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Jun 11, 2023

Mécanisme de retardement des espèces Zn2+ dans un matériau géopolymère à l'aide de la spectroscopie Raman et des calculs DFT

Scientific Reports volume 12, Numéro d'article : 21036 (2022) Citer cet article 1039 Accès 1 Citations 5 Détails des métriques Altmetric Les géopolymères sont l'alternative la plus prometteuse au Portland ordinaire

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21036 (2022) Citer cet article

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Les géopolymères constituent l’alternative la plus prometteuse au ciment Portland ordinaire pour la cimentation et l’abandon des puits de pétrole. Pour cela, le lisier a besoin d'un temps de pompage nécessaire assuré par l'ajout de retardateurs. Bien que le zinc soit largement connu pour prolonger le temps de prise des géopolymères, son mécanisme d’action reste encore à élucider. On émet l’hypothèse ici que les ions zinc entravent les premières étapes de l’oligomérisation des silicates (Si – O – Al), aboutissant à des temps de prise plus longs. Les mesures du temps de pompage ont montré que le Zn(NO3)2 retardait le temps de prise de 5 h par rapport à l'échantillon sans zinc. Les calculs DFT ont révélé que Si (OH) 4 réagissait avec [Zn (OH) 4] 2− via un état de transition sans barrière, démontrant un fondement cinétique de l'effet de retard. De plus, la spectroscopie Raman a corroboré les résultats du DFT en montrant que les espèces Q3 dans le mécanisme proposé se forment plus rapidement en présence d'ions zinc qu'en son absence.

Les géopolymères sont un matériau cimentaire alternatif ayant le potentiel de remplacer le ciment Portland ordinaire (OPC) dans les applications de construction et pétrolières et gazières. L'applicabilité de ce matériau au pétrole et au gaz a fait l'objet de recherches au cours de la dernière période, car sa production a une empreinte carbone plus faible et conserve des propriétés supérieures à celles de l'OPC, en particulier sur des périodes à long terme1,2,3. Cependant, pour appliquer ce matériau dans les opérations de cimentation et d'abandon de puits, des adjuvants chimiques tels que des retardateurs doivent être utilisés pour retarder la prise et garantir une période sûre de déplacement dans les puits de forage4. La formation de géopolymères à partir de matériaux solides est un processus complexe en plusieurs étapes comprenant i) la dépolymérisation alcaline de la structure poly(siloxo) et la dissolution de l'aluminium ii) la formation de monomères et d'oligomères à partir d'ortho-sialate (OH)3− Si–O–Al– (OH)3, et iii) polycondensation en oligomères supérieurs et réseaux polymères 3D5,6. Avantageusement, il a été démontré que le degré de polymérisation/dépolymérisation des verres et géopolymères peut être déterminé par spectroscopie Raman7. Essentiellement, les espèces SiO4 dans un réseau de silice diffèrent les unes des autres spectroscopiquement en fonction du nombre d’atomes d’oxygène partageant. Un SiO4 isolé, par exemple, est appelé Q0 en raison de son manque de partage d’oxygène. Une entité Q1 désigne, à son tour, un SiO4 dont un partageant de l’oxygène dans le réseau. Le raisonnement s’étend ensuite à Q2, Q3 et Q4, signifiant respectivement deux, trois et quatre atomes d’oxygène partageant. Au contact du verre ou d'un minéral riche en silice avec un environnement alcalin, on s'attend à ce que la quantité d'espèces Q0 à Q3 augmente avec le temps en raison de la dépolymérisation de la silice, un phénomène qui peut être suivi puisque chaque espèce Qn apparaît à des fréquences distinctes dans le spectre Raman. ,8,9.

Les espèces de zinc (Zn2+), en tant que retardateur, ont été étudiées où leurs aspects mécanistes et cinétiques ont été pris en compte10,11,12,13. On pense par exemple que l'oxyde de zinc (ZnO) se dissout dans Zn2+, ce qui prolonge le temps de prise en séquestrant les ions calcium (Ca2+) et en formant du zincate de calcium [Ca(Zn(OH)3)2.2H2O]11. C'est également la conclusion à laquelle sont parvenus Cong et al.14, qui ont seulement émis l'hypothèse que Zn2+ aurait pu avoir un effet sur la polymérisation par condensation. La possibilité que Zn2+ joue un rôle dans les premières étapes de la géopolymérisation ne doit pas être négligée. Zeng et al.15 ont démontré la synthèse d'un coagulant à base de poly-zinc-silicate pour produire un composé complexe avec principalement des espèces polymères zinc-silicium plutôt qu'un simple mélange de matières premières. En étudiant l'impact des ions Zn2+ et plomb (Pb+2) sur l'OPC, Oretgo et al.16 ont découvert que les ions Zn2+ retardent la polymérisation des silicates. Les auteurs ont démontré, via RMN, une proportion élevée d’espèces Q0 et Q1 après durcissement de l’OCP avec des ions Zn2+, impliquant un faible degré de polymérisation des unités SiO4.