nature.com पर आने के लिए धन्यवाद। आपके ब्राउज़र संस्करण में CSS का सीमित समर्थन है। सर्वोत्तम अनुभव के लिए, हम नवीनतम ब्राउज़र संस्करण का उपयोग करने (या इंटरनेट एक्सप्लोरर में संगतता मोड बंद करने) की सलाह देते हैं। इसके अलावा, निरंतर समर्थन सुनिश्चित करने के लिए, इस साइट में स्टाइल या जावास्क्रिप्ट शामिल नहीं होंगे।
क्लैस्टिक जलाशयों में शेल का विस्तार गंभीर समस्याएं पैदा करता है, जिससे कुएं की अस्थिरता उत्पन्न होती है। पर्यावरणीय कारणों से, तेल आधारित ड्रिलिंग द्रव की तुलना में शेल अवरोधकों से युक्त जल आधारित ड्रिलिंग द्रव का उपयोग अधिक पसंद किया जाता है। आयनिक द्रव (आईएल) अपने अनुकूलनीय गुणों और प्रबल विद्युतस्थैतिक विशेषताओं के कारण शेल अवरोधकों के रूप में काफी ध्यान आकर्षित कर रहे हैं। हालांकि, ड्रिलिंग द्रवों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले इमिडाज़ोलिल-आधारित आयनिक द्रव (आईएल) विषैले, गैर-जैव अपघटनीय और महंगे साबित हुए हैं। डीप यूटेक्टिक सॉल्वैंट्स (डीईएस) को आयनिक द्रवों का अधिक लागत प्रभावी और कम विषैला विकल्प माना जाता है, लेकिन वे अभी भी अपेक्षित पर्यावरणीय स्थिरता मानकों पर खरे नहीं उतरते। इस क्षेत्र में हाल के विकास ने प्राकृतिक डीप यूटेक्टिक सॉल्वैंट्स (एनएडीईएस) के विकास को बढ़ावा दिया है, जो अपनी वास्तविक पर्यावरण मित्रता के लिए जाने जाते हैं। इस अध्ययन में साइट्रिक एसिड (हाइड्रोजन बॉन्ड स्वीकर्ता के रूप में) और ग्लिसरॉल (हाइड्रोजन बॉन्ड दाता के रूप में) युक्त एनएडीईएस का ड्रिलिंग द्रव योजक के रूप में अध्ययन किया गया। NADES आधारित ड्रिलिंग द्रवों को API 13B-1 के अनुसार विकसित किया गया और उनके प्रदर्शन की तुलना पोटेशियम क्लोराइड आधारित ड्रिलिंग द्रवों, इमिडाज़ोलियम आधारित आयनिक द्रवों और कोलीन क्लोराइड:यूरिया-DES आधारित ड्रिलिंग द्रवों से की गई। स्वामित्व वाले NADES के भौतिक-रासायनिक गुणों का विस्तृत वर्णन किया गया है। अध्ययन के दौरान ड्रिलिंग द्रव के रियोलॉजिकल गुणों, द्रव हानि और शेल अवरोधन गुणों का मूल्यांकन किया गया, और यह पाया गया कि 3% NADES की सांद्रता पर, यील्ड स्ट्रेस/प्लास्टिक विस्कोसिटी अनुपात (YP/PV) में वृद्धि हुई, मड केक की मोटाई 26% कम हुई और फ़िल्ट्रेट की मात्रा 30.1% कम हुई। विशेष रूप से, NADES ने 49.14% की प्रभावशाली विस्तार अवरोधन दर प्राप्त की और शेल उत्पादन में 86.36% की वृद्धि की। ये परिणाम NADES की सतही गतिविधि, ज़ेटा पोटेंशियल और क्ले की अंतरपरत दूरी को संशोधित करने की क्षमता के कारण हैं, जिनकी चर्चा इस शोधपत्र में अंतर्निहित प्रक्रियाओं को समझने के लिए की गई है। यह टिकाऊ ड्रिलिंग द्रव पारंपरिक शेल संक्षारण अवरोधकों के गैर-विषाक्त, लागत प्रभावी और अत्यधिक कारगर विकल्प के रूप में ड्रिलिंग उद्योग में क्रांति लाने की उम्मीद है, जिससे पर्यावरण के अनुकूल ड्रिलिंग प्रक्रियाओं का मार्ग प्रशस्त होगा।
शेल एक बहुमुखी चट्टान है जो हाइड्रोकार्बन के स्रोत और भंडार दोनों के रूप में कार्य करती है, और इसकी छिद्रपूर्ण संरचना¹ इन मूल्यवान संसाधनों के उत्पादन और भंडारण दोनों की क्षमता प्रदान करती है। हालांकि, शेल में मोंटमोरिलोनाइट, स्मेक्टाइट, काओलिनाइट और इलाइट जैसे मिट्टी के खनिज प्रचुर मात्रा में होते हैं, जो इसे पानी के संपर्क में आने पर फूलने के लिए प्रवण बनाते हैं, जिससे ड्रिलिंग कार्यों के दौरान वेलबोर अस्थिरता उत्पन्न होती है²,³। इन समस्याओं के कारण अनुत्पादक समय (एनपीटी) और पाइपों का फंसना, मड सर्कुलेशन का रुकना, वेलबोर का ढहना और बिट का दूषित होना जैसी कई परिचालन समस्याएं उत्पन्न हो सकती हैं, जिससे रिकवरी का समय और लागत बढ़ जाती है। परंपरागत रूप से, शेल संरचनाओं के लिए तेल-आधारित ड्रिलिंग द्रव (ओबीडीएफ) को प्राथमिकता दी जाती रही है क्योंकि इनमें शेल के विस्तार का प्रतिरोध करने की क्षमता होती है⁴। हालांकि, तेल-आधारित ड्रिलिंग द्रवों के उपयोग से लागत अधिक होती है और पर्यावरणीय जोखिम भी बढ़ जाते हैं। सिंथेटिक-आधारित ड्रिलिंग द्रवों (एसबीडीएफ) को एक विकल्प के रूप में माना गया है, लेकिन उच्च तापमान पर उनकी उपयुक्तता संतोषजनक नहीं है। जल-आधारित ड्रिलिंग द्रव (WBDF) एक आकर्षक समाधान हैं क्योंकि ये OBDF5 की तुलना में अधिक सुरक्षित, पर्यावरण के अनुकूल और लागत प्रभावी हैं। WBDF की शेल अवरोधक क्षमता को बढ़ाने के लिए विभिन्न शेल अवरोधकों का उपयोग किया गया है, जिनमें पोटेशियम क्लोराइड, चूना, सिलिकेट और पॉलिमर जैसे पारंपरिक अवरोधक शामिल हैं। हालांकि, इन अवरोधकों की प्रभावशीलता और पर्यावरणीय प्रभाव के संदर्भ में कुछ सीमाएँ हैं, विशेष रूप से पोटेशियम क्लोराइड अवरोधकों में उच्च K+ सांद्रता और सिलिकेट्स की pH संवेदनशीलता के कारण। 6 शोधकर्ताओं ने ड्रिलिंग द्रव रियोलॉजी में सुधार करने और शेल की सूजन और हाइड्रेट निर्माण को रोकने के लिए ड्रिलिंग द्रव योजक के रूप में आयनिक तरल पदार्थों के उपयोग की संभावना का पता लगाया है। हालांकि, ये आयनिक तरल पदार्थ, विशेष रूप से इमिडाज़ोलिल धनायन युक्त, आमतौर पर विषाक्त, महंगे, गैर-बायोडिग्रेडेबल होते हैं और इनकी तैयारी की प्रक्रिया जटिल होती है। इन समस्याओं को हल करने के लिए, लोगों ने एक अधिक किफायती और पर्यावरण के अनुकूल विकल्प की तलाश शुरू की, जिससे डीप यूटेक्टिक सॉल्वैंट्स (DES) का उदय हुआ। डीईएस एक यूटेक्टिक मिश्रण है जो हाइड्रोजन बॉन्ड डोनर (एचबीडी) और हाइड्रोजन बॉन्ड एक्सेप्टर (एचबीए) द्वारा एक विशिष्ट मोलर अनुपात और तापमान पर बनता है। इन यूटेक्टिक मिश्रणों का गलनांक उनके अलग-अलग घटकों की तुलना में कम होता है, जिसका मुख्य कारण हाइड्रोजन बॉन्ड के कारण आवेश का विस्थापन है। कई कारक, जिनमें जाली ऊर्जा, एन्ट्रॉपी परिवर्तन और आयनों तथा एचबीडी के बीच अंतःक्रियाएं शामिल हैं, डीईएस के गलनांक को कम करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
पिछले अध्ययनों में, शेल विस्तार की समस्या को हल करने के लिए पानी आधारित ड्रिलिंग द्रव में विभिन्न योजकों को जोड़ा गया था। उदाहरण के लिए, ओफेई एट अल. ने 1-ब्यूटिल-3-मिथाइलइमिडाज़ोलियम क्लोराइड (BMIM-Cl) मिलाया, जिससे मड केक की मोटाई में काफी कमी आई (50% तक) और विभिन्न तापमानों पर YP/PV मान में 11 की कमी आई। हुआंग एट अल. ने Na-Bt कणों के साथ आयनिक तरल पदार्थों (विशेष रूप से, 1-हेक्सिल-3-मिथाइलइमिडाज़ोलियम ब्रोमाइड और 1,2-बीआईएस(3-हेक्सिलइमिडाज़ोल-1-वाईएल)ईथेन ब्रोमाइड) का उपयोग किया और शेल की सूजन को क्रमशः 86.43% और 94.17% तक काफी कम कर दिया।12 इसके अलावा, यांग एट अल. 1-विनाइल-3-डोडिसिलिमिडाज़ोलियम ब्रोमाइड और 1-विनाइल-3-टेट्राडिसिलिमिडाज़ोलियम ब्रोमाइड का उपयोग करके शेल की सूजन को क्रमशः 16.91% और 5.81% तक कम किया गया। 13 यांग एट अल. ने भी 1-विनाइल-3-एथिलिमिडाज़ोलियम ब्रोमाइड का उपयोग किया और शेल रिकवरी को 40.60% पर बनाए रखते हुए शेल के विस्तार को 31.62% तक कम किया। 14 इसके अतिरिक्त, लू एट अल. ने शेल की सूजन को 80% तक कम करने के लिए 1-ऑक्टाइल-3-मिथाइलिमिडाज़ोलियम टेट्राफ्लोरोबोरेट का उपयोग किया। 15, 16 दाई एट अल. ने शेल को रोकने के लिए आयनिक तरल कॉपोलिमर का उपयोग किया और अमाइन अवरोधकों की तुलना में रैखिक रिकवरी में 18% की वृद्धि हासिल की। ​​17
आयनिक तरल पदार्थों में स्वयं कुछ कमियाँ होती हैं, जिसके कारण वैज्ञानिकों ने आयनिक तरल पदार्थों के अधिक पर्यावरण अनुकूल विकल्पों की तलाश शुरू की, और इस प्रकार डीईएस का जन्म हुआ। हंजिया पहले व्यक्ति थे जिन्होंने विनाइल क्लोराइड प्रोपियोनिक एसिड (1:1), विनाइल क्लोराइड 3-फेनिलप्रोपियोनिक एसिड (1:2), और 3-मर्कैप्टोप्रोपियोनिक एसिड + इटैकोनिक एसिड + विनाइल क्लोराइड (1:1:2) से युक्त डीप यूटेक्टिक सॉल्वैंट्स (डीईएस) का उपयोग किया, जिसने बेंटोनाइट की सूजन को क्रमशः 68%, 58% और 58% तक कम कर दिया।18 एक स्वतंत्र प्रयोग में, एम.एच. रसूल ने ग्लिसरॉल और पोटेशियम कार्बोनेट (डीईएस) के 2:1 अनुपात का उपयोग किया और शेल नमूनों की सूजन को 87% तक काफी कम कर दिया।19,20 मा ने यूरिया:विनाइल क्लोराइड का उपयोग करके शेल के विस्तार को 67% तक काफी कम कर दिया।21 रसूल एट अल. डीईएस और पॉलिमर के संयोजन का उपयोग दोहरी क्रिया वाले शेल अवरोधक के रूप में किया गया था, जिसने उत्कृष्ट शेल अवरोध प्रभाव प्राप्त किया था22।
हालांकि डीप यूटेक्टिक सॉल्वैंट्स (डीईएस) को आमतौर पर आयनिक तरल पदार्थों का एक पर्यावरण-अनुकूल विकल्प माना जाता है, लेकिन इनमें अमोनियम लवण जैसे संभावित विषैले घटक भी होते हैं, जिससे इनकी पर्यावरण-अनुकूलता पर सवाल उठते हैं। इस समस्या के कारण प्राकृतिक डीप यूटेक्टिक सॉल्वैंट्स (एनएडीईएस) का विकास हुआ है। इन्हें अभी भी डीईएस के रूप में वर्गीकृत किया जाता है, लेकिन ये पोटेशियम क्लोराइड (केसीएल), कैल्शियम क्लोराइड (कैक्लीनिक क्लोराइड), एप्सम लवण (एमजीएसओ4.7एच2ओ) और अन्य प्राकृतिक पदार्थों और लवणों से बने होते हैं। डीईएस और एनएडीईएस के कई संभावित संयोजन इस क्षेत्र में अनुसंधान के लिए व्यापक संभावनाएं खोलते हैं और विभिन्न क्षेत्रों में इनके अनुप्रयोग होने की उम्मीद है। कई शोधकर्ताओं ने सफलतापूर्वक नए डीईएस संयोजन विकसित किए हैं जो विभिन्न अनुप्रयोगों में प्रभावी साबित हुए हैं। उदाहरण के लिए, नासिर एट अल. (2013) ने पोटेशियम कार्बोनेट-आधारित डीईएस का संश्लेषण किया और इसके थर्मोफिजिकल गुणों का अध्ययन किया, जिसके बाद हाइड्रेट अवरोधन, ड्रिलिंग द्रव योजक, डीलिग्निफिकेशन और नैनोफिब्रिलेशन के क्षेत्रों में इसके अनुप्रयोग पाए गए। 23 जॉर्डी किम और उनके सहकर्मियों ने एस्कॉर्बिक एसिड-आधारित NADES विकसित किया और विभिन्न अनुप्रयोगों में इसके एंटीऑक्सीडेंट गुणों का मूल्यांकन किया। 24 क्रिस्टेर एट अल. ने साइट्रिक एसिड-आधारित NADES विकसित किया और कोलेजन उत्पादों के लिए एक सहायक पदार्थ के रूप में इसकी क्षमता की पहचान की। 25 लियू यी और उनके सहकर्मियों ने एक व्यापक समीक्षा में निष्कर्षण और क्रोमैटोग्राफी मीडिया के रूप में NADES के अनुप्रयोगों का सारांश प्रस्तुत किया, जबकि मिसान एट अल. ने कृषि-खाद्य क्षेत्र में NADES के सफल अनुप्रयोगों पर चर्चा की। ड्रिलिंग द्रव शोधकर्ताओं के लिए अपने अनुप्रयोगों में NADES की प्रभावशीलता पर ध्यान देना अनिवार्य है। हाल ही में, 2023 में, रसूल एट अल. ने एस्कॉर्बिक एसिड26, कैल्शियम क्लोराइड27, पोटेशियम क्लोराइड28 और एप्सम सॉल्ट29 पर आधारित प्राकृतिक डीप यूटेक्टिक सॉल्वैंट्स के विभिन्न संयोजनों का उपयोग किया और प्रभावशाली शेल अवरोधन और शेल पुनर्प्राप्ति प्राप्त की। यह अध्ययन उन पहले अध्ययनों में से एक है जो जल-आधारित ड्रिलिंग तरल पदार्थों में पर्यावरण के अनुकूल और प्रभावी शेल अवरोधक के रूप में एनएडीईएस (विशेष रूप से साइट्रिक एसिड और ग्लिसरॉल-आधारित फॉर्मूलेशन) को प्रस्तुत करता है, जिसमें केसीएल, इमिडाज़ोलिल-आधारित आयनिक तरल पदार्थ और पारंपरिक डीईएस जैसे पारंपरिक अवरोधकों की तुलना में उत्कृष्ट पर्यावरणीय स्थिरता, बेहतर शेल अवरोधन क्षमता और बेहतर द्रव प्रदर्शन की विशेषताएं हैं।
इस अध्ययन में साइट्रिक एसिड (CA) आधारित NADES का आंतरिक निर्माण, विस्तृत भौतिक-रासायनिक लक्षण वर्णन और ड्रिलिंग द्रव में एक योजक के रूप में इसका उपयोग करके ड्रिलिंग द्रव के गुणों और इसकी सूजन अवरोधक क्षमता का मूल्यांकन किया जाएगा। इस अध्ययन में, CA हाइड्रोजन बॉन्ड स्वीकर्ता के रूप में कार्य करेगा जबकि ग्लिसरॉल (Gly) हाइड्रोजन बॉन्ड दाता के रूप में कार्य करेगा, जिसका चयन शेल अवरोध अध्ययन में NADES निर्माण/चयन के लिए MH स्क्रीनिंग मानदंडों के आधार पर किया गया है।30 फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (FTIR), एक्स-रे विवर्तन (XRD) और ज़ेटा पोटेंशियल (ZP) मापन NADES-मिट्टी की अंतःक्रियाओं और मिट्टी की सूजन अवरोध के अंतर्निहित तंत्र को स्पष्ट करेंगे। इसके अतिरिक्त, यह अध्ययन सीए एनएडीएस आधारित ड्रिलिंग द्रव की तुलना डीईएस32 से करेगा जो 1-एथिल-3-मिथाइलइमिडाज़ोलियम क्लोराइड [ईएमआईएम]Cl7,12,14,17,31, केसीएल और कोलीन क्लोराइड: यूरिया (1:2) पर आधारित है, ताकि शेल अवरोधन में उनकी प्रभावशीलता और ड्रिलिंग द्रव प्रदर्शन में सुधार की जांच की जा सके।
साइट्रिक एसिड (मोनोहाइड्रेट), ग्लिसरॉल (99 यूएसपी) और यूरिया को ईवाकेम, कुआलालंपुर, मलेशिया से खरीदा गया था। कोलीन क्लोराइड (>98%), [ईएमआईएम]सीएल 98% और पोटेशियम क्लोराइड को सिग्मा एल्ड्रिच, मलेशिया से खरीदा गया था। सभी रसायनों की रासायनिक संरचना चित्र 1 में दर्शाई गई है। हरे रंग का आरेख इस अध्ययन में उपयोग किए गए मुख्य रसायनों की तुलना करता है: इमिडाज़ोलिल आयनिक द्रव, कोलीन क्लोराइड (डीईएस), साइट्रिक एसिड, ग्लिसरॉल, पोटेशियम क्लोराइड और एनएडीएस (साइट्रिक एसिड और ग्लिसरॉल)। इस अध्ययन में उपयोग किए गए रसायनों की पर्यावरण-मित्रता तालिका तालिका 1 में प्रस्तुत की गई है। तालिका में, प्रत्येक रसायन को विषाक्तता, जैवअपघटनीयता, लागत और पर्यावरणीय स्थिरता के आधार पर मूल्यांकित किया गया है।
इस अध्ययन में प्रयुक्त सामग्रियों की रासायनिक संरचनाएँ: (a) साइट्रिक अम्ल, (b) [EMIM]Cl, (c) कोलीन क्लोराइड, और (d) ग्लिसरॉल।
प्राकृतिक यूटेक्टिक विलायक (CA) आधारित NADES के विकास के लिए हाइड्रोजन बॉन्ड डोनर (HBD) और हाइड्रोजन बॉन्ड एक्सेप्टर (HBA) उम्मीदवारों का चयन MH 30 चयन मानदंडों के अनुसार सावधानीपूर्वक किया गया, जो NADES को प्रभावी शेल अवरोधक के रूप में विकसित करने के लिए निर्धारित हैं। इस मानदंड के अनुसार, बड़ी संख्या में हाइड्रोजन बॉन्ड डोनर और एक्सेप्टर के साथ-साथ ध्रुवीय कार्यात्मक समूहों वाले घटक NADES के विकास के लिए उपयुक्त माने जाते हैं।
इसके अलावा, इस अध्ययन में तुलना के लिए आयनिक तरल [EMIM]Cl और कोलीन क्लोराइड: यूरिया डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट (DES) का चयन किया गया क्योंकि इनका व्यापक रूप से ड्रिलिंग द्रव योजक के रूप में उपयोग किया जाता है33,34,35,36। इसके अलावा, पोटेशियम क्लोराइड (KCl) की तुलना की गई क्योंकि यह एक सामान्य अवरोधक है।
साइट्रिक एसिड और ग्लिसरॉल को अलग-अलग मोलर अनुपात में मिलाकर यूटेक्टिक मिश्रण प्राप्त किए गए। दृश्य निरीक्षण से पता चला कि यूटेक्टिक मिश्रण एक समरूप, पारदर्शी तरल था जिसमें कोई धुंधलापन नहीं था, जिससे यह संकेत मिलता है कि हाइड्रोजन बॉन्ड डोनर (HBD) और हाइड्रोजन बॉन्ड एक्सेप्टर (HBA) इस यूटेक्टिक मिश्रण में सफलतापूर्वक मिश्रित हो गए थे। HBD और HBA के मिश्रण की प्रक्रिया के तापमान-निर्भर व्यवहार का अवलोकन करने के लिए प्रारंभिक प्रयोग किए गए। उपलब्ध साहित्य के अनुसार, यूटेक्टिक मिश्रणों के अनुपात का मूल्यांकन 50°C, 70°C और 100°C से ऊपर के तीन विशिष्ट तापमानों पर किया गया, जिससे यह संकेत मिलता है कि यूटेक्टिक तापमान आमतौर पर 50-80°C की सीमा में होता है। HBD और HBA घटकों को सटीक रूप से तौलने के लिए मेटलर डिजिटल बैलेंस का उपयोग किया गया, और नियंत्रित परिस्थितियों में 100 rpm पर HBD और HBA को गर्म करने और हिलाने के लिए थर्मो फिशर हॉट प्लेट का उपयोग किया गया।
हमारे द्वारा संश्लेषित डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट (डीईएस) के ऊष्माभौतिक गुणों, जिनमें घनत्व, पृष्ठ तनाव, अपवर्तनांक और श्यानता शामिल हैं, का सटीक मापन 289.15 से 333.15 के तापमान सीमा पर किया गया। यह ध्यान देने योग्य है कि मौजूदा उपकरणों की सीमाओं के कारण ही इस तापमान सीमा का चयन किया गया था। व्यापक विश्लेषण में इस एनएडीएस फॉर्मूलेशन के विभिन्न ऊष्माभौतिक गुणों का गहन अध्ययन शामिल था, जिससे तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला में उनके व्यवहार का पता चला। इस विशिष्ट तापमान सीमा पर ध्यान केंद्रित करने से एनएडीएस के उन गुणों की जानकारी मिलती है जो कई अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं।
तैयार किए गए NADES की पृष्ठ तनाव को 289.15 से 333.15 K के तापमान अंतराल में एक अंतरास्थि तनाव मीटर (IFT700) का उपयोग करके मापा गया। NADES की बूंदें एक बड़े तरल पदार्थ से भरे कक्ष में विशिष्ट तापमान और दबाव की स्थितियों में केशिका सुई का उपयोग करके बनाई जाती हैं। आधुनिक इमेजिंग प्रणालियाँ लैपलेस समीकरण का उपयोग करके अंतरास्थि तनाव की गणना के लिए उपयुक्त ज्यामितीय मापदंडों को शामिल करती हैं।
289.15 से 333.15 K के तापमान रेंज में ताज़ा तैयार किए गए NADES के अपवर्तनांक का निर्धारण करने के लिए ATAGO रिफ्रैक्टोमीटर का उपयोग किया गया। यह उपकरण प्रकाश के अपवर्तन की मात्रा का अनुमान लगाने के लिए तापमान को नियंत्रित करने हेतु एक थर्मल मॉड्यूल का उपयोग करता है, जिससे स्थिर तापमान वाले जल स्नान की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। रिफ्रैक्टोमीटर की प्रिज्म सतह को साफ किया जाना चाहिए और नमूना विलयन को उस पर समान रूप से फैलाया जाना चाहिए। एक ज्ञात मानक विलयन से अंशांकन करें, और फिर स्क्रीन से अपवर्तनांक पढ़ें।
तैयार किए गए NADES की श्यानता को 289.15 से 333.15 K के तापमान रेंज में ब्रुकफील्ड रोटेशनल विस्कोमीटर (क्रायोजेनिक प्रकार) का उपयोग करके 30 rpm की अपरूपण दर और 6 के स्पिंडल आकार पर मापा गया। यह विस्कोमीटर तरल नमूने में स्पिंडल को स्थिर गति से घुमाने के लिए आवश्यक टॉर्क निर्धारित करके श्यानता मापता है। नमूने को स्पिंडल के नीचे स्क्रीन पर रखने और कसने के बाद, विस्कोमीटर श्यानता को सेंटीपॉइज़ (cP) में प्रदर्शित करता है, जिससे तरल के रियोलॉजिकल गुणों के बारे में महत्वपूर्ण जानकारी मिलती है।
289.15–333.15 K तापमान सीमा में ताज़ा तैयार किए गए प्राकृतिक डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट (NDEES) का घनत्व निर्धारित करने के लिए पोर्टेबल घनत्व मीटर DMA 35 बेसिक का उपयोग किया गया। चूंकि इस उपकरण में अंतर्निर्मित हीटर नहीं है, इसलिए NADES घनत्व मीटर का उपयोग करने से पहले इसे निर्दिष्ट तापमान (± 2 °C) तक पहले से गर्म करना आवश्यक है। ट्यूब के माध्यम से कम से कम 2 मिलीलीटर नमूना लें, और घनत्व तुरंत स्क्रीन पर प्रदर्शित हो जाएगा। यह ध्यान देने योग्य है कि अंतर्निर्मित हीटर की अनुपस्थिति के कारण, माप परिणामों में ± 2 °C की त्रुटि हो सकती है।
289.15–333.15 K तापमान सीमा में ताज़ा तैयार किए गए NADES के pH का मूल्यांकन करने के लिए, हमने केनिस बेंचटॉप pH मीटर का उपयोग किया। चूंकि इसमें कोई अंतर्निर्मित हीटिंग उपकरण नहीं है, इसलिए NADES को पहले हॉटप्लेट का उपयोग करके वांछित तापमान (±2 °C) तक गर्म किया गया और फिर pH मीटर से सीधे मापा गया। pH मीटर के प्रोब को NADES में पूरी तरह से डुबोएं और रीडिंग स्थिर होने के बाद अंतिम मान रिकॉर्ड करें।
प्राकृतिक डीप यूटेक्टिक सॉल्वैंट्स (एनएडीईएस) की तापीय स्थिरता का मूल्यांकन करने के लिए थर्मोग्रैविमेट्रिक विश्लेषण (टीजीए) का उपयोग किया गया। नमूनों का विश्लेषण तापन के दौरान किया गया। उच्च परिशुद्धता वाले तराजू का उपयोग करके और तापन प्रक्रिया की सावधानीपूर्वक निगरानी करते हुए, द्रव्यमान में कमी और तापमान के बीच का ग्राफ तैयार किया गया। एनएडीईएस को 0 से 500 डिग्री सेल्सियस तक 1 डिग्री सेल्सियस प्रति मिनट की दर से गर्म किया गया।
प्रक्रिया शुरू करने के लिए, NADES नमूने को अच्छी तरह से मिलाना, समरूप बनाना और सतह की नमी को हटाना आवश्यक है। तैयार नमूने को फिर TGA क्यूवेट में रखा जाता है, जो आमतौर पर एल्यूमीनियम जैसी अक्रिय सामग्री से बना होता है। सटीक परिणाम सुनिश्चित करने के लिए, TGA उपकरणों को संदर्भ सामग्री, आमतौर पर भार मानकों का उपयोग करके कैलिब्रेट किया जाता है। कैलिब्रेशन के बाद, TGA प्रयोग शुरू होता है और नमूने को नियंत्रित तरीके से, आमतौर पर एक स्थिर दर पर गर्म किया जाता है। नमूने के भार और तापमान के बीच संबंध की निरंतर निगरानी प्रयोग का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। TGA उपकरण तापमान, भार और अन्य मापदंडों जैसे गैस प्रवाह या नमूने के तापमान पर डेटा एकत्र करते हैं। TGA प्रयोग पूरा होने के बाद, एकत्रित डेटा का विश्लेषण तापमान के फलन के रूप में नमूने के भार में परिवर्तन निर्धारित करने के लिए किया जाता है। यह जानकारी नमूने में भौतिक और रासायनिक परिवर्तनों से संबंधित तापमान सीमाओं को निर्धारित करने में मूल्यवान है, जिसमें पिघलना, वाष्पीकरण, ऑक्सीकरण या अपघटन जैसी प्रक्रियाएं शामिल हैं।
जल आधारित ड्रिलिंग द्रव को API 13B-1 मानक के अनुसार सावधानीपूर्वक तैयार किया गया था, और इसकी विशिष्ट संरचना संदर्भ के लिए तालिका 2 में दी गई है। प्राकृतिक डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट (NADES) तैयार करने के लिए साइट्रिक एसिड और ग्लिसरॉल (99 USP) को सिग्मा एल्ड्रिच, मलेशिया से खरीदा गया था। इसके अतिरिक्त, पारंपरिक शेल अवरोधक पोटेशियम क्लोराइड (KCl) को भी सिग्मा एल्ड्रिच, मलेशिया से खरीदा गया था। 98% से अधिक शुद्धता वाले 1-एथिल, 3-मिथाइलइमिडाज़ोलियम क्लोराइड ([EMIM]Cl) का चयन ड्रिलिंग द्रव के रियोलॉजी और शेल अवरोधन में सुधार पर इसके महत्वपूर्ण प्रभाव के कारण किया गया था, जिसकी पुष्टि पिछले अध्ययनों में की गई थी। NADES के शेल अवरोधन प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए तुलनात्मक विश्लेषण में KCl और ([EMIM]Cl) दोनों का उपयोग किया जाएगा।
कई शोधकर्ता शेल की सूजन का अध्ययन करने के लिए बेंटोनाइट फ्लेक्स का उपयोग करना पसंद करते हैं क्योंकि बेंटोनाइट में वही "मोंटमोरिलोनाइट" समूह होता है जो शेल की सूजन का कारण बनता है। वास्तविक शेल कोर नमूने प्राप्त करना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि कोरिंग प्रक्रिया शेल को अस्थिर कर देती है, जिसके परिणामस्वरूप ऐसे नमूने प्राप्त होते हैं जो पूरी तरह से शेल नहीं होते बल्कि आमतौर पर बलुआ पत्थर और चूना पत्थर की परतों का मिश्रण होते हैं। इसके अलावा, शेल के नमूनों में आमतौर पर मोंटमोरिलोनाइट समूह नहीं होते हैं जो शेल की सूजन का कारण बनते हैं और इसलिए वे सूजन अवरोधन प्रयोगों के लिए उपयुक्त नहीं होते हैं।
इस अध्ययन में, हमने लगभग 2.54 सेंटीमीटर व्यास वाले पुनर्गठित बेंटोनाइट कणों का उपयोग किया। इन कणों को 11.5 ग्राम सोडियम बेंटोनाइट पाउडर को 1600 psi के दबाव पर हाइड्रोलिक प्रेस में दबाकर बनाया गया था। कणों की मोटाई को रैखिक डाइलेटोमीटर (LD) में रखने से पहले सटीक रूप से मापा गया था। इसके बाद कणों को ड्रिलिंग द्रव के नमूनों में डुबोया गया, जिनमें आधार नमूने और शेल की सूजन को रोकने के लिए उपयोग किए जाने वाले अवरोधकों से युक्त नमूने शामिल थे। फिर LD का उपयोग करके कणों की मोटाई में परिवर्तन की सावधानीपूर्वक निगरानी की गई, और 24 घंटे तक हर 60 सेकंड के अंतराल पर माप दर्ज किए गए।
एक्स-रे विवर्तन से पता चला कि बेंटोनाइट की संरचना, विशेष रूप से इसका 47% मोंटमोरिलोनाइट घटक, इसकी भूवैज्ञानिक विशेषताओं को समझने में एक महत्वपूर्ण कारक है। बेंटोनाइट के मोंटमोरिलोनाइट घटकों में, मोंटमोरिलोनाइट मुख्य घटक है, जो कुल घटकों का 88.6% है। वहीं, क्वार्ट्ज 29%, इलाइट 7% और कार्बोनेट 9% है। एक छोटा हिस्सा (लगभग 3.2%) इलाइट और मोंटमोरिलोनाइट का मिश्रण है। इसके अतिरिक्त, इसमें Fe2O3 (4.7%), सिल्वर एल्युमिनोसिलिकेट (1.2%), मस्कोवाइट (4%) और फॉस्फेट (2.3%) जैसे सूक्ष्म तत्व भी मौजूद हैं। साथ ही, Na2O (1.83%) और आयरन सिलिकेट (2.17%) की भी थोड़ी मात्रा मौजूद है, जिससे बेंटोनाइट के घटक तत्वों और उनके अनुपात को पूरी तरह से समझना संभव हो पाता है।
इस व्यापक अध्ययन खंड में प्राकृतिक डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट (एनएडीईएस) का उपयोग करके तैयार किए गए ड्रिलिंग द्रव नमूनों के रियोलॉजिकल और फिल्ट्रेशन गुणों का विस्तृत वर्णन किया गया है, जिन्हें विभिन्न सांद्रता (1%, 3% और 5%) पर ड्रिलिंग द्रव योजक के रूप में उपयोग किया गया है। एनएडीईएस आधारित स्लरी नमूनों की तुलना पोटेशियम क्लोराइड (केसीएल), सीसी:यूरिया डीईएस (कोलीन क्लोराइड डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट:यूरिया) और आयनिक तरल पदार्थों से युक्त स्लरी नमूनों से की गई और उनका विश्लेषण किया गया। इस अध्ययन में कई प्रमुख मापदंडों को शामिल किया गया, जिनमें 100°C और 150°C पर एजिंग स्थितियों के संपर्क में आने से पहले और बाद में एफएएनएन विस्कोमीटर का उपयोग करके प्राप्त श्यानता माप शामिल हैं। विभिन्न घूर्णन गति (3 आरपीएम, 6 आरपीएम, 300 आरपीएम और 600 आरपीएम) पर माप लिए गए, जिससे ड्रिलिंग द्रव के व्यवहार का व्यापक विश्लेषण संभव हुआ। प्राप्त आंकड़ों का उपयोग यील्ड पॉइंट (वाईपी) और प्लास्टिक श्यानता (पीवी) जैसे प्रमुख गुणों को निर्धारित करने के लिए किया जा सकता है, जो विभिन्न परिस्थितियों में द्रव के प्रदर्शन की जानकारी प्रदान करते हैं। 400 psi और 150°C (उच्च तापमान वाले कुओं में विशिष्ट तापमान) पर उच्च दबाव उच्च तापमान (HPHT) निस्पंदन परीक्षण निस्पंदन प्रदर्शन (केक की मोटाई और निस्पंदित द्रव की मात्रा) निर्धारित करते हैं।
इस अनुभाग में अत्याधुनिक उपकरण, ग्रेस एचपीएचटी लीनियर डाइलैटोमीटर (एम4600) का उपयोग करके हमारे जल-आधारित ड्रिलिंग द्रवों के शेल सूजन अवरोधक गुणों का गहन मूल्यांकन किया गया है। एलएसएम एक अत्याधुनिक मशीन है जिसमें दो घटक होते हैं: एक प्लेट कंपैक्टर और एक लीनियर डाइलैटोमीटर (मॉडल: एम4600)। ग्रेस कोर/प्लेट कंपैक्टर का उपयोग करके बेंटोनाइट प्लेटें विश्लेषण के लिए तैयार की गईं। एलएसएम इन प्लेटों पर तत्काल सूजन डेटा प्रदान करता है, जिससे शेल के सूजन अवरोधक गुणों का व्यापक मूल्यांकन संभव हो पाता है। शेल विस्तार परीक्षण परिवेशीय परिस्थितियों में, अर्थात् 25°C और 1 psia पर किए गए।
शेल स्थिरता परीक्षण में एक महत्वपूर्ण परीक्षण शामिल होता है जिसे अक्सर शेल रिकवरी परीक्षण, शेल डिप परीक्षण या शेल फैलाव परीक्षण कहा जाता है। इस मूल्यांकन की शुरुआत में, शेल के टुकड़ों को #6 बीएसएस स्क्रीन पर अलग किया जाता है और फिर #10 स्क्रीन पर रखा जाता है। इसके बाद, इन टुकड़ों को एक होल्डिंग टैंक में डाला जाता है जहाँ उन्हें एक बेस फ्लूइड और NADES (नेचुरल डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट) युक्त ड्रिलिंग मड के साथ मिलाया जाता है। अगला चरण मिश्रण को एक ओवन में तीव्र हॉट रोलिंग प्रक्रिया के लिए रखना है, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि टुकड़े और मड अच्छी तरह से मिल गए हैं। 16 घंटे बाद, शेल को विघटित होने देकर टुकड़ों को पल्प से अलग कर दिया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप टुकड़ों का वजन कम हो जाता है। शेल रिकवरी परीक्षण 24 घंटे के भीतर 150°C और 1000 psi/इंच पर ड्रिलिंग मड में शेल के टुकड़ों को रखने के बाद किया गया था।
शेल मड की रिकवरी मापने के लिए, हमने इसे एक महीन छलनी (40 मेश) से छाना, फिर पानी से अच्छी तरह धोया और अंत में ओवन में सुखाया। इस सावधानीपूर्वक प्रक्रिया से हमें मूल वजन की तुलना में रिकवर किए गए मड का अनुमान लगाने में मदद मिली, जिससे अंततः सफलतापूर्वक रिकवर किए गए शेल मड का प्रतिशत निकाला जा सका। शेल के नमूने मलेशिया के सरवाक राज्य के मिरी जिले के नियाह जिले से लिए गए हैं। फैलाव और रिकवरी परीक्षणों से पहले, शेल के नमूनों का विस्तृत एक्स-रे विवर्तन (XRD) विश्लेषण किया गया ताकि उनकी मिट्टी की संरचना का मात्रात्मक विश्लेषण किया जा सके और परीक्षण के लिए उनकी उपयुक्तता की पुष्टि की जा सके। नमूने की मिट्टी खनिज संरचना इस प्रकार है: इलाइट 18%, काओलिनाइट 31%, क्लोराइट 22%, वर्मीकुलाइट 10% और अभ्रक 19%।
सतही तनाव, केशिका क्रिया द्वारा शेल के सूक्ष्म छिद्रों में जल धनायनों के प्रवेश को नियंत्रित करने वाला एक प्रमुख कारक है, जिसका विस्तृत अध्ययन इस खंड में किया जाएगा। यह शोधपत्र ड्रिलिंग द्रवों के संसंजक गुण में सतही तनाव की भूमिका का विश्लेषण करता है, और ड्रिलिंग प्रक्रिया, विशेष रूप से शेल अवरोधन पर इसके महत्वपूर्ण प्रभाव को उजागर करता है। हमने ड्रिलिंग द्रव के नमूनों के सतही तनाव को सटीक रूप से मापने के लिए एक अंतरास्थि तनावमापी (IFT700) का उपयोग किया, जिससे शेल अवरोधन के संदर्भ में द्रव व्यवहार का एक महत्वपूर्ण पहलू सामने आया।
इस खंड में d-परत रिक्ति का विस्तारपूर्वक वर्णन किया गया है, जो कि एल्युमिनोसिलिकेट परतों और मिट्टी में मौजूद एक एल्युमिनोसिलिकेट परत के बीच की अंतर-परत दूरी है। विश्लेषण में 1%, 3% और 5% CA NADES युक्त गीली मिट्टी के नमूनों के साथ-साथ तुलना के लिए 3% KCl, 3% [EMIM]Cl और 3% CC: यूरिया आधारित DES के नमूने भी शामिल किए गए। 40 mA और 45 kV पर Cu-Kα विकिरण (λ = 1.54059 Å) के साथ संचालित अत्याधुनिक बेंचटॉप एक्स-रे विवर्तनमापी (D2 फेजर) ने गीले और सूखे दोनों Na-Bt नमूनों के एक्स-रे विवर्तन शिखरों को रिकॉर्ड करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। ब्रैग समीकरण के अनुप्रयोग से d-परत रिक्ति का सटीक निर्धारण संभव हुआ, जिससे मिट्टी के व्यवहार के बारे में बहुमूल्य जानकारी प्राप्त हुई।
इस खंड में ज़ेटा पोटेंशियल को सटीक रूप से मापने के लिए उन्नत मालवर्न ज़ेटासाइज़र नैनो ज़ेडएसपी उपकरण का उपयोग किया गया है। इस मूल्यांकन से 1%, 3% और 5% सीए एनएडीएस युक्त तनु मड नमूनों के आवेश गुणों के साथ-साथ 3% केसीएल, 3% [ईएमआईएम]सीएल और 3% सीसी: यूरिया-आधारित डीईएस के तुलनात्मक विश्लेषण के लिए बहुमूल्य जानकारी प्राप्त हुई। ये परिणाम कोलाइडल यौगिकों की स्थिरता और तरल पदार्थों में उनकी अंतःक्रियाओं को समझने में योगदान करते हैं।
मिट्टी के नमूनों की जांच प्राकृतिक डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट (एनएडीईएस) के संपर्क में आने से पहले और बाद में ज़ाइस सुप्रा 55 वीपी फील्ड एमिशन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (एफईएसईएम) का उपयोग करके की गई, जो ऊर्जा विसरणीय एक्स-रे (ईडीएक्स) से सुसज्जित है। इमेजिंग रिज़ॉल्यूशन 500 एनएम था और इलेक्ट्रॉन बीम ऊर्जा 30 केवी और 50 केवी थी। एफईएसईएम मिट्टी के नमूनों की सतह की आकृति विज्ञान और संरचनात्मक विशेषताओं का उच्च-रिज़ॉल्यूशन दृश्य प्रदान करता है। इस अध्ययन का उद्देश्य संपर्क में आने से पहले और बाद में प्राप्त छवियों की तुलना करके मिट्टी के नमूनों पर एनएडीईएस के प्रभाव के बारे में जानकारी प्राप्त करना था।
इस अध्ययन में, सूक्ष्म स्तर पर मिट्टी के नमूनों पर NADES के प्रभाव की जांच करने के लिए फील्ड एमिशन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (FESEM) तकनीक का उपयोग किया गया। इस अध्ययन का उद्देश्य NADES के संभावित अनुप्रयोगों और मिट्टी की संरचना एवं औसत कण आकार पर इसके प्रभाव को स्पष्ट करना है, जो इस क्षेत्र में अनुसंधान के लिए बहुमूल्य जानकारी प्रदान करेगा।
इस अध्ययन में, प्रयोगात्मक परिस्थितियों में औसत प्रतिशत त्रुटि (AMPE) की परिवर्तनशीलता और अनिश्चितता को दृश्य रूप से दर्शाने के लिए त्रुटि बार का उपयोग किया गया। व्यक्तिगत AMPE मानों को प्लॉट करने के बजाय (क्योंकि AMPE मानों को प्लॉट करने से रुझान अस्पष्ट हो सकते हैं और छोटे बदलावों को बढ़ा-चढ़ाकर दिखाया जा सकता है), हमने 5% नियम का उपयोग करके त्रुटि बार की गणना की। यह दृष्टिकोण सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक त्रुटि बार उस अंतराल को दर्शाता है जिसके भीतर 95% विश्वास अंतराल और 100% AMPE मानों के आने की उम्मीद है, जिससे प्रत्येक प्रयोगात्मक परिस्थिति के लिए डेटा वितरण का स्पष्ट और संक्षिप्त सारांश प्राप्त होता है। इस प्रकार, 5% नियम पर आधारित त्रुटि बार का उपयोग करने से ग्राफिकल प्रस्तुतियों की व्याख्यात्मकता और विश्वसनीयता में सुधार होता है और परिणामों और उनके निहितार्थों की अधिक विस्तृत समझ प्राप्त करने में मदद मिलती है।
प्राकृतिक डीप यूटेक्टिक सॉल्वैंट्स (एनएडीईएस) के संश्लेषण में, आंतरिक तैयारी प्रक्रिया के दौरान कई प्रमुख मापदंडों का सावधानीपूर्वक अध्ययन किया गया। इन महत्वपूर्ण कारकों में तापमान, मोलर अनुपात और मिश्रण गति शामिल हैं। हमारे प्रयोगों से पता चलता है कि जब एचबीए (साइट्रिक एसिड) और एचबीडी (ग्लिसरॉल) को 50°C पर 1:4 के मोलर अनुपात में मिलाया जाता है, तो एक यूटेक्टिक मिश्रण बनता है। यूटेक्टिक मिश्रण की विशिष्ट विशेषता इसका पारदर्शी, समरूप स्वरूप और अवक्षेप की अनुपस्थिति है। इस प्रकार, यह महत्वपूर्ण चरण मोलर अनुपात, तापमान और मिश्रण गति के महत्व को उजागर करता है, जिनमें से मोलर अनुपात डीईएस और एनएडीईएस की तैयारी में सबसे प्रभावशाली कारक था, जैसा कि चित्र 2 में दिखाया गया है।
अपवर्तनांक (n) निर्वात में प्रकाश की गति और किसी दूसरे, सघन माध्यम में प्रकाश की गति के अनुपात को दर्शाता है। प्रकाशीय रूप से संवेदनशील अनुप्रयोगों, जैसे कि जैव सेंसरों के संदर्भ में, प्राकृतिक गहरे यूटेक्टिक विलायकों (NADES) के लिए अपवर्तनांक विशेष रूप से महत्वपूर्ण है। अध्ययन किए गए NADES का 25°C पर अपवर्तनांक 1.452 था, जो आश्चर्यजनक रूप से ग्लिसरॉल के अपवर्तनांक से कम है।
यह उल्लेखनीय है कि NADES का अपवर्तनांक तापमान के साथ घटता है, और इस प्रवृत्ति को सूत्र (1) और चित्र 3 द्वारा सटीक रूप से वर्णित किया जा सकता है, जिसमें निरपेक्ष माध्य प्रतिशत त्रुटि (AMPE) 0% तक पहुँच जाती है। तापमान पर निर्भर इस व्यवहार की व्याख्या उच्च तापमान पर श्यानता और घनत्व में कमी से की जाती है, जिससे प्रकाश माध्यम से अधिक गति से यात्रा करता है, जिसके परिणामस्वरूप अपवर्तनांक (n) का मान कम हो जाता है। ये परिणाम प्रकाशीय संवेदन में NADES के रणनीतिक उपयोग में बहुमूल्य अंतर्दृष्टि प्रदान करते हैं, और जैवसंवेदक अनुप्रयोगों के लिए उनकी क्षमता को उजागर करते हैं।
सतही तनाव, जो किसी द्रव की सतह के क्षेत्रफल को न्यूनतम करने की प्रवृत्ति को दर्शाता है, केशिका दाब-आधारित अनुप्रयोगों के लिए प्राकृतिक गहरे यूटेक्टिक विलायकों (एनएडीईएस) की उपयुक्तता का आकलन करने में अत्यंत महत्वपूर्ण है। 25–60 डिग्री सेल्सियस के तापमान अंतराल में सतही तनाव का अध्ययन बहुमूल्य जानकारी प्रदान करता है। 25 डिग्री सेल्सियस पर, साइट्रिक अम्ल-आधारित एनएडीईएस का सतही तनाव 55.42 मिलीएन/मीटर था, जो जल और ग्लिसरॉल की तुलना में काफी कम है। चित्र 4 दर्शाता है कि तापमान बढ़ने के साथ सतही तनाव में उल्लेखनीय कमी आती है। इस घटना को आणविक गतिज ऊर्जा में वृद्धि और उसके परिणामस्वरूप अंतर-आणविक आकर्षण बलों में कमी से समझाया जा सकता है।
अध्ययन किए गए NADES में देखी गई पृष्ठ तनाव की रैखिक घटती प्रवृत्ति को समीकरण (2) द्वारा स्पष्ट रूप से व्यक्त किया जा सकता है, जो 25-60 डिग्री सेल्सियस के तापमान सीमा में मूलभूत गणितीय संबंध को दर्शाता है। चित्र 4 में ग्राफ स्पष्ट रूप से तापमान के साथ पृष्ठ तनाव की प्रवृत्ति को दर्शाता है, जिसमें निरपेक्ष माध्य प्रतिशत त्रुटि (AMPE) 1.4% है, जो रिपोर्ट किए गए पृष्ठ तनाव मानों की सटीकता को प्रमाणित करता है। ये परिणाम NADES के व्यवहार और इसके संभावित अनुप्रयोगों को समझने के लिए महत्वपूर्ण हैं।
प्राकृतिक डीप यूटेक्टिक सॉल्वैंट्स (एनएडीईएस) की घनत्व गतिशीलता को समझना कई वैज्ञानिक अध्ययनों में उनके अनुप्रयोग को सुगम बनाने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। 25°C पर साइट्रिक एसिड-आधारित एनएडीईएस का घनत्व 1.361 ग्राम/सेमी³ है, जो मूल ग्लिसरॉल के घनत्व से अधिक है। इस अंतर को ग्लिसरॉल में हाइड्रोजन बॉन्ड स्वीकर्ता (साइट्रिक एसिड) के जुड़ने से समझाया जा सकता है।
साइट्रेट-आधारित NADES को उदाहरण के तौर पर लें, तो 60°C पर इसका घनत्व घटकर 1.19 g/cm³ हो जाता है। गर्म करने पर गतिज ऊर्जा में वृद्धि के कारण NADES अणु फैल जाते हैं, जिससे वे अधिक आयतन घेर लेते हैं और परिणामस्वरूप घनत्व में कमी आती है। घनत्व में देखी गई यह कमी तापमान में वृद्धि के साथ एक निश्चित रैखिक सहसंबंध दर्शाती है, जिसे सूत्र (3) द्वारा उचित रूप से व्यक्त किया जा सकता है। चित्र 5 NADES के घनत्व परिवर्तन की इन विशेषताओं को ग्राफ़िक रूप से प्रस्तुत करता है, जिसमें निरपेक्ष माध्य प्रतिशत त्रुटि (AMPE) 1.12% है, जो रिपोर्ट किए गए घनत्व मानों की सटीकता का एक मात्रात्मक माप प्रदान करता है।
श्यानता किसी गतिशील द्रव की विभिन्न परतों के बीच लगने वाला आकर्षण बल है और विभिन्न अनुप्रयोगों में प्राकृतिक गहरे यूटेक्टिक विलायकों (एनएडीईएस) की उपयोगिता को समझने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। 25 डिग्री सेल्सियस पर, एनएडीईएस की श्यानता 951 सीपी थी, जो ग्लिसरॉल की श्यानता से अधिक है।
तापमान बढ़ने के साथ श्यानता में देखी गई कमी का मुख्य कारण अंतर-आणविक आकर्षण बलों का कमजोर होना है। इस घटना के परिणामस्वरूप द्रव की श्यानता में कमी आती है, यह प्रवृत्ति चित्र 6 में स्पष्ट रूप से प्रदर्शित है और समीकरण (4) द्वारा मापी गई है। विशेष रूप से, 60°C पर, श्यानता घटकर 898 cP हो जाती है, जिसमें कुल औसत प्रतिशत त्रुटि (AMPE) 1.4% है। NADES में श्यानता और तापमान के बीच संबंध को विस्तार से समझना इसके व्यावहारिक अनुप्रयोग के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है।
विलयन का pH मान, जो हाइड्रोजन आयन सांद्रता के ऋणात्मक लघुगणक द्वारा निर्धारित होता है, विशेष रूप से DNA संश्लेषण जैसे pH-संवेदनशील अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण होता है, इसलिए NADES के उपयोग से पहले इसके pH का सावधानीपूर्वक अध्ययन करना आवश्यक है। साइट्रिक अम्ल-आधारित NADES का उदाहरण लेते हुए, 1.91 का स्पष्ट रूप से अम्लीय pH देखा जा सकता है, जो ग्लिसरॉल के अपेक्षाकृत उदासीन pH के बिल्कुल विपरीत है।
दिलचस्प बात यह है कि प्राकृतिक साइट्रिक एसिड डिहाइड्रोजनेज घुलनशील विलायक (एनएडीईएस) का पीएच तापमान बढ़ने के साथ गैर-रैखिक रूप से घटता है। इस घटना का कारण आणविक कंपन में वृद्धि है जो विलयन में हाइड्रोजन संतुलन को बिगाड़ देती है, जिससे हाइड्रोजन आयनों का निर्माण होता है और परिणामस्वरूप पीएच मान में परिवर्तन होता है। जबकि साइट्रिक एसिड का प्राकृतिक पीएच 3 से 5 के बीच होता है, ग्लिसरॉल में अम्लीय हाइड्रोजन की उपस्थिति पीएच को और कम करके 1.91 तक ले आती है।
25–60 डिग्री सेल्सियस के तापमान रेंज में साइट्रेट-आधारित NADES के pH व्यवहार को समीकरण (5) द्वारा उचित रूप से दर्शाया जा सकता है, जो देखे गए pH प्रवृत्ति के लिए एक गणितीय अभिव्यक्ति प्रदान करता है। चित्र 7 इस रोचक संबंध को ग्राफिक रूप से दर्शाता है, जिसमें NADES के pH पर तापमान के प्रभाव को उजागर किया गया है, जो AMPE के लिए 1.4% बताया गया है।
प्राकृतिक साइट्रिक एसिड डीप यूटेक्टिक सॉल्वेंट (एनएडीईएस) का थर्मोग्रैविमेट्रिक विश्लेषण (टीजीए) कमरे के तापमान से 500 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान रेंज में व्यवस्थित रूप से किया गया। जैसा कि चित्र 8ए और बी से देखा जा सकता है, 100 डिग्री सेल्सियस तक प्रारंभिक द्रव्यमान हानि मुख्य रूप से अवशोषित जल और साइट्रिक एसिड और शुद्ध ग्लिसरॉल से जुड़े जलयोजन जल के कारण थी। 180 डिग्री सेल्सियस तक लगभग 88% द्रव्यमान प्रतिधारण देखा गया, जो मुख्य रूप से साइट्रिक एसिड के एकोनिटिक एसिड में अपघटन और आगे गर्म करने पर मिथाइलमेलिक एनहाइड्राइड (III) के बाद के निर्माण के कारण था (चित्र 8 बी)। 180 डिग्री सेल्सियस से ऊपर, ग्लिसरॉल में एक्रोलीन (एक्रिलाल्डिहाइड) की स्पष्ट उपस्थिति भी देखी जा सकती है, जैसा कि चित्र 8बी37 में दिखाया गया है।
ग्लिसरॉल के थर्मोग्रैविमेट्रिक विश्लेषण (टीजीए) से दो चरणों वाली द्रव्यमान हानि प्रक्रिया का पता चला। प्रारंभिक चरण (180 से 220 डिग्री सेल्सियस) में एक्रोलीन का निर्माण होता है, जिसके बाद 230 से 300 डिग्री सेल्सियस तक उच्च तापमान पर महत्वपूर्ण द्रव्यमान हानि होती है (चित्र 8ए)। तापमान बढ़ने के साथ, एसिटाल्डिहाइड, कार्बन डाइऑक्साइड, मीथेन और हाइड्रोजन क्रमिक रूप से बनते हैं। उल्लेखनीय रूप से, 300 डिग्री सेल्सियस पर केवल 28% द्रव्यमान ही बरकरार रहा, जिससे पता चलता है कि NADES 8(a)38,39 के आंतरिक गुण दोषपूर्ण हो सकते हैं।
नए रासायनिक बंधों के निर्माण के बारे में जानकारी प्राप्त करने के लिए, प्राकृतिक डीप यूटेक्टिक सॉल्वैंट्स (एनएडीईएस) के ताज़ा तैयार किए गए सस्पेंशन का विश्लेषण फूरियर ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफटीआईआर) द्वारा किया गया। यह विश्लेषण एनएडीईएस सस्पेंशन के स्पेक्ट्रम की तुलना शुद्ध साइट्रिक एसिड (सीए) और ग्लिसरॉल (ग्लाइ) के स्पेक्ट्रम से करके किया गया। सीए स्पेक्ट्रम में 1752 सेमी और 1673 सेमी पर स्पष्ट शिखर दिखाई दिए, जो C=O बंध के खिंचाव कंपन को दर्शाते हैं और सीए की विशेषता भी हैं। इसके अतिरिक्त, फिंगरप्रिंट क्षेत्र में 1360 सेमी पर OH बेंडिंग कंपन में एक महत्वपूर्ण बदलाव देखा गया, जैसा कि चित्र 9 में दिखाया गया है।
इसी प्रकार, ग्लिसरॉल के मामले में, OH स्ट्रेचिंग और बेंडिंग कंपन में परिवर्तन क्रमशः 3291 1/cm और 1414 1/cm तरंग संख्याओं पर पाए गए। अब, तैयार किए गए NADES के स्पेक्ट्रम का विश्लेषण करने पर, स्पेक्ट्रम में एक महत्वपूर्ण परिवर्तन पाया गया। जैसा कि चित्र 7 में दिखाया गया है, C=O बंध का स्ट्रेचिंग कंपन 1752 1/cm से 1720 1/cm पर स्थानांतरित हो गया और ग्लिसरॉल के -OH बंध का बेंडिंग कंपन 1414 1/cm से 1359 1/cm पर स्थानांतरित हो गया। तरंग संख्याओं में ये परिवर्तन विद्युतऋणात्मकता में परिवर्तन को दर्शाते हैं, जो NADES की संरचना में नए रासायनिक बंधों के निर्माण का संकेत देता है।