Nanoaditivos basados en materiales de cambio de fase (PCM) y puntos cuánticos de carbono (CQDs) para la estabilización térmica de soluciones de HPAM: una evaluación del desempeño reológico mediante diseño de experimentos
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Español
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Resumen
En el contexto energético global, aumentar la producción de hidrocarburos mediante procesos de recuperación mejorada de petróleo (EOR) representa un desafío constante. Por lo tanto, mejorar la estabilidad térmica de los polímeros tradicionalmente utilizados para la recuperación química, como la poliacrilamida parcialmente hidrolizada (HPAM),constituye una alternativa atractiva. Este estudio incluye la síntesis y caracterización de dos materiales candidatos: materiales de cambio de fase (PCM) y puntos cuánticos de carbono dopados con nitrógeno (CQD), así como la evaluación comparativa de su desempeño como estabilizadores térmicos de soluciones poliméricas de HPAM. Los PCM basados en KNO₃ y sílice se sintetizaron mediante el método sol-gel. Los CQD se sintetizaron mediante un método de carbonización asistida por microondas en un solo paso, utilizando ácido cítrico como fuente de carbono y etilendiamina como dopante de nitrógeno. Ambos materiales se caracterizaron en términos de morfología, tamaño de
partícula, grupos funcionales y propiedades termofísicas. El efecto de cada material sobre la estabilidad térmica de soluciones de HPAM a 70 °C se evaluó mediante pruebas de reología estática durante 21 días, utilizando un diseño de experimentos (DOE) factorial completo 3K con 80 sistemas por candidato. Los resultados revelaron comportamientos contrastantes entre los dos materiales. Los puntos cuánticos
de carbono (CQD) afectaron negativamente las propiedades reológicas de las soluciones de HPAM desde el primer día de evaluación. A la mayor concentración de CQD evaluada (1000 mg/L), se observaron reducciones de viscosidad de hasta 85 % y 95 % para las soluciones con concentraciones de HPAM de 1000 y 5000 mg/L, respectivamente. Estos valores fueron significativamente superiores a los registrados para los sistemas base. En contraste, los PCM demostraron una inhibición consistente. El sistema que contenía 5000 mg/L de HPAM y 1000 mg/L de PCM no solo inhibió la degradación del polímero, sino que
también aumentó la viscosidad en aproximadamente un 13 % después de 21 días de envejecimiento térmico con respecto al valor inicial. Por otro lado, el sistema con 1000 mg/L de HPAM y 100 mg/L de PCM alcanzó una pérdida de viscosidad de solo el 24 % después de 21 días, en comparación con una pérdida de viscosidad del 72 % para el sistema base. Con base en estos resultados contrastantes, se seleccionaron los PCM para
un análisis detallado de la interacción superficial entre el sistema HPAM-PCM. El análisis FTIR y las mediciones de potencial zeta confirmaron la formación de enlaces de hidrógeno, apantallamiento electrostático e interacciones ión -dipolo entre las cadenas de HPAM y la coraza de sílice del PCM, que restringen la movilidad de la cadena polimérica y mejoran la estabilidad térmica, revelando un comportamiento sinérgico entre ambos componentes. A diferencia de las estrategias convencionales basadas en nanopartículas, este trabajo introduce por primera vez el almacenamiento térmico activo como mecanismo de
estabilización de soluciones poliméricas. ofreciendo una solución práctica y sostenible que abre una nueva ruta en el diseño de materiales aplicados a procesos EOR. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
In the global energy context, increasing hydrocarbon production through enhanced oil recovery (EOR) processes remains an ongoing challenge. Therefore, improving the thermal stability of polymers traditionally used for chemical recovery, such as partially hydrolysed polyacrylamide (HPAM), represents an attractive alternative. This study involves the synthesis and characterisation of two candidate materials: phase change materials (PCMs) and nitrogen-doped carbon quantum dots (CQDs), as well as a comparative evaluation of their performance as thermal stabilisers for HPAM polymer
solutions. The KNO₃- and silica-based PCMs were synthesised using the sol-gel method. The CQDs were synthesised using a one-step microwave-assisted carbonisation method, employing citric acid as the carbon source and ethylenediamine as the nitrogen dopant. Both materials were characterised in terms of morphology, particle size, functional groups and thermophysical properties.
The effect of each material on the thermal stability of HPAM solutions at 70 °C was assessed through static rheological testing over a 21-day period, using a 3K full factorial design of experiments (DOE) with 80 systems per candidate. The results revealed contrasting behaviours between the two materials. Carbon quantum dots (CQDs) negatively affected the rheological properties of the HPAM solutions from the first day of evaluation. At the highest CQD concentration evaluated (1000 mg/L), viscosity reductions of up to 85% and 95% were observed for solutions with HPAM concentrations of 1000 and
5000 mg/L, respectively. These values were significantly higher than those recorded for the base systems. In contrast, PCMs demonstrated consistent inhibition. The system containing 5000 mg/L of HPAM and 1000 mg/L of PCM not only inhibited polymer degradation but also increased viscosity by approximately 13% after 21 days of thermal ageing compared to the initial value. On the other hand, the system with 1000 mg/L of HPAM and 100 mg/L of PCM achieved a viscosity loss of only 24% after 21 days, compared with a viscosity loss of 72% for the base system. Based on these contrasting results, the
PCMs were selected for a detailed analysis of the surface interaction between the HPAM-FCM system. FTIR analysis and zeta potential measurements confirmed the formation of hydrogen bonds, electrostatic shielding and ion-dipole interactions between the HPAM chains and the PCM’s silica shell, which restrict the mobility of the polymer chain and improve thermal stability, revealing synergistic behaviour between both components. Unlike conventional nanoparticle-based strategies, this work introduces, for the first time, active thermal storage as a stabilisation mechanism for polymeric solutions, offering a practical and sustainable solution that opens up a new avenue in the design of materials for EOR processes.
Descripción
Ilustraciones
Palabras clave propuestas
Diseño de experimentos; Inhibición de la degradación térmica; Interacciones superficiales; Material de cambio de fase (PCM); Polímero HPAM; Puntos cuánticos de carbono (CQDs); Design of experiments; Inhibition of thermal degradation; Surface interactions; Phase-change material (PCM); HPAM polymer; Carbon quantum dots (CQDs)