DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-87010-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39827320
تاريخ النشر: 2025-01-18
المؤلف: Jia Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: معالجة النفط وتحليله
نظرة عامة
تتفاصيل البحث عن تخليق مادة خافضة للتوتر السطحي كاتيونية من نوع جمنائي عبر تفاعل تكثيف الألدهيد والأمين، بهدف التخفيف من تآكل البكتيريا ومشاكل الرغوة أثناء استخراج الغاز الصخري. شمل توصيف خصائص الخافض تقييم التوتر السطحي، توزيع حجم الجسيمات (PSD)، الفعالية المضادة للبكتيريا، التخفيف من التآكل، وسلوك الرغوة. ومن الجدير بالذكر أنه عند 60 درجة مئوية، حقق الخافض أدنى توتر سطحي قدره 32.61 مN/m عند تركيزه الحرج للميسيل (CMC). أظهرت اختبارات PSD أنه ضمن نطاق 1-10 CMC، يشكل الخافض تجمعات بأحجام تتراوح بين 100-400 نانومتر. أظهرت اختبارات المضادات الحيوية معدل قتل بكتيري يتجاوز 99% عند تركيز 0.12 مليمول/لتر، فعال حتى بعد 24 ساعة، مع أداء معزز في الظروف الحمضية والقلوية. كشفت اختبارات التآكل عن معدل تخفيف يزيد عن 70% عند 50 درجة مئوية، بينما لوحظ الأداء الأمثل للرغوة عند تركيز 1 مليمول/لتر.
في الختام، يظهر الخافض الذي تم تخليقه خصائص قاتلة للبكتيريا ومثبطة للتآكل بشكل ملحوظ، ويعمل بشكل أساسي من خلال الامتصاص الكاتيوني على أسطح البكتيريا والركائز المعدنية. هيكله الأمفيفيلي يعزز التجميع الذاتي الفعال في الميسيلات، مع CMC منخفض ونشاط سطحي مرتفع. يتم الحفاظ على تأثيراته المضادة للبكتيريا طويلة الأمد تحت ظروف pH ودرجة حرارة متغيرة، ويعزى ذلك إلى مرونته الهيكلية ضد درجات الحرارة العالية والملوحة. وجود سلاسل هيدروفوبية مزدوجة ورؤوس هيدروفيلية يعزز استقراره، مما يقلل من احتمالية التجمع أو الترسيب في البيئات الصعبة. يؤسس هذا البحث أساسًا لمعالجة تآكل البكتيريا ومشاكل سوائل آبار الغاز الصخري.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في بحثهم. تضمنت المواد الرئيسية كلاً من كبريتات الصوديوم الدوديسيل (SDS) والإيثيلين ديامين، وكلاهما عالي النقاء، تم الحصول عليهما من شركة Aladdin Reagents Co., Ltd. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على البيريدين-4-كاربالدهيد والإيثانول اللامائي من شركة Xilong Scientific Co., Ltd.، بينما تم شراء مركبات برومينية متنوعة (1-بروموكتان، 1-بروموهكسانديكان، و1-برومو-1-أوكتاديكان) من شركة Guangdong Wengjiang Chemical Reagent Co., Ltd. تم إنتاج الماء المقطر باستخدام آلات EK-Exceed للمياه فائقة النقاء، مما يضمن جودة الظروف التجريبية.
تم الحصول على وسائط الثقافة البكتيرية للبكتيريا المختزلة للكبريت (SRB)، والبكتيريا السابروفية (TGB)، وبكتيريا الحديد (IB) من مصنع بكين هواشينغ للمواد الكيميائية. ومن الجدير بالذكر أن المواد الخام المستخدمة في التجارب لم تتطلب أي تنقية إضافية، مما يدل على ملاءمتها للاستخدامات المقصودة في الدراسة.
النتائج
تكشف نتائج تحليل FT-IR عن تغييرات هيكلية كبيرة تشير إلى تكوين المنتج خلال عملية التفاعل الكيميائي. تؤكد ظهور قمة مميزة لمنتج قاعدة شيف الوسيطة عند 1656 سم\(^{-1}\) تكوين هيكل قاعدة شيف، حيث أن القمة المميزة -NH\(_2\) عند 3280 سم\(^{-1}\) واهتزازات تمدد الألدهيد C=O عند 1708 سم\(^{-1}\) و1670 سم\(^{-1}\) غائبة في المنتج الوسيط.
علاوة على ذلك، يعرض طيف الأشعة تحت الحمراء للمنتج النهائي قمة اهتزاز تمدد C-H عند حوالي 2971 سم\(^{-1}\)، مما يشير إلى وجود هيكل ألكان طويل السلسلة. تشير هذه النتائج مجتمعة إلى التحويل الناجح للمواد المتفاعلة إلى المنتجات المرغوبة من خلال تكوين قاعدة شيف والتعديلات الهيكلية اللاحقة.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة إعداد وتوصيف أداء خافض للتوتر السطحي تم تخليقه مع خصائص قاتلة للبكتيريا ومثبطة للتآكل. تم إنتاج الخافض من خلال سلسلة من التفاعلات التي تشمل البيريدين-4-كاربالدهيد، والإيثيلين ديامين، وبروميد الألكيل، تليها تقنيات التنقية والتوصيف مثل FT-IR، قياسات التوتر السطحي، تحليل توزيع حجم الجسيمات (PSD)، وتقييمات الأداء القاتل للبكتيريا. تشير النتائج إلى أن الخافض يظهر تركيز ميسيل حرج (CMC) ينخفض مع زيادة درجة الحرارة وطول سلسلة الكربون الهيدروفوبية، مما يعزز نشاطه السطحي وتكوين الميسيل.
تم تقييم الفعالية القاتلة للبكتيريا للخافض ضد سلالات بكتيرية متنوعة، مما يكشف عن فعالية تزيد عن 96% عند تركيزات منخفضة وتحقيق 100% تثبيط بعد أوقات تماس ممتدة. تأثر أداء الخافض بالعوامل البيئية مثل درجة الحرارة وpH، مما يظهر استقرارًا وفعالية عبر مجموعة من الظروف. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت اختبارات تثبيط التآكل أداءً مثاليًا عند درجات حرارة وتركيزات محددة، حيث شكل الخافض طبقة واقية على الأسطح المعدنية. تم تقييم أداء الرغوة أيضًا، مما يشير إلى أن زيادة تركيز الخافض وطول الذيل الهيدروفوبي يحسن من استقرار الرغوة. بشكل عام، يظهر الخافض الذي تم تخليقه إمكانات كبيرة للتطبيقات التي تتطلب خصائص مضادة للبكتيريا ومقاومة للتآكل، خاصة في البيئات الصعبة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-87010-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39827320
Publication Date: 2025-01-18
Author(s): Jia Li et al.
Primary Topic: Petroleum Processing and Analysis
Overview
The research details the synthesis of a Gemini cationic surfactant via an aldehyde-amine condensation reaction, aimed at mitigating bacterial corrosion and foaming issues during shale gas extraction. Characterization of the surfactant’s properties involved assessing surface tension, particle size distribution (PSD), antibacterial efficacy, corrosion mitigation, and foaming behavior. Notably, at 60 °C, the surfactant achieved a minimum surface tension of 32.61 mN/m at its critical micelle concentration (CMC). PSD tests indicated that within the 1-10 CMC range, the surfactant forms aggregates with sizes between 100-400 nm. Antibacterial tests showed a bactericidal rate exceeding 99% at a concentration of 0.12 mmol/L, effective even after 24 hours, with enhanced performance in acidic and alkaline conditions. Corrosion tests revealed a mitigation rate of over 70% at 50 °C, while optimal foaming performance was observed at a concentration of 1 mmol/L.
In conclusion, the synthesized surfactant demonstrates significant bactericidal and corrosion-inhibiting properties, functioning primarily through cationic adsorption on bacterial surfaces and metal substrates. Its amphiphilic structure promotes effective self-assembly into micelles, with low CMC and high surface activity. The surfactant’s long-lasting antibacterial effects are maintained under varying pH and temperature conditions, attributed to its structural resilience against high temperatures and salinity. The presence of dual hydrophobic chains and hydrophilic heads enhances its stability, reducing the likelihood of aggregation or precipitation in challenging environments. This research establishes a foundation for addressing bacterial corrosion and wellbore fluid issues in shale gas wells.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods utilized in their research. Key reagents included sodium dodecyl sulfate (SDS) and ethylenediamine, both of high purity, sourced from Aladdin Reagents Co., Ltd. Additionally, pyridine-4-carbaldehyde and anhydrous ethanol were obtained from Xilong Scientific Co., Ltd., while various brominated compounds (1-bromooctane, 1-bromohexadecane, and 1-bromo-1-octadecane) were procured from Guangdong Wengjiang Chemical Reagent Co., Ltd. Deionized water was produced using EK-Exceed ultrapure water machines, ensuring the quality of the experimental conditions.
The bacterial culture media for sulfate-reducing bacteria (SRB), saprophytic bacteria (TGB), and iron bacteria (IB) were sourced from Beijing Huaxing Chemical Reagent Factory. Notably, the raw materials used in the experiments did not require any additional purification, indicating their suitability for the intended applications in the study.
Results
The results of the FT-IR analysis reveal significant structural changes indicative of product formation during the chemical reaction process. The emergence of a distinctive peak for the intermediate Schiff base product at 1656 cm\(^{-1}\) confirms the formation of the Schiff base structure, as the characteristic -NH\(_2\) peak at 3280 cm\(^{-1}\) and the aldehyde C=O stretching vibrations at 1708 cm\(^{-1}\) and 1670 cm\(^{-1}\) are absent in the intermediate product.
Furthermore, the final product’s infrared spectrum displays a C-H stretching vibration peak at approximately 2971 cm\(^{-1}\), which suggests the presence of a long-chain alkane structure. These findings collectively indicate the successful transformation of reactants into the desired products through the formation of the Schiff base and subsequent structural modifications.
Discussion
In this section, the preparation and performance characterization of a synthesized surfactant with bactericidal and corrosion-inhibiting properties are discussed. The surfactant was produced through a series of reactions involving pyridine-4-carbaldehyde, ethylenediamine, and alkyl bromide, followed by purification and characterization techniques such as FT-IR, surface tension measurements, particle size distribution (PSD) analysis, and bactericidal performance assessments. The results indicate that the surfactant exhibits a critical micelle concentration (CMC) that decreases with increasing temperature and hydrophobic carbon chain length, enhancing its surface activity and micelle formation.
The bactericidal efficacy of the surfactant was evaluated against various bacterial strains, revealing over 96% effectiveness at lower concentrations and achieving 100% inhibition after extended contact times. The surfactant’s performance was influenced by environmental factors such as temperature and pH, demonstrating stability and effectiveness across a range of conditions. Additionally, corrosion inhibition tests showed optimal performance at specific temperatures and concentrations, with the surfactant forming a protective layer on metal surfaces. The foaming performance was also assessed, indicating that increased surfactant concentration and hydrophobic tail length improved foam stability. Overall, the synthesized surfactant demonstrates significant potential for applications requiring antibacterial and corrosion-resistant properties, particularly in challenging environments.