微流体器件用于表征多孔介质中的孔隙尺度事件过程, 用于采油应用

Summary

这一过程的目的是容易和迅速地产生一个可定制的几何和耐膨胀的有机流体的微流控油回收研究。首先生成一个烷模具, 然后用它来铸造氧设备。有代表性的位移研究报告。

Abstract

微流控设备是一种用于研究微观尺度的运输过程的多功能工具。不像传统的烷 (聚氧烷) 器件, 对低分子量的油成分具有抗微流控装置的需求。在这里, 我们演示了一种简便的方法, 使设备的这一属性, 我们使用该协议的产品, 以检查的孔隙规模机制, 泡沫恢复原油。模式首先使用计算机辅助设计 (CAD) 软件设计, 并在高分辨率打印机的透明度上打印。然后通过光刻过程将这种模式转移到光刻胶中。在图案上浇铸, 在烤箱中固化, 然后取下以获得霉菌。一种硫醇烯交联聚合物, 通常用作光学粘合剂 (OA), 然后浇在模具上, 在紫外线照射下固化。该模具被剥离的光学粘合剂铸造。然后准备一个玻璃基板, 并将该设备的两个半部分粘合在一起。光学 adhesive-based 器件比传统的硅橡胶微流控器件具有更强的鲁棒性。环氧树脂结构是耐膨胀的许多有机溶剂, 这为实验提供了新的可能性, 涉及轻有机液体。此外, 这些器件的表面润湿性比硅橡胶更稳定。光学粘接微流控装置的建设是简单的, 但需要更多的努力比 PDMS-based 设备的制造。此外, 虽然光学粘接装置在有机液体中是稳定的, 但在很长一段时间后, 它们可能会表现出较低的粘结强度。光学粘接微流体器件可以在几何中做为多孔介质的2维微观。这些装置被应用于研究石油驱替, 以提高我们对提高石油采收率和含水层修复所涉及的孔隙规模机制的认识。

Introduction

该方法的目的是在多孔介质中对多相、多组分流体相互作用和复杂的孔隙尺度动力学进行可视化和分析。多孔介质中的流体流动和输送多年来一直引起关注, 因为这些系统适用于一些地下过程, 如石油回收、含水层修复和水力压裂^1,2,3,4,5. 使用微观模拟这些复杂的孔隙结构, 通过可视化不同流体相之间的孔隙级动态事件和媒体^6、7、8来获得独特的洞察力^,9,10,11。

传统的硅微观的制造成本昂贵, 耗时, 而且具有挑战性, 但从光学粘合剂构建微观提供了一个相对便宜, 快速, 方便的替代^12,

Protocol

注意: 本协议涉及处理高温烘箱、有毒化学品和 UV 光。请仔细阅读所有的材料安全数据表, 并遵循您的机构的化学品安全指南。

1. 设备设计

1. 在 CAD 软件应用程序中设计掩。
   1. 绘制一个3厘米长和0.5 厘米宽的矩形通道 (图 1b-右上)。
   2. 创建一个表示多孔介质颗粒的封闭形状数组。
      注意: 这些形状被称为柱子, 因为它们将在软光刻过程中成为三维结构。柱子的形状和大小应该是在数十微米的顺序, 并且有间距十到100微米。可以使用多个开机自检大小来创建异质性, 而在介质中可以保留剖面以模拟断开。
   3. 绘制大约1/3 宽于多孔介质剖面的进风口通道。绘制一个从入口端口产生的通道作为一个排水管。
   4. 在整个设计中绘制一个边界框, 从设计中至少要有1.0 厘米的间隙。
      注意: 边界框和设计边框之间的区域, 以及柱子, 都要在掩上透明。
2. 向公司提交 cad 文件以进行高分辨率 cad 打印
   注: 可选: 用于泡沫驱实验, 设计微流体泡沫发生器 (图 1a)。重复步骤 1, 省略了设计异质性和边界框。在多孔介质设计之前, 建议在入口处引入流聚焦几何。掩上的流动空间应该是透明的。

Results

在这个例子实验中, 水沫被用来取代中东原油 (具有 5.4 cP 的黏度和40°的 API 重力) 在具有层状渗透率对比度的非均匀多孔介质中。一种模型的泡沫发生器连接到以前完全浸透原油的光学粘合剂。图 1a显示了掩泡沫发生器、光刻胶图案硅晶片和已完成的泡沫发生器的 CAD 设计, 并插入了入口和出口管。图 1b显示了具有分层渗透率对比度的异构光学粘接模型多孔介质的对应图像。请注意掩设计中各自透明和不透明的部分。如图 2所示, 粗泡沫是由流聚焦几何生成的, 其中气体和液体是合作的。该示范的总流量为0.8 毫升/小时, 氮气气体分数流约为90%。表面活性剂溶液是1:1 的α烯烃磺酸 C14-16 的比例为十二烷基甜菜碱浓度为 1%。1% 浓度的蓝色食品级染料是在水相中使用, 以帮助区分这一阶段与设备的职位。一个更细的泡沫纹理是产生泡沫从流聚焦部分传播通过均匀泡沫发生器模型。较小的气泡通常被观察出阵列.......

Discussion

本协议研究光学胶粘剂中的油回收过程, 微观在 non-polymeric 微观 (如玻璃或硅) 的鲁棒性和微流体器件的简易制造之间取得了平衡。与玻璃或光学粘合剂制成的微观不同的是, 该设备缺乏对光有机物种的抵抗力。由于这些器件的表面具有不稳定的润湿性能, 而且聚合物基体可渗透到气体¹⁹, 因此, 微观也不太适合进行许多实验。相比之下, 光学胶粘剂的润湿性比硅橡胶更稳定, 而且对气体的渗透性更低^20,21,22。具体地说, 在 O₂等离子处理后的几天内, 光学胶粘剂的水接触角保持稳定, 相比之下, 与现在的时间相比, 它的²¹。因此, 以最小的额外的努力, 构建微观的光学胶粘剂, 而不是硅橡胶, 提供了更好的耐溶剂性, 更稳定的润湿性, 和较低的渗透性气体。光学胶粘剂不替换玻璃和硅微观, 然而, 因为这些材料能承受更高的温度和压力。此外,.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
3 mL Leur-Lok 注射器	Fischer Scientific	14-823-435
10 mL 玻璃注射器	Fischer Scientific	1482698G
光掩模	CAD/Art 服务
硅晶圆	大学晶圆	452
丙烯-乙二醇-甲基-醚-乙酸酯	Sigma Aldrich	484431-4L
150 mm 玻璃培养皿	Carolina Biological Supply	#721134
60 mm 塑料培养皿	Carolina Biological Supply	#741246
面罩对准器	EV 组	EVG 620
1 mm 活检打孔器	Miltex， Plainsboro， NJ	69031-01
工业分配吸头	CML 供应	量规 23
倒置显微镜	奥林巴斯	IX-71
等离子系统	Harrick 等离子体	PDC-32G	等离子清洗剂
聚二乙酰硅氧烷 （PDMS）	道康宁，米德兰，密歇根	SYLGARD 184
Norland 光学胶粘剂 81 （NOA81） 或 （OA）	Norland Products Inc.	8116	光学胶粘剂
Quick Set 环氧树脂	Fisher Scientific	4001
载玻片	Globe Scientic Inc.	1321
SU-8 2015 光刻胶	MicroChem	SU-8 2015	光刻胶
注射泵	哈佛仪器	Fusion 400
玻璃毛细管	SGE 分析科学	1154710C
高速相机	视觉研究	V 4.3
聚乙烯管	Scientific Commodities Inc.	#BB31695-PE/3