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Jun 11, 2023

라만 분광법과 DFT 계산을 이용한 지오폴리머 재료 내 Zn2+ 종의 지연 메커니즘

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21036(2022) 이 기사 인용 1039 액세스 1 인용 5 Altmetric Metrics 세부 정보 지오폴리머는 일반 포틀랜드의 가장 유망한 대안입니다.

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21036(2022) 이 기사 인용

1039 액세스

1 인용

5 알트메트릭

측정항목 세부정보

지오폴리머는 유정 접합 및 유정 폐기를 위한 일반 포틀랜드 시멘트의 가장 유망한 대안입니다. 이를 위해 슬러리에는 지연제를 추가하여 보장되는 필수 펌핑 시간이 필요합니다. 아연은 지오폴리머의 경화 시간을 연장시키는 것으로 널리 알려져 있지만, 그 작용 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다. 여기에서는 아연 이온이 규산염 올리고머화(Si-O-Al)의 첫 번째 단계를 방해하여 응결 시간이 길어지는 것으로 가정합니다. 펌핑 시간 측정에 따르면 Zn(NO3)2는 아연이 없는 샘플에 비해 응결 시간이 5시간 지연되는 것으로 나타났습니다. DFT 계산을 통해 Si(OH)4가 장벽 없는 전이 상태를 통해 [Zn(OH)4]2-와 반응하는 것으로 나타났으며, 이는 지연 효과에 대한 동역학 기반을 입증합니다. 추가적으로, 라만 분광학은 제안된 메커니즘에서 Q3 종이 아연 이온이 없을 때보다 아연 이온이 있을 때 더 빠르게 형성된다는 것을 보여줌으로써 DFT 결과를 확증했습니다.

지오폴리머는 건설과 석유 및 가스 분야 모두에서 일반 포틀랜드 시멘트(OPC)를 대체할 수 있는 잠재력을 지닌 대체 시멘트질 재료입니다. 이 물질의 석유 및 가스에 대한 적용 가능성은 생산이 탄소 배출량이 적고 특히 장기간 OPC에 비해 우수한 특성을 유지하기 때문에 지난 기간 동안 연구 중이었습니다1,2,3. 그러나 이러한 물질을 접합 및 유정 폐기 작업에 적용하려면 지연제와 같은 화학적 혼합물을 사용하여 유정으로의 이동을 위한 안전한 기간을 보장하고 경화를 지연시켜야 합니다4. 고체 물질로부터의 지오폴리머 형성은 i) 폴리(실록소) 골격의 알칼리성 해중합 및 알루미늄 용해 ii) 오르토-시알레이트(OH)3- Si-O-Al-로부터 모노머 및 올리고머의 형성으로 대략 구성된 복잡한 다단계 공정입니다. (OH)3 및 iii) 더 높은 올리고머 및 고분자 3D 네트워크로의 중축합5,6. 유리와 지오폴리머의 중합/해중합 정도는 라만 분광학을 통해 측정할 수 있다는 것이 유리하게 입증되었습니다7. 본질적으로 실리카 네트워크의 SiO4 종은 공유하는 산소 원자의 수에 따라 분광학적으로 서로 다릅니다. 예를 들어 분리된 SiO4는 산소를 공유하지 않기 때문에 Q0라고 합니다. Q1 개체는 네트워크에서 산소를 공유하는 SiO4를 나타냅니다. 추론은 각각 산소 원자를 공유하는 2개, 3개, 4개가 있음을 의미하는 Q2, Q3 및 Q4로 확장됩니다. 유리 또는 실리카가 풍부한 광물을 알칼리성 환경과 접촉시키면 실리카 해중합으로 인해 시간이 지남에 따라 Q0-Q3 종의 양이 증가할 것으로 예상됩니다. 이 현상은 각 Qn 종이 라만 스펙트럼에서 서로 다른 주파수로 나타나기 때문에 추적할 수 있습니다7 ,8,9.

지연제로서 아연(Zn2+) 종은 기계적 및 운동학적 측면을 고려하여 연구되고 있습니다10,11,12,13. 예를 들어, 산화아연(ZnO)은 칼슘 이온(Ca2+)을 격리하고 칼슘 아연산염 [Ca(Zn(OH)3)2.2H2O]11을 형성함으로써 응결 시간을 연장시키는 Zn2+에 용해되는 것으로 생각됩니다. 이는 또한 Zn2+가 축중합에 영향을 미칠 수 있다고 추측한 Cong et al.14의 결론이기도 합니다. 지오폴리머화의 초기 단계에서 Zn2+가 역할을 할 가능성을 간과해서는 안 됩니다. Zeng 등15은 폴리-아연-규산염을 기반으로 한 응고제의 합성을 통해 단순한 원료 혼합물이 아닌 주로 아연-실리콘 중합체 종을 포함하는 복합 화합물을 생성함을 보여주었습니다. OPC에 대한 Zn2+ 및 납(Pb+2) 이온의 영향을 연구하면서 Oretgo 등은 규산염 중합을 지연시키는 Zn2+ 이온을 발견했습니다. 저자들은 Zn2+ 이온으로 OCP를 경화한 후 NMR을 통해 Q0 및 Q1 종의 높은 비율을 입증했는데, 이는 SiO4 단위의 낮은 중합도를 암시합니다.