Polyacrylamide được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp như thu hồi dầu nâng cao và xử lý nước do khả năng điều chỉnh tuyệt vời các tính chất lưu biến của dung dịch. Tuy nhiên, trong quá trình ứng dụng này, sự thủy phân tiến triển làm thay đổi cấu trúc phân tử của polyacrylamide, dẫn đến một sự thay đổi độ nhớt hai pha độc đáo vẫn chưa được hiểu rõ. Trong nghiên cứu này, các phép tính lý thuyết chức năng mật độ và mô phỏng động lực học phân tử đã được tiến hành một cách hệ thống để làm sáng tỏ cơ chế phân tử của sự thủy phân polyacrylamide và làm rõ nguồn gốc của phản ứng độ nhớt hai pha của nó ở cấp độ phân tử. Các kết quả từ các phép tính lý thuyết chức năng mật độ và mô phỏng động lực học phân tử cho thấy rằng sự thủy phân ban đầu làm tăng độ nhớt cấu trúc bằng cách thúc đẩy sự tập hợp polymer, trong khi sự thủy phân tiếp theo dẫn đến sự phân tán chuỗi polymer, dẫn đến sự giảm độ nhớt cấu trúc và tăng độ nhớt ma sát. Ở mức độ thủy phân cao, sự co lại của chuỗi do tương tác ion muối làm giảm cả độ nhớt cấu trúc và độ nhớt ma sát. Nghiên cứu này không chỉ làm sáng tỏ các cơ chế cơ bản chi phối sự thủy phân polyacrylamide và các tác động hai pha của nó lên độ nhớt mà còn cung cấp những hiểu biết quý giá để thiết kế các polymer với các tính chất lưu biến tối ưu nhằm đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng công nghiệp đa dạng.

Polyacrylamide (PAM) là một polymer được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp, chẳng hạn như thu hồi dầu nâng cao (EOR) và xử lý nước thải, được đánh giá cao vì khả năng điều chỉnh độ nhớt của dung dịch. Trong các ứng dụng thực tế, PAM trải qua quá trình thủy phân - một phản ứng hóa học chuyển đổi các nhóm amide thành các nhóm carboxylate. Mặc dù các cơ chế và quy trình của quá trình thủy phân đã được nghiên cứu rộng rãi, nhưng tác động của quá trình thủy phân đến các tính chất lưu biến của dung dịch PAM là phức tạp và vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn. Đặc biệt, các nghiên cứu thực nghiệm trước đây đã báo cáo một xu hướng hai pha rõ rệt trong độ nhớt của dung dịch khi quá trình thủy phân tiến triển: độ nhớt ban đầu tăng nhưng giảm sau một ngưỡng nhất định. Hiện tượng này được quan sát nhất quán ở các nhiệt độ và độ mặn khác nhau (Hình 1a) và đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất công nghiệp của PAM. Sự thiếu hiểu biết ở cấp độ phân tử về hiệu ứng hai pha độc đáo này đã cản trở việc thiết kế chính xác các cấu trúc phân tử và công thức dung dịch trong khoa học polymer và các ứng dụng công nghiệp. Khoảng trống kiến thức này đã thúc đẩy nghiên cứu hiện tại.

Ở đây, chúng tôi sử dụng ứng dụng của PAM trong EOR làm ví dụ để làm nổi bật tác động quan trọng của hiệu ứng hai pha của sự thủy phân PAM đối với hiệu suất công nghiệp. Kỹ thuật bơm polymer dựa trên PAM là một kỹ thuật EOR được sử dụng rộng rãi, giúp nâng cao hiệu quả thay thế dầu bằng cách giảm hiện tượng ngón tay nhớt và tăng cường tính thấm của lỗ rỗng. Trước khi bơm, PAM thường được chuyển đổi thành polyacrylamide thủy phân một phần (HPAM) để tăng cường độ nhớt của dung dịch. Tuy nhiên, trong quá trình bơm polymer, độ nhớt của dung dịch và hiệu quả thay thế dầu thường giảm đáng kể. Các nghiên cứu trước đây đã quy cho sự mất hiệu suất này chủ yếu là do điều kiện nhiệt độ cao và độ mặn cao của các mỏ dầu, dẫn đến sự phát triển của các polymer dựa trên PAM có khả năng chịu nhiệt và chịu mặn. Tuy nhiên, ngay cả với những sửa đổi này, sự mất độ nhớt đáng kể trong quá trình bơm polymer vẫn tiếp diễn, cho thấy rằng sự biến đổi cấu trúc trong các phân tử PAM do sự thủy phân thêm trong quá trình ứng dụng đóng vai trò quan trọng hơn cả nhiệt độ và độ mặn. Do đó, việc hiểu sâu hơn về sự thủy phân PAM và tác động của nó đối với độ nhớt là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả EOR và thiết kế các công thức polymer bền vững hơn.

Về cơ bản, độ nhớt của dung dịch polymer chủ yếu được điều khiển bởi các tương tác phân tử. Với sự phát triển của các phương pháp tính toán, mô phỏng phân tử đã trở thành một công cụ mạnh mẽ trong khoa học polymer để làm sáng tỏ các tương tác giữa các polymer, ion và nước. Ví dụ, Abdel-Azeim và cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của sulfon hóa lên chuỗi bên của PAM liên quan đến hành vi pha và các tính chất bề mặt bằng cách sử dụng mô phỏng động lực học phân tử cân bằng (MD) và metadynamics điều chỉnh tốt. Họ phát hiện rằng polymer đã sulfon hóa thể hiện khả năng chịu muối tốt hơn và ổn định hơn dưới điều kiện độ mặn cao do các tương tác yếu với các cation trong nước muối. Tương tự, Wang và cộng sự đã sử dụng mô phỏng động lực học phân tử toàn nguyên tử để phân tích các đặc điểm cấu trúc và hiệu suất chịu muối của HPAM đã được sửa đổi bằng axit sulfonic với các chiều dài chuỗi nhánh khác nhau. Họ kết luận rằng việc tăng vừa phải chiều dài chuỗi nhánh làm tăng khả năng chống muối và tính linh hoạt, trong khi việc phân nhánh quá mức dẫn đến sự gập lại của polymer do sự rối loạn. Những nghiên cứu mô phỏng này đã nâng cao đáng kể hiểu biết của chúng ta về các đặc điểm vi mô của PAM và hành vi của nó trong dung dịch. Tuy nhiên, theo như chúng tôi biết, chưa có nghiên cứu mô phỏng hệ thống nào được thực hiện để điều tra trực tiếp mối quan hệ giữa mức độ thủy phân của PAM và độ nhớt của dung dịch.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng mô phỏng MD cổ điển và tính toán lý thuyết chức năng mật độ (DFT) để làm sáng tỏ các cơ chế vi mô điều khiển tác động của quá trình thủy phân lên độ nhớt của dung dịch PAM trong điều kiện nhiệt độ cao, độ mặn cao và kiềm. Nghiên cứu được cấu trúc thành ba thành phần chính: (i) Các mô phỏng DFT và MD được thực hiện để nghiên cứu các cơ chế thủy phân và sự khác biệt của monomer trong điều kiện kiềm; (ii) phương pháp nhiễu loạn định kỳ trong MD không cân bằng được sử dụng để kiểm tra tác động của mức độ thủy phân lên các tính chất lưu biến của dung dịch; (iii) các phân tích chi tiết được thực hiện để hiểu các tương tác nguyên tử giữa nước, ion và PAM với các mức độ thủy phân khác nhau. Tập hợp lại, nghiên cứu này giải thích thành công lý do tại sao độ nhớt của dung dịch thay đổi theo mức độ thủy phân của PAM theo xu hướng hai pha. Những hiểu biết thu được cung cấp một khung giá trị để dự đoán và thiết kế các polymer dựa trên PAM được điều chỉnh để đáp ứng các yêu cầu lưu biến trong các ứng dụng công nghiệp khác nhau.