Наноцеллюлоза и её применение в нефтегазовой отрасли

Введение
При добыче, транспортировке и переработке нефти и газа технология должна быть сложной, оборудование - высококачественным, а используемые материалы должны обладать заранее заданными свойствами.
Такими как высокая надежность, термическая, коррозионная и химическая стойкость. Лучше всего отвечают этим требованиям композитные материалы. Они обеспечивают конструкциям уникальные характеристики, особенно если сочетаются с другими материалами.
Пластмассы являются наиболее гибкими, химически стойкими материалами, обладающими низкой теплопроводностью, отличными диэлектрическими и оптическими свойствами, высокой коррозионной стойкостью, способностью поглощать и гасить вибрацию. Этим объясняется их широкое применение в нефтегазовом секторе.
Сегодня одним из перспективных направлений исследований является разработка принципов получения и исследования свойств полимерных композитов и нанокомпозитов.
В данной работе, я рассмотрю перспективы развития нефтегазовой промышленности с учетом использования такого материала как наноцеллюлоза.
Мной поставлены следующие задачи:
- произвести учет раннее произведенных исследований в области изучения наноцеллюлозы;
- структурировать наиболее подходящие технологии, которые могут быть применены в нефтегазовой отрасли;
- сделать выводы и прогноз успешности перехода на наноцеллюлозные композиты.
1 Наноцеллюлоза
Модификация полимеров, в том числе структурная и химическая модификация, с использованием реакционноспособных соединений является одним из самых эффективных методов регулирования их структуры и свойств. Благодаря им можно создавать композиты, которые сочетают в себе полезные свойства полимеров и наполнителей, при этом являются пластичными. Такое сочетание значительно расширяет сферу применения данных материалов. В то же время использование пластмасс, полученных из возобновляемого сырья, способного к биодеградации, является актуальной проблемой современного материаловедения, связанной как с потребностями новых функциональных полимеров, так и с проблемами ограниченных запасов нефти и газа, снижением выбросов СО2 и утилизации отработанных полимерных материалов, загрязняющих окружающую среду. [1]
Наноцеллюлоза является наиболее распространенным природным биологическим полимером. Она находится в клетках растений и бактерий. Целлюлозные цепи построены из остатков β-глюкозы и имеют линейную структуру, а все ОН - группы находятся вне цепи (рис.1)
Рисунок 1 – Строение молекул целлюлозы [Источник 1]
Благодаря этому между макромолекулами целлюлозы возникают водородные связи, которые придают веществу жесткость и делают его нерастворимым в воде.
В настоящее время целлюлозные материалы широко используются для различных наноструктур, нанокристаллов, нановолокон и нанокомпозитов. Нанокомпозиты могут быть полностью сформированы из целлюлозы. Они могут содержать наночастицы из металлов и полупроводников, имеют органическую матрицу из бактериальной или химически модифицированной целлюлозы. В композитных материалах целлюлоза также сочетается с синтетическими полимерами.
2 Способы получения наноцеллюлозы
Источником сырья для целлюлозы является древесина, представляющая собой комбинацию целлюлозных волокон, скрепленных лигниновой матрицей - еще одним природным полимером, который легко разлагается и удаляется. [2]
Процесс производства целлюлозы заключается в удалении лигнина и получении водной суспензии целлюлозных волокон. Типичный слой древесной массы (рис.2) имеет десятки микрон в ширину и около миллиметра в длину.
Рисунок 2 – А - древесная целлюлоза; Б - хлопковая целлюлоза; С - целлюлоза жома сахарной свеклы [Источник 5]
Возделываемые культуры, такие как хлопок и жом сахарной свеклы, могут служить альтернативным сырьем при производстве целлюлозы.
Если разбить целлюлозные волокна на нанофибриллы, которые примерно в тысячу раз меньше самих волокон, можно получить трехмерную сетку из длинных неразветвленных нитей молекул целлюлозы, которые связаны водородными связями. Водородные связи между молекулами целлюлозы достаточно прочны, чтобы обеспечить прочность и жесткость нанокристаллов целлюлозы. Эти нановолокна образуют секции, в которых расположены молекулы, а цепочки целлюлозы параллельны.
В некоторых из этих областей имеется несколько неупорядоченных нановолокон, разделенных аморфными изолированными участками. Эти отдельные нанокристаллы могут быть легко удалены путем растворения аморфных областей сильными кислотами.
Длина материала, отделенного от древесины, обычно составляет долю микрона. Он имеет квадратное сечение со сторонами в несколько нанометров. Его плотность невелика-1,6 г / см3, но он обладает высокой прочностью: модуль упругости составляет 150 ГПа, а предел прочности при растяжении - до 10 ГПа (табл. 1)
Таблица 1 – Некоторые механические свойства наноцеллюлозы в сравнении с другими материалами [Источник 5]
Материал Модуль упругости (ГПа) Предел прочности при растяжении (ГПа)
Наноцеллюлоза
150 9,5
Кевлар 49 125 3,5
Углеродное волокно 150 3,5
Углеродные нанотрубки
300 20
Нержавеющая сталь 200 0,5
Дубовая древисина
100 0,1
Как видно из таблицы, только углеродные нанотрубки обладают большей прочностью по сравнению с целлюлозными нанокристаллами

.
Нержавеющую сталь можно сравнить только с традиционными материалами. Наноцеллюлозные кристаллы сильнее и жестче, чем кевлар. Можно получить продукты более высокой прочности, но меньшего веса.
Кроме того, большое количество гидроксильных групп на поверхности наноцеллюлозы позволяет проводить различные химические модификации, что позволяет получать материалы с заданными свойствами и использовать их в различных сферах нефтегазовой промышленности.
Методы получения наноцеллюлозы были научно исследованы с 1960-х годов и в последнее десятилетие она была произведена в промышленных масштабах. Разработаны технологии получения наноцеллюлозы с учетом данных, полученных в результате исследований свойств микрокристаллической целлюлозы. [3]
Микрокристаллическая целлюлоза - это продукт химической деструкции целлюлозы, обладающий высокой степенью чистоты и высоким содержанием упорядоченной целлюлозы с кристаллической ориентацией макромолекул. Основное отличие нано- и микрокристаллической целлюлозы (рис. 3) – это размер высококристаллических аггрегатов и степень их кристалличности, что в свою очередь обуславливает появление у них специфических свойств.
Рисунок 3 – А – микрокристаллическая целлюлоза; Б – нановолокнистая целлюлоза; С – нанокристаллическая целлюлоза [источник 5]
Размеры наноцеллюлозных волокон варьируются в широких пределах. Нанокристаллы целлюлозы представляют собой ядро длиной 50-2000 нм и диаметром 3-40 нм. Основными факторами, определяющими размер и структуру наноцеллюлозы, являются сырье, условия обработки и способы получения наноразмерных кристаллов.
Создание композитов, содержащих наполнители наноразмерных дисперсионных уровней, является новым и перспективным направлением в развитии материаловедения.
Одним из перспективных вариантов в этой области является использование природных полисахаридов, в том числе целлюлозы, имеющей ярко выраженную фибриллярную структуру, это поспособствует улучшению физико-механических свойств различных полимеров, ускорению их биодеградации после окончания использования, снижению эмиссии СО2 в процессе производства, переработки и эксплуатации полимерных материалов с заданными свойствами.
Лимитирующими факторами при создании композитов такого типа являются диспергирование полисахаридных фибрилл до наноразмерного уровня и сохранение их конфигурации ядра при правильном соотношении длины к диаметру.
3 Применение наноцеллюлозы в промышленности
Использование наноцеллюлозы в добыче углеводородов в процессе бурения скважин можно представить в виде создания буровых растворов, которые имеют решающее значение при бурении скважин.
Следует отметить, что не только эффективность бурения, но и срок службы скважины зависят от способности буровых растворов обеспечивать свое функционирование в различных геолого-технических условиях.
Поэтому предпочтительнее использовать буровые растворы, содержащие экологически чистые биологически активные материалы, а не химические вещества, вредные для персонала и окружающей среды. Для повышения эффективности буровых растворов и решения растущих проблем при добыче нефти и природного газа все чаще используются микро - и наночастицы.
Результаты зарубежных исследований показали, что наночастицы целлюлозы могут быть использованы в качестве экологически чистых биоградируемых добавок для буровых растворов на водной основе с заданными реологическими и фильтрационными свойствами и соответствующей термостабильностью. Частицы нанокристаллов целлюлозы могут быть использованы в качестве добавки к цементному раствору. [4]
Известно, что установленное цементное кольцо непроницаемо для газа как столб закачиваемой суспензии. Однако существует фаза между двумя состояниями, которая длится всего несколько часов, в течение которых цемент теряет свойства жидкости, но еще не является твердым непроницаемым веществом. В этот период может происходить миграция газов. Добавление наноцеллюлозных частиц может обеспечить герметичную изоляцию цементного раствора в течение всего периода схватывания.
Одним из новых и перспективных направлений с высоким потенциалом повышения безопасности глубоководных буровых работ при сохранении рентабельности является использование аэрогеля в качестве эффективного изолирующего слоя при морской разведке и добыче нефти и газа.
Аэрогель - это особый высокопористый наноструктурированный материал с уникальными свойствами: низкой плотностью (0,004-0,5 г / см3), большой удельной поверхностью (600-1000 м2/г) с размером пор около нескольких нанометров, низкой теплопроводностью (0,02 Вт/мК). Свойства этого материала определяются условиями синтеза. Изменяя эти условия, можно получить материалы с необходимыми механическими свойствами. Термоизоляция является главным условием подводных нефтегазовых работ, так как существует необходимость в тепловом барьере между потоками транспортируемых углеводородов и морской водой