓN
52
Fuente: Barnes, H. Hutton, J. y Walters, K. 1989
Fuente: Barnes, H. Hutton, J. y Walters, K. 1989
Fuente: Vilastic Scientif, Inc.
Fuente: Mott, R. 2006
Kujawa y colaboradores en 2004:
“Propiedades reológicas de polielectrolitos asociativos hidrofóbicamente modificados en soluciones acuosas semidiluidas”
Feng y colaboradores en 2005:
“Poliacrilamidas hidrofóbicas asociativas y sus derivados parcialmente hidrolizados preparados por post-modificación. Propiedades de polímeros no-hidrolizados en agua pura y salmuera”
. . .
¡Gracias!
Fuente: Daughton.1988
Fuente: Carrillo. 2013
Capitulo IV
RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Capitulo V
CONCLUSIONES

Acrilamida 2-acrilamido-2-metil-propil-sulfonato de sodio N-dodecil-acrilamida poli(oxido de propilén metacrilato)
(AM-AMPSNa-C12-POP3%)
En solución acuosa y salina
POLIACRILAMIDA
Formada por múltiples unidades de Acrilamida
Debido a su estructura química posee propiedades viscosificantes en solución acuosa
Empleada en gran variedad de industrias
Agente viscosificante en la extracción mejorada de crudo por arrastre con soluciones de alta viscosidad
Modelo base para múltiples modificaciones
HPAM
HMPAM
Poliacrilamidas parcialmente hidrolizadas
Poliacrilamidas hidrofóbicamnete modificadas
Contienen cargas iónicas a lo largo de su cadena
Mejor solubilidad en agua
Mayor habilidad viscosificante
Expansión de la macromolécula
Aumenta la tolerancia de la macromolécula ante la degradación mecánica
Poseen grupos hidrofóbicos distribuidos a lo largo de la cadena principal
Forman una red física de interacciones intra e inter moleculares
Asociaciones intermoleculares contribuyen al aumento de la viscosidad
HPAM
HMPAM
Interacciones intra o intermoleculares
Propiedades en solución
Viscosidad
(PAM)
Estudiar el comportamiento de la viscosidad de los polímeros bajo distintas condiciones de ensayo
Wever y colaboradores en el 2011:
“Polímeros para la recuperación mejorada de crudo: un paradigma para la relación estructura-propiedades en solución acuosa”
Carrillo en 2014:
“Síntesis, caracterización y propiedades reológicas de poliacrilamidas mono y bimodificadas”
Reacción de adición de un monómero insaturado
Polímeros con estructuras del tipo no ordenada
Polimerización iónica y
polimerización radical
Síntesis:
POLIMERIZACIÓN
Adición
Condensación
Estructura del polímero
Morfología
Comportamiento mecánico y físico
Relación entre
Según la forma de la cadena:
Lopéz, 2004
Conformaciones:
Ordenaciones que surgen por rotación alrededor de enlaces simples
En soluciones diluidas, las moléculas de polímeros están en movimiento constante debido a su energía térmica y asumen conformaciones diferentes en sucesiones rápidas lo que da lugar a enrollamiento al azar en ovillos
Interacciones Moleculares
El movimiento de los segmentos de cadena
Estructura química
LIMITA
Radicales de gran volumen y fuerzas intermoleculares elevadas
Peso molecular
Fuerzas
Primarias
Secundarias
Atracción entre moléculas
Interacciones entre segmentos de una misma cadena
Interacciones con el solvente
Caso del AM-AMPSNa-C12-POP3%
Para explicar el efecto que produce la introducción de grupos POP, Carrillo, M., propuso el siguiente modelo:
Fuerzas intra o intermoleculares
Volatilidad, viscosidad, las propiedades de tensión superficial, miscibilidad y solubilidad
MUESTRA
Polielectrolítos
Grado de disociación
Localización de sitios cargados
Densidad de carga
Naturaleza de los contraiones
Son
Polímeros que se disocian en especies cargadas en solución
Ejemplo:
Factores que determinan su comportamiento:
Poseen gran volumen hidrodinámico en solución
Fuente: Larez. 2003
Cadenas hidrofóbicas
Se adicionan mediante copolimerización
Estructura:
Fuente: Daughton. 1988
Alto peso molecular, hidrófilo, agente viscosificante
Modificaciones:
Fenómeno de memoria "desvaneciente"
Polímero anfifílico
HMPAM
Forma microdominios hidrofóbicos
Fuente: Wever y col. 2011
Comportamiento de las mediciones reológicas dependen de:
Longitud de la cadena del polímero
Ramificaciones
Interacción polímero-solvente y polaridad
Tienen gran efecto en
solución
Así como factores que afectan la viscosidad
y
Reología mide la viscosidad en función de la velocidad de corte aplicada
1. Se realizó el estudio del comportamiento de la viscosidad de los polímeros AM-AMPSNa-C12 Y AM-AMPSANa-C12-POP3% a través de ensayos reológicos en solución acuosa y salina, los resultados mostraron un comportamiento pseudoplástico en donde la viscosidad aparente disminuye a medida que la velocidad de corte aumenta, así mismo se observó el aumento de la viscosidad en función de la concentración para todos los casos, características esperadas para el tipo de polímeros estudiados.

2. Se comparó las gráficas de viscosidad aparente en función de la concentración a 10s-1 en agua pura y se obtuvo que la viscosidad del polímero AM-AMPSNa-C12 es mayor que la del AM-AMPSNa-C12-POP3% para todas las concentraciones de estudio, esto se puede atribuir a la presencia del grupo POP que desfavorece la formación de interacciones hidrofóbicas.

3. Se logró comparar el comportamiento reológico de ambos polímeros a distintas concentraciones y a concentración fija de sal (0,5M), donde las soluciones de AM-AMPSNa-C12-POP3% mostraron menor viscosidad en todos los casos en comparación a las de AM-AMPSNa-C12, excepto a concentraciones menores de 60 ppm a 10-1. Se concluye que en estas concentraciones la presencia de grupos POP previene la disminución del volumen hidrodinámico de la macromolécula que ocurre en efecto al apantallamiento de las cargas del polielectrolíto debido a la sal presente en la solución, indicativo que a bajas concentraciones la repulsiones electroestáticas son en gran parte la causa del incremento de la viscosidad.

4. Se comparó el comportamiento de AM-AMPSNa-C12 y AM-AMPSANa-C12-POP3% en agua pura y sal a 350 ppm y se observó que la influencia de sal afecto la viscosidad de estos polímeros de forma distinta, pues para el AM-AMPSNa-C12 fue desfavorecida comparada con su viscosidad en agua pura mientras que para el AM-AMPSNa-C12-POP3% fue favorecida respecto a la viscosidad medida en agua pura. Esto permite concluir que , a pesar de que la sal causa apantallamiento parcial de cargas también causa que el agua como solvente se vuelva pobre favoreciendo la formación de microdominios hidrofóbicos que contribuyen de manera significativa al aumento de la viscosidad en ambos caos, sin embargo, las características de las cadenas del POP previene la contracción de la macromolécula y es así que en presencia de sal la viscosidad para este polímero bimodificado es mayor que en agua pura, pero esto no altera el comportamiento pseudoplástico ni supera la viscosidad del polímero sin grupos POP. Debido a que en ausencia de las cadenas del POP la viscosidad sigue siendo mayor tanto en agua pura como en sal, se concluye que la formación de interacciones hidrofóbicas tiene un impacto mayor en el incremento de la viscosidad que el efecto que tiene el POP en la prevención de la disminución del volumen hidrodinámico de la macromolécula.

5. Se encontró que la presencia de monómeros con impedimento estérico y de alta densidad electrónica (POP), puede proporcionarle una mejor tolerancia a la sal en solución a los polielectrolítos hidrofóbicamente modificados que contengan este tipo de injertos bajo las condiciones estudiadas.
CONCLUSIONES
Fase I
: Determinar el comportamiento de la viscosidad de soluciones acuosas de diferentes concentraciones de AM-AMPSNa-C12 y AM-AMPSNa-C12-POP3% a través de ensayos reológicos.
Fase II
: Estudiar el comportamiento de la viscosidad en soluciones salinas con concentraciones variables de AM-AMPSNa-C12 y AM-AMPSNa-C12-POP3% y una concentración fija de NaCl a través de ensayos reológicos
Fase III
: Establecer la relación que existe entre el comportamiento reológico de los polímeros AM-AMPSNa-C12 y AM-AMPSNa-C12-POP3% en base a los comonómeros presentes en cada uno de estos polímeros y en ausencia o presencia de sal en la solucion.
Construcción de curvas
1. Se recomienda utilizar un viscosímetro y/o reómetro que proporcione mayor sensibilidad para las mediciones de la viscosidad aparente comenzando a velocidades de corte por debajo de 1s-1, y de esta manera poder evaluar en un espectro de velocidades de corte más amplio el comportamiento de los polímeros en presencia de sal.

2. Se recomienda realizar un estudio con concentración variable de sal con el fin de cubrir de forma más amplia el efecto de la sal sobre las propiedades de estos polielectrolítos a base de acrilamida hidrofóbicamente modificada.

3. Se recomienda hacer pruebas de las soluciones de los polímeros estudiados en crudo para comprobar la capacidad de estos novedosos polímeros para formar emulsiones estables para estudiar su eficiencia de arrastre y así su utilidad en el mejoramiento de la extracción del crudo.

4. Se recomienda realizar análisis de viscosidad a concentraciones menores de 90 ppm de los dos polielectrolitos en estudio, en un rango de velocidades de corte amplio y tanto en agua como en presencia de sal, para que de esta forma se obtenga mayor información de las interacciones que ocurren con respecto a ambos polímero por debajo de esta concentración que mostró ser un punto de interés donde cambia el comportamiento que venían presentando los mismos.
Fuente: Carrillo, 2014
Viscosidad aparente en función de la velocidad de corte para AM-AMPSNa-C12 a 30ºC en agua pura
Viscosidad aparente en función de la velocidad de corte para AM-AMPSNa-C12-POP3% a 30ºC en agua pura
Viscosidad aparente en función de la concentración a 10s-1 para AM-AMPSNa-C12 y AM-AMPSNa-C12-POP3% en agua pura a 30°C
Viscosidad aparente del AM-AMPSNa-C12 en función de la velocidad de corte para distintas concentraciones de polímero en 0,5M de NaCl a 30°C
Viscosidad aparente en función de la concentración a 10s-1 para AM-AMPSNa-C12 en solución de 0,5M NaCl y en agua pura a 30°C
Viscosidad aparente del AM-AMPSNa-C12-POP3% en función de la velocidad de corte para distintas concentraciones de polímero en 0,5M de NaCl a 30°C
Viscosidad aparente del AM-AMPSNa-C12-POP3% en agua pura y en presencia de NaCl (0,5M) en función de la concentración a 30°C, medida a 10s-1 de velocidad de corte
Reología de Polielectrolitos a Base de Acrilamida Hidrofóbicamente Modificada en solución acuosa
Reología de Polielectrolitos a Base de Acrilamida Hidrofóbicamente Modificada en Solución Salina
Comparaciones
Viscosidad aparente del AM-AMPSNa-C12 y AM-AMPSNa-C12-POP3% medida a 10s-1, ambos en presencia de NaCl (0,5M) en función de la concentración de polímero a 30°C
Viscosidad aparente del AM-AMPSNa-C12 y AM-AMPSNa-C12-POP3% a 60 ppm en solución salina (NaCl 0,5M) en función de la velocidad de corte a 30°C
Viscosidad aparente del AM-AMPSNa-C12 y AM-AMPSNa-C12-POP3% a 350 ppm en agua pura y en presencia de NaCl (0,5M) en función de la velocidad de corte a 30°C
RECOMENDACIONES
Reómetro HAAKE VT 500 Fisions
Captor (geometría doble cuette) y copa SV1
Regulador de temperatura THERMOMIX modelo 1442D
Aumento de la viscosidad con la concentración
Disminución de la viscosidad con la velocidad de corte
Perturbación de la red hidrofóbica
Aumento de la viscosidad con la concentración
Disminución de la viscosidad con la velocidad de corte (Adelgazamiento por corte)
POP macromonómero
Impedimento estérico
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