Summary
המטרה של הליך זה היא לייצר בקלות, במהירות מכשיר microfluidic עם גאומטריה להתאמה אישית והתנגדות נפיחות על ידי נוזלים אורגניים ללימודי שחזור שמן. תבנית polydimethylsiloxane שנוצר first, ואז השתמש להטיל את המכשיר על בסיס אפוקסי. הזחה נציג מחקר הוא דיווח.
Abstract
Microfluidic התקנים הן כלי רב-תכליתי ללמוד תחבורה תהליכים בקנה מידה מיקרוסקופי. דרישה קיימת עבור התקנים microfluidic שרכיבי שמן הם עמידים בפני נמוך משקל מולקולרי, בניגוד התקנים המסורתי polydimethylsiloxane (PDMS). כאן, נדגים שיטה נתיישב להפיכת התקנים עם מאפיין זה ולהשתמש אנחנו התוצר של פרוטוקול זה לבחינת המנגנון בקנה מידה נקבובית מאת נפט גולמי משחזרת איזה קצף. דפוס ראשון נועד באמצעות תוכנת תכנון בעזרת מחשב (CAD) מודפס על שקיפות עם מדפסת ברזולוציה גבוהה. דפוס זה מועבר מכן photoresist באמצעות הליך ליתוגרפיה. PDMS היא להטיל על התבנית, נרפא בתנור, להסיר כדי לקבל תבנית. פולימר crosslinking תיול-ene, נפוץ כמו דבק אופטי (OA), ואז שפכו אל העובש, נרפא תחת אור UV. כייר PDMS מעלה, לקלף מן השחקנים דבק אופטי. מצע זכוכית ואז מכינים, שני החצאים של המכשיר נדבקות. מכשירים מבוססי דבק אופטי הם עמידים יותר מאשר מכשירים microfluidic PDMS המסורתי. המבנה אפוקסי עמיד בפני נפיחות על ידי ממיסים אורגניים רבים, אשר פותח אפשרויות חדשות לניסויים מעורבים אור נוזלים אורגניים. בנוסף, אופן הפעולה של פני השטח wettability של התקנים אלה הוא יציב יותר מזו של PDMS. הבנייה של התקנים אופטיים microfluidic דבק היא פשוטה, עדיין דורש מצטבר יותר מאמץ מאשר ביצוע של מכשירים מבוססי PDMS. כמו כן, על פי התקנים אופטיים דבק יציבים נוזלים אורגניים, הם עשוי להפגין בונד מופחתת-כוח אחרי הרבה זמן. התקנים אופטיים microfluidic דבק יכול להתבצע בגיאומטריות לשמש micromodels דו-ממדי עבור מדיה נקבובי. התקנים אלה מוחלים במחקר של שמן הזחה לשפר את ההבנה שלנו של המנגנונים נקבובית בקנה מידה מעורב שמן משופר שחזור ואקוויפר תיקונים.
Introduction
מטרת שיטה זו היא להמחיש וניתוח אינטראקציות נוזלים שלב מרובה, מרובה רכיבים ואת הדינמיקה מורכבת נקבובית בקנה מידה בתקשורת נקבובי. זרימת נוזל ותעבורה בתקשורת נקבובי היה עניין במשך שנים רבות כי מערכות אלו חלים מספר תהליכי מהסבא כגון שמן השחזור, אקוויפר תיקונים הידראולי שבירה1,2, 3 , 4 , 5. שימוש micromodels כדי לחקות הנקבובית-מבנים מורכבים אלה, תובנות ייחודיות שרכשו דמיין נקבובית ברמת אירועים דינמיים בין השלבים נוזלים שונים של מדיה6,7,8 ,9,10,11.
הזיוף של micromodels מסורתיים מבוססי-סיליקה הוא יקר, זמן רב, ומאתגר, אך בניית micromodels של דבק אופטי מציע זול יחסית, מהיר וקל חלופי12,13, 14,15. לעומת אחרים micromodels מבוסס פולימר, דבק אופטי מוצגים מאפייני להרטיב משטח יציב יותר. לדוגמה, משטחים דגם נייר polydimethylsiloxane (PDMS) עלול להפוך במהרה הידרופובי במהלך ניסוי טיפוסי הזחה16. יתר על כן, האלסטיות של PDMS הוא 2.5 MPa ואילו זה של דבק אופטי 325 MPa13,17,18. לכן, דבק אופטי הוא נוטה פחות לחץ כשל דפורמציה וערוץ המושרה. חשוב, נרפא דבק אופטי הוא הרבה יותר עמיד בפני נפיחות על ידי רכיבים אורגניים של משקל מולקולרי נמוך, אשר מאפשרת ניסויים מעורבים נפט גולמי ו ממיסים אור להיות מתנהל18. באופן כללי, אופטי דבק היא אלטרנטיבה מעולה PDMS עבור הזחה מחקרים שכללו נפט גולמי כאשר מבוסס-סיליקה micromodels מורכב או יקר מדי, מחקרים טמפרטורה ולחץ גבוהים אינם נדרשים.
פרוטוקול המתוארים בפרסום זה מספק את הוראות שלב אחר שלב ייצור micromodels דבק אופטי ודוחות את הטריקים עדין המבטיחים הצלחה המניפולציה של כמויות קטנות של נוזלים. ייצור של micromodels אופטי מבוסס דבק עם הדפס אבן רכה ועיצוב מתוארת לראשונה. לאחר מכן, האסטרטגיה הזחה נוזלים ניתנת על המחירים תזרים נמוך במיוחד, כי הם בדרך כלל בלתי ניתנת להשגה עם בקרי זרימת מסה. בשלב הבא, תוצאה ניסיוני נציג ניתנת כדוגמה. ניסוי מגלה קצף הקשורה והתפשטות התנהגות זו בנוכחות נפט גולמי ומדיה נקבובי הטרוגנית. לבסוף, עיבוד תמונה אופיינית וניתוח נתונים הוא דיווח.
השיטה ניתן כאן מתאים ליישומים ויזואליזציה מעורבים שלב רב זרימה ואינטראקציות בחללים סגורים microchannel. באופן ספציפי, שיטה זו ממוטבת עבורו החלטות מיקרו-תכונה אופיינית גדול מ- 5, פחות מ-700 מיקרומטר. זרימה טיפוסי תעריפי הסדר 0.1 עד 1 mL/h. במחקרים של נפט גולמי או עקירה הממס אור על ידי נוזלים מימית או גזי הסדר הפרמטרים האלה וממליצה על תנאי הסביבה, פרוטוקול זה צריך להיות מתאים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
התראה: פרוטוקול זה כרוך בטיפול תנור בטמפרטורה גבוהה, כימיקלים רעילים, אור UV. אנא קרא בעיון את כל הסדינים נתוני בטיחות חומרים, ההנחיות בטיחות כימית של המוסד שלך.
1. עיצוב המכשיר
- עיצוב של photomask ביישום תוכנה CAD.
- לצייר ערוץ מלבני ארוך 3 ס"מ, 0.5 ס"מ (איור 1b-למעלה מימין).
- ליצור מערך של צורות ייצוג גרגירים של התקשורת נקבובי.
הערה: צורות אלה מכונים הודעות כי הם יהפכו מבנים תלת מימדיים במהלך תהליך ליתוגרפיה רך. הצורה והגודל של ההודעות צריך להיות גודל עשרות מיקרונים, יש את הריווח בין 10 ל-100 מיקרון. מספר רב של גדלים פוסט עשוי להיות מועסק כדי ליצור הטרוגניות, מקטע ניתן להשאיר חשוף של הודעות כדי לדמות שבר בכלי התקשורת. - צייר ערוצי כניסת ולשקע המהווים כשליש ככל שרוחב המקטע מדיה נקבובי. צייר ערוץ הנובעים מן הנמל כניסת לפעול כמו ניקוז.
- ציירו תיבה תוחמת סביב העיצוב כולו עם מינימום של 1.0 ס מ סיווג של העיצוב.
הערה: האזור בין התיבה התוחמת והגבולות של העיצוב, כמו גם את ההודעות, הן לשקופות על photomask.
- לשלוח את קובץ CAD לחברה עבור CAD ברזולוציה גבוהה להדפסה
הערה: אופציונלי: עבור ניסוי הזחה קצף, עיצוב גנרטור קצף microfluidic (איור 1 א'). חזור על שלב 1, תוך השמטת את הטרוגניות עיצוב של התיבה התוחמת. הגיאומטריה התמקדות זרימה מומלצת-הים לפני העיצוב מדיה נקבובי. החללים זרימה צריך להיות שקוף על photomask.
2. PDMS עובש ייצור
- ליצור תבנית מאסטר של פרוסות סיליקון בדוגמת photoresist בחדר נקי
- ספין-קואט שכבה 20 מיקרומטר של photoresist על גבי רקיק סיליקון חדש ב-2000 סל ד ל 30 s.
- רכות אופים את לחם הקודש על פלטה חמה בהפרשים קבועים שני: 65 ° C עבור 1 דקות ולאחריו 95 מעלות צלזיוס למשך 3 דקות.
- להשתמש aligner מסכת של דפוס השכבה photoresist עם עיצוב CAD בעזרת מינון קבוע של mJ/cm 1502.
- לבצע את העוגות לאחר חשיפה על פלטה חמה בהפרשים קבועים שני: 65 ° C עבור 1 דקות ולאחריו 95 מעלות צלזיוס במשך 3 דקות אפשר כשהפחד כדי להתקרר למשך 5 דקות.
- לטבול את לחם הקודש ב- 100 מ של פרופילן-גליקול-מתיל-אתר-אצטט בקערת זכוכית התגבשות. בעדינות להתסיס בעבודת יד 10 דקות לפתח את התבנית photoresist. לשטוף אותו עם אלכוהול איזופרופיל ויבש כשהפחד תחת זרם של אוויר יבש.
- קשה לאפות את לחם הקודש על פלטה חמה בהפרשים קבועים שני: 120 מעלות למשך 5 דקות ולאחריו 150 מעלות במשך 10 דקות אפשר כשהפחד להתקרר למשך 15 דקות.
- השחקנים PDMS על גבי כייר מאסטר של וופל סיליקון
- מערבבים סך של 30 גרם של אלסטומר PDMS, הסוכן ריפוי ביחס 5:1 בתוך מכולה ללא אבק חד פעמיים.
- דגה את PDMS ב desiccator ואקום למשך 30 דקות.
- שופכים את PDMS על גבי כייר מאסטר של וופל סיליקון בדוגמת photoresist בכוס 150 מ מ פטרי.
- מניחים על צלחת פטרי המכילות את וופל ואת PDMS בתנור 80 מעלות לשעה.
- להסיר הפטרי מהתנור ומאפשרים את התוכן להגיע לטמפרטורת החדר.
הערה: ההליך עשוי להיות להשהות בשלב זה.
- היכונו, התבנית PDMS העברת דפוס דבק אופטי
- בזהירות לחתוך את התבנית PDMS החוצה באמצעות אזמל, לקלף את התבנית מן כשהפחד.
- לנקות ולהגן כייר PDMS באמצעות סרט דביק ברורה.
הערה: ההליך עשוי להיות להשהות בשלב זה. - מניחים את התבנית PDMS, דפוס מקצה לקצה, בחלק התחתון של פלסטיק ללא אבק 60 מ מ פטרי. לאפשר 10 s עבור PDMS לדבוק הפלסטיק.
- להגן על פני השטח של PDMS עם קלטת פלסטיק שקוף עד שלב 3.1.1.
הערה: אופציונלי: כדי להפוך את הגנרטור קצף, חזור על שלבים 2.1. דרך 2.3.2. על העיצוב קצף-גנרטור.
3. ייצור המכשיר דבק אופטי
- דבק אופטי יצוקה כייר PDMS
- הוצא את הקלטת פני בדוגמת PDMS, שופך דבק אופטי לתוך 150 מ מ עד לעומק של-0.9 ס מ מעל המשטח העליון של עובש PDMS צלחת פטרי. בעדינות להסיר את כל הבועות עם כל סוג של אוזניים.
- לרפא את דבק אופטי תחת אולטרא סגול עבור סכום כולל של 40 דקות כפי שתואר בשלבים 3.2.1 - 3.2.5 במערכת PSD-UV.
התראה: לענוד הגנה הולמת בעת עבודה עם אור UV.- לחשוף את צלחת פטרי לאור UV (254 ננומטר) במשך 5 דקות.
- היפוך הפטרי כך התחתון כעת מול המקור UV, לחשוף את הצד התחתון אור UV במשך 5 דקות.
- היפוך הפטרי להחזירו במצב זקוף, מחדש לחשוף את הצד העליון לאור אולטרא סגול במשך 5 דקות.
- היפוך הפטרי הפוך שוב, מחדש לחשוף את הצד התחתון לאור אולטרא סגול למשך 10 דקות.
- היפוך הפטרי חזרה למצב זקוף, וחושפים מחדש את הצד העליון לאור אולטרא סגול למשך 15 דקות.
הערה: ההליך ריפוי בשלבים 3.2.1 דרך 3.2.5 ישימה רק כאשר המנגנון PSD-UV שצוין נמצא בשימוש (טבלה של חומרים). פעמים לרפא ישתנו בהתאם את המנורה ספציפי המשמש ועל העובי מדויק של שכבת דבק אופטי.
- הסר את נרפא דבק אופטי כייר PDMS
- השתמש ובשנייה לשבור בקפידה את דבק אופטי מחוץ כייר פטרי.
התראה: תיבת קאטר להבים חדים מאוד, יכול בקלות לחתוך בשר. להיזהר בעת עבודה בקצוות חדה של צלחות פטרי שבור. - השתמש זוג מספריים חסון כדי להסיר עודפי דבק אופטי מהקצה של העיצוב.
- לאט לאט מקלפים כייר PDMS מן הדיסקית דבק אופטי. להגן על חלקים בדוגמת השטח דבק אופטי, פני השטח PDMS עם הסרט השקוף.
- להשתמש אגרוף ביופסיה 1.0 מ מ כדי ליצור כניסה, אאוטלט, ניקוז חורים. להגן על הדבק אופטי בדוגמת עם הסרט השקוף.
- השתמש ובשנייה לשבור בקפידה את דבק אופטי מחוץ כייר פטרי.
- הכנת המצע
- לוותר על 1 מ"ל של דבק אופטי שקופית זכוכית חדשה, והמעיל ספין-השקופית בשני שלבים: 500 סל ד 5 s אז 4,000 סל ד 20 s.
- העבר במהירות את המצע לטיפול אור UV, ולרפא חלקית את שכבת דבק אופטי דק תחת אולטרא סגול ב-30 s.
- בונד שהדבק אופטי (cast) המצע
- מקם את הגבס דבק אופטי בצד בדוגמת למעלה, את המצע, מצופה מקצה לקצה, בפלסמה O2 מנקה. פלזמה לנקות את השטח עבור 20 s ב 540 mTorr.
- לחץ בחוזקה את שני המשטחים שטופלו יחד עד כל כיסי אוויר רצויה ממוזער או הוסר.
- לרפא לחלוטין את המכשיר תחת אור UV עבור 20 דקות.
התראה: עבור אור UV, ללבוש הגנה הולמת כגון משקפי מגן, חלוק, כפפות, וכו '. - מניחים את המכשיר על פלטה חמה ב 50 מעלות צלזיוס במשך 18 h.
- להוסיף קטע ארוך 6 אינץ של פוליאתילן בצפיפות נמוכה מ מ 0.58 מזהה, אבובים (PE/3) לתוך כל אחד הנמלים על המכשיר.
- השתמש אפוקסי להגדיר מהיר של 5 דקות כדי לאבטח את הצנרור במקום.
הערה: אופציונלי: כדי להשלים את הגנרטור קצף, חזור על שלבים 3.5.1, 3.5.2, 3.6 ו- 3.7. שימוש PDMS קצף-מחולל את השחקנים ואת כוס חדשה שקופיות, במקום השחקנים דבק אופטי ואת מוכנה מצעים, בהתאמה.
4. שמן הזחה ניסוי
- הכן את התקן microfluidic לדימות על מיקרוסקופ הפוכה מצויד with a מצלמה במהירות גבוהה. לתקן את המכשיר אל הבמה מיקרוסקופ באמצעות הקלטת. שימוש מטרה X 4, להתמקד באזור עניין (AOI).
- להכין את הנוזלים הזרקה
הערה: עבור מערכות תלת-פאזי, צבע יש להוסיף כדי לנקות את הנוזלים והותירו לספק ניגוד צבע עבור ניתוח תמונות.- עומס 3 מ"ל של נפט גולמי או מודל דוגמית שמן לתוך מזרק זכוכית 10 מ ל מצויד 23 מד עצה שחולק תעשייתי. לאבטח את המזרק. בעל משאבת מזרק והגדר את הערך בקוטר המתאים על ההגדרות משאבת מזרק.
- עומס 1 מ"ל של נוזל והותירו לתוך מזרק פלסטיק 3 מ ל מצויד 23 מד עצה שחולק תעשייתי. לאבטח את המזרק. בעל משאבת מזרק והגדר את הערך בקוטר המתאים על ההגדרות משאבת מזרק.
הערה: אופציונלי: לניסויים דור קצף, לחבר 10 מ' מיקרומטר זמן 25 קוטר נימי שפופרת זכוכית כדי מיכל גז N2 ולהגדיר לחץ הגז את הערך הרצוי עבור קצב הזרימה גז הנדרשים כפי המתקבל עקומת כיול. לאפשר 10 דקות עבור זרימת הגז equilibrate.
- להרוות את התקן מדיה נקבובי דגם אופטי דבק עם שמן
- לחבר את הנוזלים והותירו לים של ההתקן על-ידי הוספת קצה המחט לאורך צינור PE/3.
הערה: אופציונלי: כאשר הקצף משמש בתור שלב והותירו, לחבר את המזרק נוזלים והותירו לים של הגנרטור קצף. לחבר את נימי גז היציאה כניסת השניה על הגנרטור קצף על-ידי הוספת את צינור קפילרי טיפ שחולק התעשייה 23-מד ואיטום טבעת עם אפוקסי להגדיר מהיר. השקע של הגנרטור קצף מחובר ואז לים של המכשיר דבק אופטי באמצעות מחבר 23-מד. - לחבר את המזרק מלא שמן לים של ההתקן על-ידי הוספת קצה המחט לאורך צינור PE/3.
- להתחיל לזרום הנפט ליציאת ה-outlet של התקן אופטי דבק-2 מ"ל/h בזמן בו זמנית זורם הנוזל והותירו לתוך הנמל כניסת ב 0.8 מ ל/h כך שני שני שהזרימה החוצה מהנמל הניקוז. הנוזל והותירו לא צריך להיכנס התקשורת נקבובי. לאסוף למסקנות בבקבוקון זכוכית 20 מ.
- לחבר את הנוזלים והותירו לים של ההתקן על-ידי הוספת קצה המחט לאורך צינור PE/3.
- להתחיל לצלם את AOI בהתקן מדיה נקבובי בקצב מסגרת מהר מספיק כדי ללכוד את התופעות הרצוי. קצב מסגרות טיפוסי הוא 50 fps. לכידת תמונה דוממת של האזור רווי שמן 100%.
- בו זמנית ובמהירות חותכים לאורך צינור PE/3 הזורמים הנפט באמצעות מספריים תוך מחבר חובק למעקה את צינור הניקוז עם מלחציים בינדר 5 ס מ.
- לאפשר את הנוזלים והותירו לפלוש המכשיר עד העקירה שמן מגיע מצב יציב או המצלמה שנגמר זיכרון.
5. התמונה וניתוח נתונים
- השתמש תוכנת ניתוח תמונה חופשית כמו J התמונה או להשתמש בארגז הכלים ניתוח התמונה ב- MATLAB כדי לנתח את הסרט של הניסוי.
- באמצעות את תמונת הסטילס של הערוץ רווי שמן 100%, לחשב את נקבוביות ביחידות של אחוזים עבור המדיה נקבובי AOI.
- לחשב את נפח נקבוביות באמצעות המשוואה הבאה:
- השתמש בתוכנת ניתוח התמונה כדי לקבוע את הרוויה שמן, כשבר של המרחב תזרים סה כ, בכל מסגרת של הוידאו מהניסוי. עבור שלב שני ניסויים הזחה, הרוויה שלב והותירו בכל מסגרת עשויה יש לחשב:
- להכין מגרש של שמן רוויה אחוזים לעומת נקבובית נפחי נוזל מוזרק
הערה: אופציונלי: עבור שלב שלוש מערכות כגון אלה של קצף הזחה ניסויים, השתמש בארגז הכלים ניתוח התמונה MATLAB לקטלג כל שלב והותירו לפי צבע באמצעות הטווח RGB אופיינית עבור כל שלב. להכין מגרש מציג את saturations של כל שלושת השלבים עם נקבובית מוזרק כרכים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
בניסוי זה דוגמה, קצף מימית משמש כדי לתפוס את המזרח התיכון נפט גולמי עם (צמיגות של 5.4 cP) ו- API הכובד של 40 ° בתקשורת נקבובי הטרוגנית עם חדירות בשכבות ניגודיות. גנרטור קצף PDMS מחובר דגם נייר דבק אופטי אשר בעבר היה רווי לחלוטין עם נפט גולמי. איור 1a מציג עיצוב CAD photomask עבור PDMS קצף מחולל את פרוסות סיליקון בדוגמת photoresist, הגנרטור קצף השלים עם צינורות כניסת ולשקע מוכנס. איור 1b מציג תמונות המתאימות עבור התקשורת נקבובי הטרוגנית אופטי דגם דבק עם חדירות בשכבות ניגודיות. הערה על החלקים שקוף ואטום בהתאמה של עיצוב photomask. כפי שמוצג באיור2, קצף גס נוצר על ידי הגיאומטריה מיקוד זרימה שאליה גז ונוזלים הם מוזרקים משותפת. קצב הזרימה הכולל שנבחר להדגמה זו היא 0.8 מ ל/שעה עם גז חנקן זרם החלקי של-90%. הפתרון חומרים פעילי שטח בשימוש הוא יחס של 1:1 של אלפא אולפין סולפונאט C14-16 כדי לאוריל betaine-בריכוז 1 wt %. Wt 1% ריכוז של כיתה המאכל הכחול משמש בשלב מימית כדי לסייע להבחין בין שלב זה מן ההודעות המכשיר. מרקם קצף פיינר מופק כמו קצף מהסעיף מיקוד זרימה מופצות דרך דגם נייר מחולל-קצף הומוגנית. בועות קטנות בדרך כלל שנצפו יציאה המטריקס עם תבנית יותר מאלה שבוצעו על-ידי הצורה הגיאומטרית מיקוד זרימה לבד. ברגע קצף יציב דור מושגת, היא זרימה קצף ואז מופנית אל אופטי דגם נייר דבק כדי לתפוס את הנפט הגולמי. קטעי וידאו של תהליך העקירה נלכדו ב 50fps על ידי מצלמה במהירות גבוהה, אשר אפשרה לעיבוד תמונה בצילומים. איור 3, רוויה פרופילים עבור כל שלב נוזל שורטטו כפונקציה של כרכים הכולל נקבובית מוזרקים נוזלים.
טכניקות עיבוד התמונה גם מאפשרים לנו לכמת את הנוזלים קצף והפניית שלב ההפרדה בין שכבות שונות. צינור קפילר הכוחות בין שלבים שונים לנהוג יותר של הנוזל האזור חדירות נמוכה יותר ויותר של הגז באזור חדירות גבוהה יותר. איור 4 מראה רוויה השינויים שהתרחשו במהלך העקירה נפט גולמי ניסוי כפונקציה של נוזל מוזרק הכולל הנקבוביות כרכים. כפי שחזיתי, על מצב יציב, רוויה גז היה גבוה משמעותית באזור חדירות גבוהה בהשוואה לזה באזור נמוך-חדירות.
בנוסף ניתוח השינוי רוויה במהלך הניסוי הזחה ' שמן ', סדרה של אירועים ברמת נקבובית כגון הקשורה קצף, בועות הדור, שמן lamellae היווצרות הנפט הגולמי תחליב יכול גם ניתן לזהות בקלות. איור 5, מוצגים חלק הדינמיקות האלה קצף בנוכחות של נפט גולמי. באיור זה הבועות של עניין הם בצבע ירוק. קצף למה והשלמת, מתלכד בתקשורת נקבובי על ידי מנגנונים כגון נימי שאיבה (איור 5 c), גז פעפוע (איור 5e), תנודות תרמית, או מכני. נפט גולמי יש גם השפעה מזיקה על קצף (5b איור , איור5 d). ההצלחה של קצף הצפה תלוי מנגנונים שונים עבור התחדשות בועה. אנו מזהים מקומיים קצף דור מנגנונים כמו בועה קמצוץ-off (איור 5a) וחילוק lamella (איור 5f).
איור 1: הזיוף של התקני מדיה נקבובי דגם נייר. (א) מחולל קצף מבוססי PDMS: העיצוב CAD, photoresist העובש רקיק סיליקה, ואת ההתקן הושלמה; (b) אופטי דגם נייר דבק מבוסס מדיה נקבובי הטרוגנית עם חדירות בשכבות ניגודיות: עיצוב CAD, כייר photoresist, כייר PDMS, ההתקן הושלמה. פסי סולם עולה כ 2.5 ס מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 2: דור קצף PDMS המבוסס על דגם נייר הומוגנית. קצף גס נוצר באמצעות הזרם התמקדות המכשיר אשר הופך להיות עדינה יותר קצף עובר דרך המכשיר. סרגל קנה מידה מציין 1 מ מ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3: אפיון הזחה נפט גולמי על ידי קצף. (א) תנאי ראשוני: 100% שמן רוויה (נפט גולמי חום, הצבות בלבן); תמונת הרקע בינארי (b) עבור דגם נייר; (ג) מסגרת דגימה מן העקירה נפט גולמי וידאו; (ד) להמיר תמונה לאחר העיבוד Matlab כדי להבחין בין שלבים ברורים שבו ירוק = גז, כחול = פאזה מימית, אדום = לשלב שמן; היסטוריה רוויה (e) (חץ שחור מציין את הזמן מתי צולמה (ג) ). סרגל קנה מידה מציינת 400 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 4: היסטוריה רוויה אזורים שונים כדי להציג את ההפרדה שלב נוזל של קצף והפניית. (א) באזור חדירות גבוהה; (b) חדירות נמוכה באזור; (ג) אזור השבר. התווית על הצירים האנכי מייצג הרוויה של כל שלב (%).
איור 5: קצף dynamics בנוכחות נפט. (א) דור קצף על-ידי בועה קמצוץ-off מנגנון; (b) coalescence בועה בנוכחותו של הנפט הגולמי; (ג) coalescence בועה ביניקה נימי; (ד) קצף הרס באזור השבר; קצף (e) coarsening על ידי פעפוע גז; (נ) דור קצף על ידי lamella-החטיבה. בועות הגז עניין הם בצבע ירוק. סרגל קנה מידה מציינת 400 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
פרוטוקול זה לימוד תהליכי התאוששות שמן micromodels דבק אופטי מכה איזון בין החוסן של micromodels שאינם פולימריים – כגון זכוכית או סיליקון – הזיוף נתיישב המכשירים microfluidic PDMS. בניגוד micromodels עשוי זכוכית או דבק אופטי, PDMS התקנים חוסר ההתנגדות למינים אורגני אור. PDMS micromodels אינם גם אידיאלי עבור ניסויים רבים כי המשטחים של התקנים אלה יש מאפיינים הרטבה לא יציב, ויש מטריצת הפולימר חדיר באמצעות גז19. לעומת זאת, דבק אופטי הראה wettability הרבה יותר יציבה יותר PDMS, זה הרבה פחות חדיר באמצעות גז20,21,22. באופן ספציפי, מים קשר זווית אופטי דבק ישאר יציב במשך ימים לאחר טיפול פלזמה2 O לעומת שעות PDMS21. לכן, במינימום מאמץ נוסף, בניית micromodels של דבק אופטי, יותר מאשר PDMS, מעניקה עמידות הממס יותר יציבה יותר מאפיינים הרטבה, חדירות נמוכה לגז. דבק אופטי מחליף micromodels זכוכית ולא סיליקון, עם זאת, כמו חומרים אלה יכולים לעמוד הרבה טמפרטורות גבוהות יותר, לחצים. יתר על כן, מכשירים אופטיים microfluidic דבק עשוי להפגין בונד השפלה במהלך ניסויים ארוכי טווח14. בהתחשב את הקושי ואת הוצאות של בניית micromodels זכוכית, סיליקון, דבק אופטי הוא עדיין החומר של בחירה לניסויים לטווח קצר של עקירה אמביינט. מעורבים חומרים אורגניים אור. לכן, העסקת אופטי דבק micromodels לימוד תהליכי הבראה של שמן עם נפט גולמי הוא חלופה נתיישב וחסכונית לשימוש עתירי זכוכית, סיליקון micromodels.
תשומת לב רבה צריך להיות משולם כמה היבטים קריטיים של החלק מאסטר-עובש הכנת וופל סיליקון בדוגמת photoresist של הפרוטוקול כדי להימנע מתוצאות לא מוצלח. האימון הראשון, הכי טוב מכתיבה ramping את הטמפרטורות לאט (5 ° C לכל מין) במהלך כל השלבים האפייה. חימום מהיר יכול לגרום תרמי מתח שברים לחם הקודש. שנית, photoresist היטב פרוסות הסיליקון צריך להיות מקודמים לפי הצורך. בעת שימוש חדש רקיק, תקריות ההפרדה צריכה להתרחש לעיתים רחוקות, אך אם הפרדת photoresist ריפא מ כשהפחד בעיה, אז אמצעי המניעה שניתן לנקוט. שטיפה מהירה איזופרופנול ואחריו צעד לאפות מראש ב 110 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות יכול לגרום זיקה photoresist טובה יותר על פני השטח של לחם הקודש. הערה שלישית, כי הפרמטרים שניתן בהליך המינון UV, אפייה פעמים לאפייה בטמפרטורות, פיתוח פעמים יכול להיות רגישים לשינויי הסביבה תנאים, מותג כלי ומספר אצווה כימי. לכן, צריך להיות מוקצה משאבים עבור מספר ניסויים לכוון פרמטרים חשובים אלה כדי למנוע בעיות כגון הפילמור יתר, כשתפוקת תכונות, תכונות בלתי פתורות או הדבקה המסכן על כשהפחד. בתנאי עצות אלה נלקחים בחשבון, סיליקון צריך להיות בהצלחה בדוגמת בקלות יחסית.
בהמשך הפרוטוקול, כמה ניואנסים של הזיוף התקן והשלבים ניסיוני של הליך זה יכול לתרום באופן משמעותי תוצאות מוצלחות. לדוגמה, היחס רכיב PDMS במימדים לא מציע כמה יתרונות. בדרך כלל עבור PDMS cross-linking, משמש אלסטומר 10:1 ל אשפרה הסוכן יחס; עם זאת, יחס של 5:1 מאפשר פולימר קשוח זה מרפא מהר יותר ולהשתמש יותר פעמים. לשם הכנת המכשיר עצמו דבק אופטי, צריך לציין כי השלבים לריפוי מכוונים הכל בדיוק כדי להימנע ממלכודות הפוטנציאל. ככזה, חלקית לרפא את שכבה דקה של דבק אופטי על המצע של ההתקן חיונית קשר חזק במיוחד בחלק יצוקה. יתר על כן, הדבק אופטי נרפא משני הצדדים כדי להבטיח ריפוי אפילו ברחבי. אם הדבק אופטי לא ריפאה באופן מלא, ואז כייר PDMS יכול להיקרע במהלך ההסרה למשתתפות. לעומת זאת, אם הדבק אופטי הוא נרפא זמן רב מדי, ואז החומר הופך להיות בעלת קשה. אפוקסי נרפא יתר עלול לנתק את הכלי חבטות נהגה להכין את החורים יציאה. אם הגבס הוא נרפא יתר על המידה, היציאות יכול להיות חול פוצץ או עם 1 מ מ קוטר מקדחה במכונת דפוס מקדחת. קדח. לבסוף, כשניצח את הניסויים הזחה, הנוזל והותירו אסור להזין את דגם נייר לפני הנפט הגולמי. Wettability של המיקרו-ערוצי נעשית בתחילה שמן-wet על ידי הראשון פנייה הנפט הגולמי, אך מאפשר רכיבים של הנוזל והותירו לשנות את המשטחים דגם נייר עשוי לשנות את הביצועים של האסטרטגיה העקירה. בעקבות הפעולות בקפידה ב microfluidic התקן הבנייה ותזוזה הניסוי, תסייע להבטיח משאבים לא ללכת לאיבוד.
בעתיד, micromodels דבק אופטי ימשיכו להיות כלי רב ערך למחקר מיקרופלואידיקה. התקנים אלה יכולים לשמש כפלטפורמה הקרנה חזקה להזרקת תמיסות המותאמים ספציפית שמני גולמי. בנוסף, ניתן להשתמש בכלים אלה ללמוד מנגנוני היסוד של שמן השחזור, בקרת תנועה, קצף זרימה או שמן משופר חיידקים אנאירוביים השחזור (EOR) ניסויים. יחס עלות-תועלת של מאפיינים חיוביים של אופטי micromodels דבק טבעי להשאיל כלים אלה יתרון בתחום שחזור שמן microfluidic.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אין לחשוף.
Acknowledgments
אנו להכיר התמיכה הכלכלית של האיחוד אוניברסיטת רייס עבור תהליכים בתקשורת נקבובי (יוסטון, TX, ארצות הברית).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3 mL Leur-Lok Syringe | Fischer Scientific | 14-823-435 | |
| 10 mL Glass Syringe | Fischer Scientific | 1482698G | |
| Photomask | CAD/Art Services | ||
| Silicon Wafer | University Wafer | 452 | |
| Propylene-Glycol-Methyl-Ether-Acetate | Sigma Aldrich | 484431-4L | |
| 150 mm Glass Petri Dish | Carolina Biological Supply | #721134 | |
| 60 mm Plastic Petri Dish | Carolina Biological Supply | #741246 | |
| Mask Aligner | EV Group | EVG 620 | |
| 1 mm Biopsy Punch | Miltex, Plainsboro, NJ | 69031-01 | |
| Industrial Dispensing Tip | CML Supply | Gauge 23 | |
| Inverted Microscope | Olympus | IX-71 | |
| Plasma System | Harrick Plasma | PDC-32G | Plasma cleaner |
| Polydimehtylsiloxane (PDMS) | Dow Corning, Midland, MI | SYLGARD 184 | |
| Norland Optical Adhesive 81 (NOA81) or (OA) | Norland Products Inc. | 8116 | Optical adhesive |
| Quick-Set Epoxy | Fisher Scientific | 4001 | |
| Glass Slides | Globe Scientic Inc. | 1321 | |
| SU-8 2015 Photoresist | MicroChem | SU-8 2015 | Photo resist |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | Fusion 400 | |
| Glass Capillary Tubing | SGE Analytical Science | 1154710C | |
| High-Speed Camera | Vision Research | V 4.3 | |
| Polyethylene Tubing | Scientific Commodities Inc. | #BB31695-PE/3 |
References
- Blaker, T., et al. Foam for Gas Mobility Control in the Snorre Field: The FAWAG Project. SPE Reserv Eval Eng. 5 (04), 317-323 (2002).
- Mannhardt, K., Svorstøl, I. Effect of oil saturation on foam propagation in Snorre reservoir core. J Petrol Sci Eng. 23 (3-4), 189-200 (1999).
- Falls, A. H., Lawson, J. B., Hirasaki, G. J. The Role of Noncondensable Gas in Steam Foams. J Petrol Technol. 40 (01), 95-104 (1988).
- Hirasaki, G. J., Miller, C. A., Szafranski, R., Lawson, J. B., Akiya, N. Surfactant/Foam Process for Aquifer Remediation. , International Symposium on Oilfield Chemistry. Houston, Texas. (1997).
- Lv, Q., Li, Z., Li, B., Li, S., Sun, Q. Study of Nanoparticle-Surfactant-Stabilized Foam as a Fracturing Fluid. Ind Eng Chem Res. 54 (38), 9468-9477 (2015).
- Conn, C. A., Ma, K., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Visualizing oil displacement with foam in a microfluidic device with permeability contrast. Lab Chip. 14 (20), 3968-3977 (2014).
- Ma, K., Liontas, R., Conn, C. A., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Visualization of improved sweep with foam in heterogeneous porous media using microfluidics. Soft Matter. 8 (41), 10669 (2012).
- Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels. Appl Phys Lett. 82 (3), 364 (2003).
- Gauteplass, J., Chaudhary, K., Kovscek, A. R., Fernø, M. A. Pore-level foam generation and flow for mobility control in fractured systems. Colloid Surface A. 468, 184-192 (2015).
- Kovscek, A. R., Radke, C. J. Gas bubble snap-off under pressure-driven flow in constricted noncircular capillaries. Colloid Surface A. 117 (1-2), 55-76 (1996).
- Géraud, B., Jones, S. A., Cantat, I., Dollet, B., Méheust, Y. The flow of a foam in a two-dimensional porous medium: FOAM FLOW IN A 2-D POROUS MEDIUM. Water Resour Res. 52 (2), 773-790 (2016).
- Lin, Y. -J., et al. Examining Asphaltene Solubility on Deposition in Model Porous Media. Langmuir. 32 (34), 8729-8734 (2016).
- Bartolo, D., Degré, G., Nghe, P., Studer, V.
- Kenzhekhanov, S. Chemical EOR process visualization using NOA81 micromodels. , Master's degree Thesis (2017).
- Zhuang, Y. G., et al. Experimental Investigation of Asphaltene Deposition in a Transparent Microchannel. Proceedings of the 1st Thermal and Fluid Engineering Summer Conference. , New York, NY, USA. (2016).
- Ma, K., Rivera, J., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Wettability control and patterning of PDMS using UV-ozone and water immersion. J Colloid Interf Sci. 363 (1), 371-378 (2011).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Anal Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- Sollier, E., Murray, C., Maoddi, P., Di Carlo, D. Rapid prototyping polymers for microfluidic devices and high pressure injections. Lab Chip. 11 (22), 3752 (2011).
- Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. Solvent Compatibility of Poly(dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Devices. Anal Chem. 75 (23), 6544-6554 (2003).
- Silvestrini, S., et al. Tailoring the wetting properties of thiolene microfluidic materials. Lab Chip. 12 (20), 4041 (2012).
- Wägli, P., Homsy, A., de Rooij, N. F. Norland optical adhesive (NOA81) microchannels with adjustable wetting behavior and high chemical resistance against a range of mid-infrared-transparent organic solvents. Sensor Actuat B-Chem. 156 (2), 994-1001 (2011).
- Hung, L. -H., Lin, R., Lee, A. P. Rapid microfabrication of solvent-resistant biocompatible microfluidic devices. Lab Chip. 8 (6), 983 (2008).
