Investigación del efecto de diferentes líquidos iónicos basados

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 4054 (2023) Citar este artículo

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La precipitación y la deposición de asfaltenos se consideran problemas catastróficos que enfrenta la industria petrolera. La deposición de asfalteno ocurre principalmente en diversos lugares, como espacios porosos de formación, bombas, tuberías, pozos, bocas de pozo, tuberías, instalaciones de superficie y válvulas de seguridad, causando problemas operativos, deficiencias de producción y enormes pérdidas económicas. Este trabajo tiene como objetivo estudiar el efecto de una serie de líquidos iónicos aril (IL) sintetizados que contienen diferentes cadenas alquílicas, denominados R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL, sobre el punto de inicio de precipitación de asfaltenos en crudo. aceite. R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL se sintetizaron con altos rendimientos (el rendimiento varió entre 82 y 88%) y se caracterizaron mediante diferentes herramientas de análisis (FTIR, 1H NMR y análisis elemental). Se investigó su análisis termogravimétrico (TGA) y mostró un grado razonable de estabilidad. Se encontró que R8-IL (cadena alquílica corta) tiene la mayor estabilidad, mientras que R14-IL (cadena alquílica larga) es la más baja. Se realizaron cálculos químicos cuánticos para estudiar la reactividad y la geometría de sus estructuras electrónicas. Además se estudió la tensión superficial e interfacial de los mismos. Se encontró que la eficiencia de los parámetros tensioactivos aumentaba al aumentar la longitud de la cadena alquílica. Se evaluaron los IL para retrasar el punto de inicio de precipitación de asfaltenos utilizando diferentes métodos; la viscosidad cinemática y el índice de refracción. Los resultados de los dos métodos mostraron un retraso en el inicio de la precipitación después de la adición de los IL preparados. Los agregados de asfaltenos se dispersaron debido a las interacciones π – π * y la formación de enlaces de hidrógeno con los IL.

El petróleo crudo sigue desempeñando un papel importante en el ámbito energético, aunque los investigadores buscan diferentes fuentes de energía debido a la alta demanda1,2. El uso de técnicas de recuperación primaria y secundaria de petróleo deja más del 30% del petróleo sin recuperar dentro de los poros de los yacimientos. El asfalteno es el componente más pesado y aromático del petróleo crudo; es fundamental para los aspectos generales de las operaciones upstream o downstream debido a su naturaleza de coordinar y formar grupos3. La viscosidad del petróleo crudo se ve fuertemente afectada por los asfaltenos; en consecuencia, todas las áreas de explotación de recursos se ven afectadas, incluida la garantía de flujo, la baja estabilidad del destilado y la emulsión, lo que resulta en problemas de humectabilidad y separación de fases. Según su solubilidad, el asfalteno es insoluble en cadenas cortas de alcanos y completamente soluble en aromáticos, por ejemplo, benceno, tolueno y xileno (BTX)4. Se han mejorado diferentes tratamientos de inhibición de asfaltenos para potenciar las propiedades del crudo: tecnologías de rechazo de carbono; desasfaltado con disolventes (SDA); desasfaltado con disolventes de craqueo suave (MCSD); y el método de acuatermólisis. El método de acuatermólisis ha sido reportado como la técnica más efectiva para reducir la viscosidad en petróleo crudo pesado, aumentando los saturados y aromáticos mientras disminuye la resina y los asfaltenos. Además, requiere una gran cantidad de energía y provoca riesgos medioambientales5,6. De hecho, la resina en el petróleo crudo sirve como inhibidor de asfaltenos debido a que sus grupos funcionales y cadenas alquílicas tienen la capacidad de unirse entre el asfalteno y el medio no polar7,8. Muchos productos químicos sintetizados que tienen una estructura similar a la de las resinas pueden mejorar la estabilización de los asfaltenos en el sistema. La mayoría de las sustancias químicas reportadas que se han utilizado como posibles dispersantes de asfaltenos incluyen oxazolidinas6, n-arilaminoalcohol9, ácido benzoico, ácido ftálico y ácido salicílico10. Todos estos productos químicos son compuestos tóxicos que pueden causar muchos peligros ambientales. A partir de este punto, los investigadores sugirieron los líquidos iónicos (IL) como una nueva clase de productos químicos ecológicos11,12. Los LI han atraído un gran interés en una amplia variedad de aplicaciones industriales debido a sus características distintivas y su gran compatibilidad con cuestiones medioambientales13. La presión de vapor insignificante, la reciclabilidad, la alta estabilidad térmica, la no corrosión, la alta actividad superficial y la toxicidad ligeramente menor son todas propiedades apropiadas para que los LI se consideren ambientalmente preferibles y más sostenibles que el surfactante convencional14,15,16,17,18. Las propiedades de los LI, debido a una combinación deficiente de coordinación entre cationes y aniones que posibilitan alteraciones en las estructuras químicas posteriormente, pueden tener un mejor desempeño en diferentes aplicaciones19,20; recuperación mejorada de petróleo21,22,23, eliminación de incrustaciones, catálisis, captura de CO224, extracción con solventes25, electroquímica, purificación de gas natural26, desulfuración, disolución de petróleo crudo y reducción de IFT27,28. Liu et al.29 informaron por primera vez sobre LI en la disolución de asfaltenos, y se observó que los LI más efectivos contenían cationes y aniones aromáticos conjugados con fuertes aceptores de enlaces de hidrógeno. Mientras tanto, hubo otro trabajo reportado por Boukherissa et al. sobre el uso de IL borónicos (bromuro de ácido 1-propilborónico-3-alquilimidazolio) en dispersión de asfaltenos30. Predijeron que la fracción de ácido borónico reduciría la agregación de asfaltenos y mejoraría las interacciones entre los asfaltenos y los líquidos iónicos. Además, se informó que la IL ácida (cloruro de 3-(2-carboxibenzoil)-1-metil-1H-imida zol-3-io) previene la floculación de asfaltenos31. Ghanem et al. informaron el efecto de los LI alquilados de sulfonato de imidazol como dispersantes eficaces de asfaltenos7. Las IL próticas pueden provocar la disolución de los asfaltenos mediante interacciones catiónicas y transferencia de carga para formar complejos con moléculas de asfaltenos. Todos concluyeron que la interacción electrostática y la formación de enlaces de hidrógeno promovieron evitar la acumulación de asfaltenos32.

Este trabajo tiene como objetivo sintetizar y estudiar el efecto de algunos líquidos iónicos de aril imidazolio que contienen diferentes cadenas alquílicas, denominados R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL, sobre el punto de inicio de precipitación de asfaltenos en petróleo crudo. Se sintetizaron con altos rendimientos (el rendimiento varió entre 82 y 88%) y se caracterizaron mediante diferentes herramientas de análisis (FTIR, 1H NMR y análisis elemental). Además, se realizó un estudio de tensión superficial para evaluar la actividad de los líquidos iónicos preparados. El petróleo crudo se caracterizó según métodos estándar. Los líquidos iónicos preparados se evaluaron como dispersantes de asfaltenos mediante la técnica de viscosidad cinemática y índice de refracción.

1H-imidazol (≥ 99%), 1-bromo octano (≥ 99%), 1-bomodecano (≥ 98%), 1-bromododecano (≥ 99%), 1-bomotetradecano (≥ 99%), 1-(clorometilo )-4-metilbencenohidróxido de potasio (≥ 98%), heptanos (≥ 97%), benceno (≥ 98%), n-hexano (≥ 99%), óxido de aluminio (neutro) y cloroformo (≥ 98%) fueron suministrados por Bioquímica. Todos los productos químicos y disolventes utilizados fueron de calidad analítica y se utilizaron sin purificación adicional. El petróleo crudo pesado utilizado en este estudio se recibió de la Compañía Egipcia de Petróleo. En la Tabla 1 se tabulan las diferentes características físicas y el análisis SARA. La mayoría de las propiedades fisicoquímicas y la prueba SARA del petróleo crudo se realizaron según los estándares de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM). Los resultados indican que el crudo tiene un grado API bajo, un alto valor de viscosidad cinemática, además de un alto contenido de asfaltenos y un bajo contenido de saturados.

Se llevó a cabo la síntesis de R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL donde se obtuvo una serie de cuatro alquilimidazol agregando una porción conocida de 1H-imidazol (0,1 mol) e hidróxido de potasio (KOH) en acetonitrilo (50 ml) con agitación continua. Se añadió gota a gota 1-bromo octano, 1-bomo decano, 1-bromo dodecano y 1-bomo tetradecano (0,1 mol) a la mezcla anterior durante 3 h hasta que se formó un precipitado blanco de KCl. Después del proceso de filtración, el filtrado se concentró al vacío y se obtuvieron diferentes líquidos iónicos de alquilimidazol11. Los cuatro derivados de 1-alquilimidazol se sometieron a reflujo con 1-(clorometil)-4-metilbenceno en acetonitrilo durante seis horas para producir derivados de cloruro de 1-alquil-3-(4-metilbencil)-H-imidazol-3-io26, como se muestra. en la Fig. 1. Se utilizó la técnica TLC para confirmar la pureza de los líquidos iónicos preparados. Estos compuestos mostraron buena solubilidad en variedades de solventes polares33.

Síntesis de R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL.

Los IL preparados se caracterizaron utilizando diferentes herramientas de análisis. El análisis elemental se determinó mediante un analizador elemental, en el que se utiliza un exceso de oxígeno para quemar la muestra. Los espectros FTIR de los IL preparados se analizaron en modo de transmitancia utilizando gránulos de KBr en el rango de 4000 a 400 cm-1 mediante el espectrómetro-ThermoFisher Nicolet IS-10, EE. UU. El espectrómetro FTIR estaba equipado con un detector estándar de sulfato de triglicina deuterado (DTGS) de recuperación rápida. Los espectros de 1H-NMR de los líquidos iónicos preparados se investigaron utilizando espectroscopia de NMR BRUKER, (Alemania) utilizando DMSO como disolvente a una frecuencia igual a 400 MHz. Se utilizó el analizador térmico SDT Q500 V20.10 con una velocidad de calentamiento de 10 ºC/min para determinar el análisis termogravimétrico del líquido iónico preparado. La tensión superficial e interfacial de los líquidos iónicos se investigó a 298 K mediante un tensiómetro Du-Nouy dependiendo de un anillo de platino. En primer lugar, el aparato se calibró utilizando agua desionizada, que registró aproximadamente 72 ± 0,5 m/Nm34. Después de eso, se prepararon y midieron soluciones que contenían una serie de concentraciones de IL (0,001–0,00001 mol/L) y se calcularon diferentes parámetros.

En este trabajo, se aisló el asfalteno a partir de petróleo crudo pesado proveniente de un yacimiento petrolífero egipcio exactamente como se informa en IP-143 como método de prueba estándar. Se añadió una porción conocida de petróleo crudo (10 g) a 300 ml de n-heptano y se mantuvo a reflujo durante una hora. La solución a reflujo se dejó en un lugar oscuro hasta que se enfrió. Después de esto, la solución se vertió sobre un papel de filtro sin cenizas para separar el filtrado que contiene asfaltenos, sustancias inorgánicas y cerosas. El papel de filtro se dobló muchas veces y se introdujo en un soxhelet para limpiarlo con n-heptano caliente de cualquier impureza o componente ceroso. Después de eso, el asfalteno se aisló de cualquier sustancia inorgánica mediante disolución en tolueno caliente35. Al final, se evaporó el tolueno y se pesó el asfateno para determinar el contenido de asfalteno según la siguiente ecuación.

donde M es la masa de asfaltenos y G es la masa de petróleo crudo.

La evaluación del punto de inicio de precipitación de asfaltenos a menudo se realiza mediante el método viscométrico, en el que el petróleo crudo se trata con una serie de volúmenes sucesivos de precipitante de asfaltenos como n-heptano36. Para cada corrida, se prepararon series de muestras para cubrir el rango de concentración de precipitante de 0 a 100 por ciento en volumen del petróleo crudo original, en ausencia y presencia de los líquidos iónicos preparados. El rango de concentración de los dispersantes añadidos fue de 500 a 2000 ppm. Después de eso, las mezclas se reposaron durante un período de tiempo hasta el equilibrio. Las viscosidades cinemáticas de las mezclas preparadas se determinan utilizando un viscosímetro Cannon Fensky a 40 °C. Se está estableciendo una relación entre la viscosidad cinemática y la concentración del precipitante para detectar el punto de inicio de precipitación del asfalteno. Los pasos anteriores se repiten después de la adición de los dispersantes a evaluar7. El método del índice de refracción se puede utilizar para confirmar los resultados obtenidos del método viscométrico. Este método utiliza el propio asfalteno para diseñar un aceite modelo con una mezcla de n-heptano/tolueno (mezcla de Heptol)37.

La tabla 2 contiene las estructuras moleculares de los líquidos iónicos preparados. El peso molecular de R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL es 320,90, 348,95, 377,01 y 405,06, respectivamente, mientras que el rendimiento varió entre 82 y 88%. El rendimiento de la reacción se calculó según la siguiente ecuación:

\({\text{Rendimiento}}\;\% = \left( {{\text{Real}}\;{\text{ rendimiento}}/{\text{Teórico}}\;{\text{rendimiento} }} \right) \times {1}00.\)

El contenido de elementos de las IL preparadas proporciona información sobre el papel de las moléculas orgánicas. La fórmula molecular se puede confirmar comparando los datos teóricos con los experimentales. Los datos de la Tabla 3 mostraron que los valores calculados de C, H, N, O y S son compatibles con los valores registrados.

Los espectros FT-IR de R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL se muestran en la Figura 2, y los valores de los picos característicos se informan en la Tabla 4. El modo vibratorio de estiramiento asimétrico pertenece al hidrógeno. Las moléculas de H2O unidas se registraron como una banda ancha alrededor de 3408–3420 cm-138. Los picos que aparecieron entre 3131 y 3073 cm-1 se atribuyen al C-H aromático y están relacionados con el movimiento vibratorio dentro del anillo de imidazol. Los picos de estiramiento alifático C-H aparecieron en el rango de 2956 y 2852 cm-1, donde los picos que se observaron alrededor de 2956 y 2925 cm-1 se atribuyen al estiramiento asimétrico del grupo metilo terminal y la unidad de metileno en la cadena alquílica. de los líquidos iónicos preparados, respectivamente. Además, los picos de estiramiento simétricos de CH3 y CH2 aparecieron alrededor de 2872 y 2852 cm-1, respectivamente. Los modos vibratorios simétricos y asimétricos generalmente se asignan entre 2954 y 2870 cm-1, los cuales se convierten en picos más intensos al aumentar la longitud de la cadena alquílica en más de seis grupos CH239. Los picos que aparecieron entre 1561 y 1517 cm-1 se atribuyen a la vibración C-C dentro del anillo de imidazol. Los picos aparecidos entre 1466 y 1456 cm-1 pertenecen al grupo aromático C=C. Los modos de vibración de estiramiento que recurrieron a C – N en el anillo de imidazol aparecieron a 1377 cm-1. Otros picos vibratorios de estiramiento que aparecieron entre 1157 y 1156 cm-1 se atribuyen a C-H en el plano.

Espectros FTIR para los líquidos iónicos preparados.

Se estudiaron los espectros de RMN de protones para R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL y mostraron cambios químicos aproximadamente cercanos, como se muestra en las Figuras S1, S2, S3 y S4 en los materiales complementarios. Los desplazamientos químicos adyacentes de cada líquido iónico se pueden concluir de la siguiente manera:

δ 9,29 (1H, s), 7,81 (2H, d), 7,79 (2H, d), 7,69 (2H, s), 5,42 (2H, s), 4,16 (2H, t), 3,37 (3H, s), 2,51 (2H, t), 1,79 (8H, m), 1,24 (2H, s), 0,86 (3H, t).

δ 9,19 (1H, s), 7,78 (2H, d), 7,70 (2H, d), 7,47 (2H, s), 5,43 (2H, s), 4,17 (2H, t), 3,38 (3H, s), 2,51 (2H, t), 1,79 (12H, m), 1,25 (2H, s), 0,86 (3H, t).

δ 9,20 (1H, s), 7,80 (2H, d), 7,69 (2H, d), 7,46 (2H, s), 5,43 (2H, s), 4,16 (2H, t), 3,39 (3H, s), 2,51 (2H, t), 1,79 (16H, m), 1,24 (2H, s), 0,86 (3H, t).

δ 9,50 (1H, s), 7,85 (2H, d), 7,67 (2H, d), 7,34 (2H, s), 5,41 (2H, s), 4,17 (2H, t), 3,41 (3H, s), 2,28 (2H, t), 1,76 (20H, m), 1,24 (2H, s), 0,88 (3H, t).

A partir de los datos anteriores, los distintos cambios químicos en δ 9,2 (1H, s) mostraron los picos característicos de los protones de imidazolio y δ 5,4 (2H, s) se atribuyen a los protones bencílicos del alquilimidazol, lo que demuestra la incorporación efectiva del grupo imidazolio. .

Los termogramas de análisis termogravimétrico de R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL se muestran en la Fig. 3, y sus principales valores de medición se informan en la Tabla 5. Es obvio que los compuestos preparados son térmicamente estables y R8-IL es el compuesto térmicamente más estable, seguido de R10-IL, R12-IL y R14-IL. Esto puede referirse a la variación en la longitud de las cadenas de alquilo que estaban conectadas a los anillos de imidazolio de los compuestos sintéticos40. En resumen, es obvio que la máxima estabilidad térmica se asoció con la cadena alquílica más corta conectada al anillo de imidazolio40,41.

Termogramas TGA de los líquidos iónicos sintetizados.

Los cálculos químicos cuánticos se realizaron mediante el método Hartree-Fock del paquete de prueba gaussiano para estudiar las estructuras electrónicas (EHOMO y ELUMO), la brecha de energía (ΔE) y la geometría molecular de los IL preparados, como se muestra en la Fig. 4. Los cálculos cuánticos se realizaron utilizando la base establecida 6-31G. Como se muestra en la Tabla 6, aumentar la longitud de la cadena alquílica de R8-IL a R14-IL es directamente proporcional a los valores de EHOMO, ELUMO y suavidad (σ), mientras que es inversamente proporcional a ΔE y momento dipolar (μ ) valores. La Figura 4 muestra la capacidad de las IL preparadas para actuar como donadores de electrones para compuestos de asfaltenos. La reactividad de la dispersión del líquido iónico hacia los agregados de asfaltenos está determinada por ΔE, donde la eficiencia de los IL preparados aumenta al disminuir la ΔE de cada compuesto. Por lo tanto, R14-IL > R12-IL > R10-IL > R8-IL en reactividad, lo que reduce la energía necesaria para mover electrones de HOMO a LUMO. Esto se debe a que cuanto menor sea la brecha de energía (ΔE), más fácil será la absorción entre el líquido iónico y la superficie de los asfaltenos, lo que a su vez es mejor para la eficiencia de dispersión del líquido iónico. R10-IL registró una menor energía de ionización (I), por lo que indica el mayor potencial de dispersión contra las moléculas de asfalteno. R14-IL posee el momento dipolar más alto (μ), mientras que R8-IL tiene el valor más bajo, como se muestra en la Fig. 5. El momento dipolar está relacionado con la polaridad global de la molécula, por lo que el compuesto con un valor de momento dipolar más alto muestra más reactividad. . Suavidad es otro término que demuestra la reactividad de los compuestos, donde los compuestos blandos indican más reactividad que las moléculas duras, por lo tanto R14-IL > R12-IL > R10-IL > R8-IL en reactividad.

Estructuras orbitales moleculares de los compuestos preparados.

Momentos dipolares de los compuestos preparados.

Los valores de concentración micelar crítica (CMC) y la tensión superficial en CMC de cada IL se presentan en la Tabla 7, además de la tensión interfacial (IFT) y el área por molécula en la superficie (Amin). Todos estos datos se obtuvieron de la Fig. 6, en la que la tensión superficial se representa frente a menos el logaritmo de las concentraciones de los líquidos iónicos preparados (de R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL).

Relación entre la tensión superficial y la concentración −log de IL.

Los parámetros de superficie de los líquidos iónicos a base de imidazolio preparados, como la tensión superficial (γcmc), la tensión interfacial (IFT), la concentración micelar crítica (CMC), el exceso de superficie (max) y el área superficial mínima por molécula (Amin) se calcularon utilizando tensiometría superficial y se enumeran en la Tabla 7.

A 25 ° C, la Fig. 6 muestra la variación de la tensión superficial frente a la concentración logarítmica de los IL preparados. A la misma concentración, la longitud de la cadena alquílica unida de los IL preparados tiene un efecto significativo sobre los parámetros tensioactivos. Donde, aumentar la longitud de la cadena alquílica a 12 grupos metileno reduce drásticamente la tensión superficial. Mientras que el IL que tiene una cadena alquílica corta (R8-IL) mostró una caída reducida en la tensión de la superficie. Esto se debe a que la cadena alquílica más larga tiene una mayor propensión a ser adsorbida en la interfaz aire-agua42. Debido a las variaciones de polaridad entre la cadena alquílica hidrófoba y el medio acuoso, la repulsión entre los dos se amplifica al aumentar la cantidad de grupos metileno repetidos. Al aumentar las concentraciones de IL, los valores de la curva de tensión superficial permanecen esencialmente constantes, revelando los valores críticos de concentración micelar para cada IL. Los datos de la Tabla 7 revelaron que la tensión interfacial de los líquidos iónicos considerados disminuyó al aumentar la longitud de la cadena alquílica. Los valores de concentración micelar crítica se redujeron claramente cuando se aumentó la longitud de la cadena hidrofóbica. Debido a que las largas cadenas de alquilo (> 12 grupos metileno) tienen tendencia a enrollarse, el valor de CMC puede verse afectado negativamente fácilmente sin efectos discernibles adicionales.

La Tabla 7 muestra los valores de eficacia de los líquidos iónicos preparados. Está claro que al aumentar la longitud de la cadena alquílica hidrófoba, aumenta la eficiencia. Esto se debe a que la eficiencia de adsorción en las superficies es directamente proporcional al número de grupos metileno en la cadena alquílica hidrófoba. La efectividad (πcmc) de la tensión superficial está determinada por la tensión superficial de la solución de IL en una concentración micelar crítica (γcmc). R12-IL tiene los parámetros tensioactivos más eficientes ya que tiene el γcmc más bajo. La eficacia de la adsorción tiene un papel importante al influir en las características de los tensioactivos, incluida la formación de espuma, la humectación y la emulsificación43.

Los valores de Γmax del líquido iónico preparado disminuyen al aumentar el número de grupos metileno como se muestra en la Tabla 7. Se sabe que la actividad del agente tensioactivo aumenta al disminuir la tensión superficial44. Uno de los usos más importantes de los compuestos tensioactivos como campo crucial de la química en muchas aplicaciones implica bombear el compuesto a la interfaz para generar una capa adsorbida45. Los datos revelaron que R12-IL tiene una gran área por molécula en la superficie, lo que indica que las moléculas con cadenas alquílicas largas son flexibles y tienen un ritmo menos estricto en la interfaz aire-agua46.

Los datos de la Tabla 7 revelaron que las IL preparadas tienen valores negativos de energía libre estándar tanto para la micelización como para la adsorción, lo que indica que ambas ocurrieron espontáneamente. Esto se debe a la presencia de fuerzas de repulsión entre el disolvente polar y las cadenas alquílicas hidrófobas. El proceso de adsorción es más preferido que el de micelización porque la energía de adsorción es menor que la energía de micelización de cada líquido iónico.

Los líquidos iónicos preparados mostraron altos valores negativos de energía libre de adsorción, lo que fomenta su utilización en muchas aplicaciones importantes como la dispersión e inhibición de asfaltenos, la inhibición de la corrosión y la utilidad antimicrobiana.

Los valores mayores de ΔGoads que los de ΔGomic indican que el proceso de adsorción en la interfaz solución/aire es más preferible que el proceso de micelización en la mayor parte de la solución47,48.

En este trabajo, los líquidos iónicos sintetizados R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL fueron evaluados como dispersantes para agregados de asfaltenos utilizando los métodos viscométricos y de índice de refracción. Creemos que nuestra investigación es la primera en probar dispersantes de asfaltenos utilizando petróleo muerto utilizando el enfoque del índice de refracción.

Esta técnica se basa en la noción de que el petróleo crudo que contiene asfaltenos es una solución coloidal en la que los asfaltenos son las partículas suspendidas y el constituyente de resina sirve como estabilizador de asfaltenos. Este sistema estabilizado podría alterarse en caso de que se introduzca un precipitante como el n-heptano que tiene la capacidad de desorber la película conservadora de resina de las superficies de asfaltenos. Sin la presencia de resina, las moléculas de asfalteno tienen la capacidad de interactuar entre sí para formar agregados de diferentes tamaños. En la Fig. 7 se muestra el efecto del precipitador de asfaltenos (n-heptano) sobre el inicio de la precipitación con y sin los líquidos iónicos preparados (R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL). La viscosidad de la mezcla valorante (petróleo crudo asfalténico y n-heptano) disminuyó mientras que la concentración de n-heptano aumentó hasta alcanzar un punto de desviación. Después de eso, se observó un pequeño aumento en un punto, seguido de una gran disminución en la viscosidad de la mezcla valorante. Este punto de desviación se conoce como precipitación de inicio de asfaltenos49. Este punto se observó en el petróleo crudo en blanco después de agregar 6 ml de n-heptano. Este volumen se aumentó a 10, 12, 16 y 18 ml después de usar 1000 ppm de cada R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL, respectivamente. La Tabla 8 contiene la concentración necesaria de n-heptano para detectar el punto de inicio de precipitación del asfalteno después de usar diferentes concentraciones de los dispersantes preparados. El aumento de la concentración de los líquidos iónicos afecta positivamente el inicio de la precipitación de asfaltenos. Es obvio que el punto de inicio de la precipitación del asfalteno se retrasó mientras que se incrementó la longitud de la cadena alquílica unida al dispersante. Sin embargo, R14-IL contiene 14 átomos de carbono y tiene la cadena alquílica más larga, R12-IL es más eficaz como dispersante de asfaltenos. Esto se atribuye al efecto enrollador de la cadena alquílica extralarga en R14-IL50.

Efecto de los dispersantes preparados (R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL) sobre la precipitación del inicio de los asfaltenos.

La precipitación de asfaltenos disminuye las propiedades de polaridad de la mezcla y en consecuencia el valor del índice de refracción. Aumentar el porcentaje del precipitante (n-heptano) en la mezcla de Heptol reduce el índice de refracción de la mezcla en una tendencia lineal como se muestra en la Fig. 8. Este comportamiento también apareció para la mezcla de asfalteno/heptol hasta que se detectó la precipitación de inicio de asfalteno. . Después de llegar a este punto, la polaridad de la mezcla restante de asfalteno/heptol disminuyó, y esto puede atribuirse a la cantidad reducida de moléculas de asfalteno suspendidas. Por tanto, los valores del índice de refracción se desviaron de su tendencia lineal. La desviación apareció a una concentración baja de n-heptano como se muestra en la Fig. 8 en el punto (a) sin dispersante, mientras que en el punto (b) la precipitación inicial de asfalteno apareció en casi el 60% del precipitante después de usar el líquido iónico como dispersante.

Precipitación de inicio de asfaltenos utilizando la técnica del índice de refracción, donde (a) representa la precipitación de inicio de asfaltenos en solución de heptol, y (b) representa la precipitación de inicio de asfaltenos en presencia de R12-IL.

Para que los líquidos iónicos estabilicen el asfalteno en el medio, deben tener lugar dos procesos clave: primero, la adsorción de la cabeza polar del líquido iónico en la superficie de las moléculas de asfalteno debido a la interacción ácido-base entre el líquido iónico y el asfalteno. moléculas, y segundo, la formación de una capa de alquilo no polar estable alrededor de las moléculas de asfalteno32. En consecuencia, el líquido iónico puede operar como puente entre las moléculas de asfaltenos polares y el medio no polar del petróleo crudo. En general, los inhibidores de asfaltenos se caracterizan por su alta aromaticidad y polaridad. Por tanto, los líquidos iónicos alquilados parecen ser más superiores que los inhibidores aromáticos convencionales.

Se sintetizaron y caracterizaron cuatro líquidos iónicos diferentes, denominados R8-IL, R10-IL, R12-IL y R14-IL, utilizando diferentes métodos espectroscópicos, como análisis elemental, FT-IR y RMN de protones. Además, se midió la estabilidad térmica de los IL preparados y mostró un alto nivel de estabilidad térmica. Además, se midió la tensión superficial y mostró buenas propiedades tensioactivas. Se llevó a cabo un estudio cuántico de líquidos iónicos para investigar parámetros cuánticos como EHOMO y ELUMO, la brecha de energía y la optimización geométrica de la estructura electrónica. Se encontró que la reactividad de las IL preparadas aumentaba con el número de grupos metileno unidos.

Los IL preparados se probaron para dispersar los aglomerados de asfaltenos utilizando las técnicas de viscosidad e índice de refracción. Con respecto a los líquidos totalmente iónicos, la fuerza de dispersión aumentó al aumentar la concentración de los líquidos iónicos preparados hasta 2000 ppm. Esto sugiere que al aumentar la cantidad de líquido iónico, aumenta su adsorción en la superficie de las micelas de asfaltenos. R12-IL mostró su alto valor de inhibición con solo 1000 ppm, por lo que la concentración óptima es 1000 ppm.

El comportamiento de dispersión tiene una tendencia regular, aumentando el número de grupos metileno unidos aumenta la eficiencia de la dispersión. Debido al efecto enrollador de las cadenas alquílicas extralargas, esta tendencia pierde su relevancia cuando la longitud de la cadena alquílica excede los 12 átomos de carbono.

Los datos que respaldan los hallazgos del presente estudio están disponibles a pedido del autor correspondiente.

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Laboratorio de pruebas de petróleo, Departamento de análisis y evaluación, Instituto Egipcio de Investigación del Petróleo, Nasr City, El Cairo, 11727, Egipto

Raghda A. El-Nagar y Maher I. Nessim

Laboratorio de agentes tensioactivos, Departamento de petroquímica, Instituto Egipcio de Investigación del Petróleo, Nasr City, El Cairo, 11727, Egipto

Dina A. Ismail

Laboratorio de Polímeros, Departamento de Petroquímica, Instituto Egipcio de Investigación del Petróleo, Nasr City, El Cairo, 11727, Egipto

Manal G. Mohamed

PVT Lab, Departamento de Producción, Instituto Egipcio de Investigación del Petróleo, Nasr City, El Cairo, 11727, Egipto

Alaa Ghanem

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Conceptualización, AG y RE-N.; metodología, RE-N y AG; software, MN, AG y RE-N; validación, AG y RE-N.; análisis formal, RAE-N., MM y DI; investigación, AG y RAE-N.; redacción: preparación del borrador original, AG y RE-N; revisión y edición, AG, RE-N., DI y MN; supervisión, MM y MN; administración de proyectos, AG; Todos los autores han leído y aceptado enviar el manuscrito.

Correspondencia a Alaa Ghanem.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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El-Nagar, RA, Nessim, MI, Ismail, DA et al. Investigación del efecto de diferentes líquidos iónicos a base de aril imidazol sobre la aparición de precipitación de asfaltenos. Representante científico 13, 4054 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31066-0

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Recibido: 13 de enero de 2023

Aceptado: 06 de marzo de 2023

Publicado: 11 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31066-0

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