blog

Jun 11, 2023

Mecanismo de retardo de espécies Zn2+ em material geopolímero usando espectroscopia Raman e cálculos DFT

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21036 (2022) Citar este artigo 1039 Acessos 1 Citações 5 Detalhes de métricas altmétricas Geopolímeros são a alternativa mais promissora ao Portland comum

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21036 (2022) Citar este artigo

1039 Acessos

1 Citações

5 Altmétrico

Detalhes das métricas

Os geopolímeros são a alternativa mais promissora ao cimento Portland comum para cimentação e abandono de poços de petróleo. Para isso, a lama necessita de um tempo de bombeamento necessário, garantido pela adição de retardadores. Embora o zinco seja amplamente conhecido por prolongar o tempo de pega dos geopolímeros, seu mecanismo de ação ainda não foi totalmente elucidado. Supõe-se aqui que os íons zinco impedem os primeiros estágios da oligomerização do silicato (Si – O – Al), culminando em tempos de pega mais longos. As medições do tempo de bombeamento mostraram que o Zn(NO3)2 atrasou o tempo de presa em 5 h em comparação com a amostra sem zinco. Cálculos de DFT revelaram que Si(OH)4 reagiu com [Zn(OH)4]2− através de um estado de transição sem barreiras, evidenciando uma base cinética para o efeito de retardo. Além disso, a espectroscopia Raman corroborou os resultados da DFT ao mostrar que as espécies Q3 no mecanismo proposto são formadas mais rapidamente na presença de íons zinco do que na sua ausência.

Os geopolímeros são um material cimentício alternativo com potencial para substituir o cimento Portland comum (OPC) em aplicações de construção e petróleo e gás. A aplicabilidade deste material em petróleo e gás tem sido pesquisada no período passado, uma vez que sua produção apresenta menor pegada de carbono e mantém propriedades superiores ao OPC, especificamente em períodos de longo prazo1,2,3. Porém, para aplicar esse material em operações de cimentação e abandono de poços, aditivos químicos como retardadores devem ser utilizados para retardar a pega e garantir um período seguro para deslocamento nos poços4. A formação de geopolímeros a partir de materiais sólidos é um processo complexo e de múltiplas etapas que compreende aproximadamente i) despolimerização alcalina da estrutura poli(siloxo) e dissolução de alumínio ii) formação de monômeros e oligômeros a partir de ortossialato (OH)3− Si–O–Al– (OH)3 e iii) policondensação em oligômeros superiores e redes 3D poliméricas5,6. Vantajosamente, foi demonstrado que o grau de polimerização/despolimerização de vidros e geopolímeros pode ser determinado via espectroscopia Raman7. Em essência, as espécies de SiO4 em uma rede de sílica diferem umas das outras espectroscopicamente de acordo com o número de átomos de oxigênio compartilhados. Um SiO4 isolado, por exemplo, é referido como Q0 devido à sua falta de compartilhamento de oxigênio. Uma entidade Q1 denota, por sua vez, um SiO4 com um compartilhando oxigênio na rede. O raciocínio se estende então a Q2, Q3 e Q4, significando dois, três e quatro átomos de oxigênio compartilhados, respectivamente. Ao entrar em contato com o vidro ou um mineral rico em sílica com um ambiente alcalino, espera-se que a quantidade de espécies Q0-Q3 aumente com o tempo devido à despolimerização da sílica, um fenômeno que pode ser rastreado, uma vez que cada espécie Qn aparece em frequências distintas no espectro Raman7 ,8,9.

As espécies de zinco (Zn2+), como retardador, têm sido objeto de estudo onde seus aspectos mecanísticos e cinéticos têm sido levados em consideração10,11,12,13. Acredita-se que o óxido de zinco (ZnO), por exemplo, se dissolva em Zn2+, o que prolonga o tempo de presa ao sequestrar íons de cálcio (Ca2+) e formar zincato de cálcio [Ca(Zn(OH)3)2.2H2O]11. Esta é também a conclusão a que chegou Cong et al.14, que apenas especularam que o Zn2+ poderia ter tido efeito na polimerização por condensação. A possibilidade do Zn2+ desempenhar um papel nos estágios iniciais da geopolimerização não deve ser negligenciada. Zeng et al.15 demonstraram a síntese de um coagulante à base de poli-silicato de zinco para produzir um composto complexo principalmente com espécies poliméricas de zinco-silício, em vez de uma simples mistura de matérias-primas. Ao estudar o impacto dos íons Zn2+ e chumbo (Pb+2) no OPC, Oretgo et al.16 descobriram que os íons Zn2+ retardam a polimerização do silicato. Os autores demonstraram, via RMN, uma alta proporção de espécies Q0 e Q1 após a cura do OCP com íons Zn2+, implicando um baixo grau de polimerização das unidades de SiO4.