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^{12,13, 14,15}。与其它聚合物微观相比, 光学胶粘剂具有更稳定的表面润湿性能。例如, 在典型的位移实验¹⁶过程中, 烷 (模型) 的表面会很快变得疏水性。此外, 该杨氏模量为 2.5 mpa, 而光学胶粘剂的弹性模量为325兆帕斯卡^13,17,18。因此, 光学胶粘剂不易受压力引起的变形和通道失效。重要的是, 固化的光学胶粘剂是更抗膨胀的低分子量有机成分, 这使得实验涉及原油和轻溶剂进行¹⁸。整体而言, 光学胶粘剂是一种优越的替代品, 以硅的位移研究, 涉及原油时, 微观是令人望而却步的复杂或昂贵和高温和压力的研究是不需要的。

本出版物所述的协议提供了光学胶粘剂微观的 step-by 步骤制作说明, 并报告了确保在操作少量流体方面成功的微妙技巧。首先介绍了基于软光刻的光学胶粘剂的设计与制作微观。然后, 给出了流量控制的超低流速的流体置换策略。然后给出了一个典型的实验结果。本实验揭示了原油和异质多孔介质存在下泡沫失稳和传播行为。最后, 报道了典型的图像处理和数据分析。

本文所提供的方法适用于封闭微通道空间中涉及多相流和相互作用的可视化应用。具体地说, 该方法针对大于5和小于700µm 的特征微特征分辨率进行了优化. 典型流速为0.1 到1毫升/小时。在研究原油或光溶剂在水中或气态流体的位移时, 根据这些优化参数在环境条件下的顺序, 本协议应该是适当的。

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。

2. 模具制造

1. 在洁净室中创建光刻胶图案的硅片主模
   1. 自旋涂层20µm 层的光刻胶到一个新的硅片在 2000 rpm 三十年代。
   2. 软烘烤圆片在一个热的板材在二增量:65 ° c 为 1 min 跟随95° c 为 3 min。
   3. 使用掩模器将光刻胶层与 CAD 设计一起使用恒定用量为150兆焦耳/cm²。
   4. 在热板上进行两次后烘烤:65 ° c, 1 分钟, 其次为95° c, 3 分钟. 允许硅片冷却5分钟。
   5. 在玻璃结晶盘中, 将硅片浸入100毫升的丙烯乙二醇甲基醚醋酸酯中。用手轻轻搅动10分钟以开发光刻胶图案。用异丙醇冲洗, 在干燥的气流下烘干晶片。
   6. 硬烤晶圆片上的热板两个增量: 120 ° c 为5分钟, 其次为150° c 为 10 min. 允许硅片冷却15分钟。
2. 铸造硅晶片到硅片主模
   1. 在无尘一次性容器内共混合30克的硅橡胶弹性体和固化剂, 其比例为5:1。
   2. 在真空干燥的30分钟。
   3. 在一个 150 mm 的玻璃培养皿中, 将硅晶片倒入光刻胶图案的硅片主模上。
   4. 在80° c 烤箱中放置含有晶片和硅氧烷的培养皿1小时。
   5. 从烤箱中取出培养皿, 使其含量达到室温。
      注意: 此过程可能在此时暂停。
3. 将模式转移到光学粘合剂中的硅橡胶模具的制备
   1. 小心地用手术刀切割出的硅氧烷模具, 并剥离模具远离晶片。
   2. 使用透明胶带清洁和保护硅橡胶模具。
      注意: 此过程可能在此时暂停。
   3. 放置在一个无尘 60 mm 塑料培养皿底部的硅橡胶模具, 图案的一面。让十年代的硅橡胶坚持塑料。
   4. 用透明胶带保护表面, 直到台阶3.1.1。
      注: 可选: 制造泡沫发生器, 重复步骤2.1。通过2.3.2。用于泡沫发生器的设计。

3. 光学粘接装置的制作

1. 将光学粘合剂投射到硅橡胶模具上
   1. 将胶带从图案表面取出, 并将光学粘合剂倒入 150 mm 培养皿中, 使其深度约0.9 厘米以上。用棉签轻轻地除去任何气泡。
2. 在紫外光系统中, 在紫外线照射下固化光粘合剂共40分钟, 如 3.2.1-3.2.5 步骤所述。
   注意: 在使用 UV 光源时应佩戴适当的防护。
   1. 将培养皿暴露在 UV 光 (254 nm) 中5分钟。
   2. 反转培养皿, 使底部现在面对 uv 光源, 并将残缺不全暴露在紫外线下5分钟。
   3. 反转培养皿, 将其返回至直立位置, 并将顶部重新至 UV 光5分钟。
   4. 再次倒置的培养皿, 并重新底部的一面紫外线10分钟。
   5. 将培养皿反转至直立位置, 并将顶部重新至 UV 光15分钟。
      注: 只有在使用指定的 PSD-UV 设备 (材料表) 时, 3.2.1 通过3.2.5 的步骤中的固化过程才适用。固化时间会因所使用的特定光源和光学粘合层的精确厚度而异。
3. 从硅橡胶模具中取出固化的光学粘合剂
   1. 使用盒式切割机, 仔细打破了培养皿模具的光学粘合剂。
      注意: 框刀刀片非常锋利, 可以很容易地切割肉。在坏的培养皿的锋利边缘工作时要小心。
   2. 使用一把坚固的剪刀从设计的边缘去除多余的光学粘合剂。
   3. 慢慢剥离的硅橡胶模具远离光学胶粘剂冰球。用透明胶带保护光学胶粘剂表面的图案部分和硅橡胶表面。
   4. 使用1.0 毫米活检冲床, 以创建入口, 出口和排水孔。用透明胶带保护带图案的光学粘合剂。
4. 准备基板
   1. 将1毫升的光学粘合剂放到新的玻片上, 并在两个步骤中旋转滑动: 500 rpm 为5秒, 二十年代为 4000 rpm。
   2. 将基板快速转移到 uv 光处理, 并在三十年代 uv 光下部分固化薄光胶层。
5. 粘合在基板上的光学粘合剂
   1. 将光学粘合剂浇铸, 图案的一面上, 和承印物, 涂边, 在一个 O₂等离子清洗器。等离子清洁表面为二十年代在 540 mTorr。
   2. 将两个待处理的表面牢固地压紧, 直到所有不受欢迎的空气袋被最小化或移除。
   3. 在紫外线照射下充分固化20分钟的设备。
      注意: 对于 UV 灯, 请佩戴防护眼镜、实验室大衣、手套、等的适当保护。
   4. 将设备放在50° c 的热板上18小时。
6. 将6英寸长的 0.58 mm ID 低密度聚乙烯油管 (PE/3) 插入设备上的每个端口。
7. 使用5分钟 quick-set 环氧树脂, 以确保油管到位。
   注: 可选: 要完成泡沫发生器, 重复步骤 3.5.1, 3.5.2, 3.6, 和3.7。使用泡沫发生器和新的玻璃幻灯片, 而不是光学粘合剂铸造和准备基板, 分别。

4. 驱油试验

1. 在装有高速摄影机的倒置显微镜上, 准备微流控装置的影像。使用磁带将设备固定到显微镜阶段。使用4X 目标, 关注感兴趣的领域 (君)。
2. 准备注射液
   注: 对于三相系统, 应将染料添加到清除置换液中, 以便为图像分析提供颜色对比度。
   1. 将3毫升的原油或模型油样品装入10毫升的玻璃注射器中, 配有23计的工业配药尖端。将注射器固定在注射器泵座上, 并在注射器泵设置上设置合适的直径值。
   2. 将1毫升的置换液装入3毫升的塑料注射器, 配有23计的工业配药尖端。将注射器固定在注射器泵座上, 并在注射器泵设置上设置合适的直径值。
      注: 可选: 用于发泡试验, 将10米长的25µm 直径的玻璃毛细管连接到 N 个₂气罐中, 并将气体压力设置为所需的气体流速, 以达到从校准曲线中获得的要求。允许10分钟的气体流量到平衡。
3. 含油的光学粘接型多孔介质装置的饱和
   1. 通过将针尖插入 PE/3 管, 将置换液连接到装置的入口。
      注: 可选: 当泡沫被用作置换阶段时, 将置换液注射器连接到泡沫发生器的入口。通过将毛细管插入23口径工业配药尖端, 并用 quick-set 环氧密封环缝, 将气毛细管连接到泡沫发生器的第二入口口。发泡发生器的出口, 然后使用23口径连接器连接到光学粘接装置的入口。
   2. 通过将针头插入 PE/3 油管, 将油注射器连接到装置的入口。
   3. 开始在2毫升/小时内将油进入光学粘接装置的出口口, 同时将置换液流动到0.8 毫升/小时的入口口, 这样两种流体都流出排泄口。置换液不应进入多孔介质。收集20毫升玻璃瓶中的废水。
4. 开始拍摄的多孔介质设备上的一帧速率足够快, 以捕捉所需的现象。一个典型的帧速率是 50 fps。捕获100% 油饱和区域的静止图像。
5. 迅速和同时削减 PE/3 油管是流动在油使用剪刀, 而夹在排水管管与一个5厘米的粘合剂钳。
6. 允许置换液侵入设备, 直到油排量达到稳定状态或相机耗尽内存。

5. 图像和数据分析

1. 使用免费的图像分析软件, 如图像 J, 或使用 MATLAB 中的图像分析工具箱对实验的素材进行分析。
   1. 利用100% 油饱和通道的静止图像, 计算了多孔介质的孔隙率。
2. 用以下公式计算孔隙体积:
   
3. 利用图像分析软件确定的油饱和度, 作为总流空间的一小部分, 在每个帧的视频片段中进行实验。对于两相位移实验, 每个框架的置换相饱和度可以计算为:
   
4. 准备一个含油饱和度与注入液的孔隙量的图
   注: 可选: 对于三相系统, 如泡沫位移实验, 使用 MATLAB 图像分析工具箱, 使用每个阶段的特征 RGB 范围对每个置换阶段进行颜色分类。准备一个图, 显示饱和的所有三阶段与注入孔隙体积。

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