Desenvolvimento da carboximetil lignina como aditivo multifuncional para a indústria do petróleo: uma alternativa para o aproveitamento de biomassas lignocelulósicas

The thesis presents carboxymethyl lignin (CML) as a multifunctional additive for applications in the petroleum industry. The carboxymethylation reaction follows the classical reaction of Williamson ethers where an alkoxide (lignin alkali) is reacted with an alkyl halide (monochloroacetic acid) to...

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Detalhes bibliográficos
Autor principal: Moreira, Paulo Henrique Silva Santos
Outros Autores: Freitas, Júlio Cézar de Oliveira
Formato: doctoralThesis
Idioma:pt_BR
Publicado em: Brasil
Assuntos:
Carboximetil lignina
Aditivo multifunção
Retardador de pega
Inibidor de incrustação
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Endereço do item:https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/28086
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Moreira, Paulo Henrique Silva Santos
Desenvolvimento da carboximetil lignina como aditivo multifuncional para a indústria do petróleo: uma alternativa para o aproveitamento de biomassas lignocelulósicas
description The thesis presents carboxymethyl lignin (CML) as a multifunctional additive for applications in the petroleum industry. The carboxymethylation reaction follows the classical reaction of Williamson ethers where an alkoxide (lignin alkali) is reacted with an alkyl halide (monochloroacetic acid) to form an ether. CML was evaluated as retardant additive for cement pastes and as a scale inhibitor additive. The studies on CML as a set retarder were performed with a lignin extracted from the sugarcane bagasse by the soda-anthraquinone method. The lignin derivative was added to the cement paste composition and tested in pressurized consistometry (API RP 10B) assays to determine the thickening time (setting time) of the tested pastes. The increase in the time of thickening of the cement pastes as a function of the addition of CML to the composition was observed. A second mechanism of action (besides the classic) for CML was proposed. Semi-empirical calculations were performed to simulate the ability of CML to form coordination complexes with Ca2+ ions fundamental to the cement set process. The proposed complex was entropically favorable in a spontaneous process with relation to Gibbs free energy. These observations about CML's ability to adsorb in the cement core and to complex Ca2+ ions motivated the study on scale inhibitor. For this work, the carboxymethylation reaction was applied to a lignin extracted from the wood by the Kraft method. CML was evaluated as a scale inhibitor in a synthetic system of produced water from oil field. Inhibition efficiency tests were performed by the dynamic method (dynamic capillary tube precipitation) according to the procedures of NACE 31105 and by the static method. The crystals formed by the static method were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction. It was observed that in the absence of CML the scale products were basically the polymorphs of CaCO3 with predominance of the polymorph aragonite with calcite in smaller proportion. In the presence of CML, the MEV images showed an inhibition of growth of aragonite and calcite rods as the major phase in the fouling products. XRD assays associated with Rietveld's refinement technique have confirmed that aragonite actually reduced its percentage in the inlay composition and the SEM images also show that crystal growth has been reduced by an order of magnitude. The results of the research show that the lignin carboxymethylation may be a technological alternative to add value to the lignocellulosic biomass residues and that its versatility can cover several sectors of the oil and gas industry.
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CML was evaluated as retardant additive for cement pastes and as a scale inhibitor additive. The studies on CML as a set retarder were performed with a lignin extracted from the sugarcane bagasse by the soda-anthraquinone method. The lignin derivative was added to the cement paste composition and tested in pressurized consistometry (API RP 10B) assays to determine the thickening time (setting time) of the tested pastes. The increase in the time of thickening of the cement pastes as a function of the addition of CML to the composition was observed. A second mechanism of action (besides the classic) for CML was proposed. Semi-empirical calculations were performed to simulate the ability of CML to form coordination complexes with Ca2+ ions fundamental to the cement set process. The proposed complex was entropically favorable in a spontaneous process with relation to Gibbs free energy. These observations about CML's ability to adsorb in the cement core and to complex Ca2+ ions motivated the study on scale inhibitor. For this work, the carboxymethylation reaction was applied to a lignin extracted from the wood by the Kraft method. CML was evaluated as a scale inhibitor in a synthetic system of produced water from oil field. Inhibition efficiency tests were performed by the dynamic method (dynamic capillary tube precipitation) according to the procedures of NACE 31105 and by the static method. The crystals formed by the static method were analyzed by scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction. It was observed that in the absence of CML the scale products were basically the polymorphs of CaCO3 with predominance of the polymorph aragonite with calcite in smaller proportion. In the presence of CML, the MEV images showed an inhibition of growth of aragonite and calcite rods as the major phase in the fouling products. XRD assays associated with Rietveld's refinement technique have confirmed that aragonite actually reduced its percentage in the inlay composition and the SEM images also show that crystal growth has been reduced by an order of magnitude. The results of the research show that the lignin carboxymethylation may be a technological alternative to add value to the lignocellulosic biomass residues and that its versatility can cover several sectors of the oil and gas industry. A tese de doutorado apresenta a carboximetil lignina (CML) como aditivo multifuncional para aplicações na indústria do petróleo. A reação de carboximetilação segue a reação clássica de éteres de Williamson onde um alcóxido (álcali de lignina) reage com um haleto de alquila (ác. monocloroacético) para formar um éter. A CML foi avaliada como aditivo retardador de pega para pastas de cimento e como aditivo inibidor de incrustação. Os estudos sobre a CML como retardador de pega foram realizados com uma lignina extraída do bagaço da cana de açúcar pelo método soda-antraquinona. O derivado da lignina foi adicionado na composição de pastas de cimento e testado em ensaios de consistometria pressurizada (API RP 10B) para a determinação do tempo de espessamento (tempo de pega) das pastas aditivadas. Foi observado o incremento no tempo de espessamentos das pastas de cimento em função da adição de CML à composição. Foi proposto um segundo mecanismo de atuação (além do clássico) para a CML. Cálculos semi-empíricos foram realizados para simular a capacidade da CML em formar complexos de coordenação com íons Ca2+ fundamentais para o processo de pega do cimento. O complexo proposto apresentou-se entropicamente favorável em um processo espontâneo em relação à energia livre de Gibbs. Essas observações sobre a capacidade da CML em adsorver no núcleo de cimento e complexar íons Ca2+ motivaram o estudo sobre inibidor de incrustação. Para este trabalho, a reação de carboximetilação foi aplicada em uma lignina extraída da madeira pelo método Kraft. A CML foi avaliada como inibidor de incrustação em um sistema sintético de água produzida por poços de petróleo. Foram realizados testes de eficiência de inibição pelo método dinâmico (precipitação dinâmica em tubo capilar) de acordo com os procedimentos da NACE 31105 e pelo método estático. Os cristais formados pelo método estático foram analisados por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e difração de raios-X. Observou-se que na ausência de CML os produtos de incrustação eram basicamente os polimorfos de CaCO3 com predominância do polimorfo aragonita com calcita em menor proporção. Na presença de CML, as imagens de MEV mostraram uma inibição do crescimento dos bastões de aragonita e calcita como fase majoritária nos produtos de incrustação. Ensaios de DRX, associados à técnica de refinamento de Rietveld confirmaram que, de fato, a aragonita reduziu o seu percentual na composição da incrustação e as imagens de MEV também mostram que o crescimento do cristal foi reduzido em uma ordem de grandeza. Os resultados da pesquisa mostram que a reação de carboximetilação de ligninas pode ser uma alternativa tecnológica para agregar valor à resíduos de biomassa lignocelulósicas e que sua versatilidade pode abranger diversos setores da indústria de óleo e gás. 2019-11-29T22:49:19Z 2019-11-29T22:49:19Z 2018-04-27 doctoralThesis MOREIRA, Paulo Henrique Silva Santos. Desenvolvimento da carboximetil lignina como aditivo multifuncional para a indústria do petróleo: uma alternativa para o aproveitamento de biomassas lignocelulósicas. 2018. 97f. Tese (Doutorado em Química) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2018. https://repositorio.ufrn.br/jspui/handle/123456789/28086 pt_BR Acesso Aberto application/pdf Brasil UFRN PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA

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