Name: 低コストの統合モジュラーペルチェデバイスを用いた油水界面活性に対する界面活性剤の効果の研究 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-03-18T12:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 31 s
Description: 学ぶ 低コストのペルチェデバイスを用いた水ハイドレート形成プロトコル。非イオン性界面活性剤の抑制効果と結晶成長メカニズムを可視化・圧力測定で解析する物理化学的手法です。

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著者らは、米国化学会 - 石油研究基金(ACS - PFR)、助成金番号:PRF #57216-UNI9に財政的支援に感謝する。

1. シクロペンタン中水滴の水和物形成
注:以下に説明する実験手順は、導入で説明したIMPdおよび水和物可視化細胞を用いたシクロペンタン中の水滴の水滴形成の研究に関するものである。
<ol><li>1mLガラスの注射器に19G針を取り付ける(図2b、C)。</li>
	<li>1 mL ガラスシリンジと 19 G の針 3x を DI 水でリンスします。</li>
	<li>シリンジにDI水を入れます。</li>
	<li>水和物視覚化セル(図2b,E)に25mLのシクロペンタンを充填します。</li>
	<li>シリンジを使用して、水和物可視化セルの下部にDI水(すなわち50-100 μL)の液滴を挿入します。この水滴は種子水和物です。 注: ドロップは、水和物の視覚化セルの下部に配置する必要があります。種子水和物の目的は、水和物の形成を開始し、一貫した核生成および増殖速度の追跡を形成することです。</li>
	<li>温度センサーを水和物可視化セル内に配置し、セルの底部の近くに置きます。</li>
	<li>シクロペンタンの蒸発を防ぐために、水和物の可視化セルにアクリルカバーを置きます。ネジを使用してカバーを所定の位置に保ちます。</li>
	<li>ライトとカメラを調整してフォーカスを合わせます。シードハイドレートに焦点を合わせます。</li>
	<li>温度制御装置でペルチェプレートの温度を-5 °Cに設定します。</li>
	<li>温度センサーが読み取った温度値を確認します。</li>
	<li>温度が-5°Cに達したら、底部の液滴(種水和物)が氷に変わることを確認します。</li>
	<li>ペルチェプレートの温度を0.5 °Cの2°Cに設定します。</li>
	<li>温度が2°Cに達したら、シリンジを使用して配管に水を充填し、真鍮フックをシクロペンタンに下げて5分間平衡させます。 注:この温度は、システムが氷の融点を上回り、シクロペンタン水和物11の融点を下回るため、固体氷が水和物に変換されることを保証します。</li>
	<li>カメラで録画を開始します。</li>
	<li>圧力トランスデューサソフトウェアの計測開始ボタンを押して、デジタルトランスデューサの録音を開始します。</li>
	<li>シリンジをシリンジポンプに接続します。</li>
	<li>2 μLの容積を注入し、活動化するようにシリンジポンプをセットします。注射器は水をシクロペンタン浴に突っ込んで水没液滴を形成します。</li>
	<li>針先を使用して、種子水和物の小片を取り除きます。</li>
	<li>水滴(図3b)に水滴と短く接触して、水滴に水滴の形成を開始するために、水の水和物の部分(図3a)と針先を持って来ます。</li>
	<li>カメラキャプチャソフトウェアの[録画]を押します。1Hzでカメラから液滴半球の結晶化過程の画像を記録します。</li>
</ol>2. シクロペンタン中の水界面活性液滴の水和物形成
注:界面活性剤溶液を用いた水和物結晶化実験は、純水と同様に行われます。しかしながら、界面活性剤溶液を用いて水和物結晶化に対する界面活性剤効果を検討する場合には、各界面活性剤の臨界ミセル濃度(CMC)を見つける必要がある。CMCは、文献9に見つかるか、または後述の方法を用いることができる。
<ol><li>各界面活性剤の測定質量を脱イオン水に溶解して、各界面活性剤の12個の溶液を調製し、それぞれ10-4 g/100 mL-1g/100mLの異なる濃度を表すソルビタンモノラウレート、PEG-PPG-PEG、およびポリオキシエチレンオービタントリステアレートの標準溶液50 mLを調製します。</li>
	<li>シクロペンタンのソルビタンモノオレ酸溶液を異なる濃度で調製する。 注:シクロペンタンは、水中のソルビタンモノオレ酸塩の疎水性と低い溶解度の高いレベルのために使用されます。同じ濃度は、同様にソルビタンモノオレエートに使用されます。</li>
	<li>石筍法を用いて各界面活性剤溶液の表面張力を測定する。<ol>
<li>落下の減少を数えるために、図4に示すように、シリンジポンプとシリンジを縦に置きます。</li>
		<li>ポンプを0.5 mL/minの速度で1mLの溶液を排出し、滴を空気中に放出するようにプログラムします。</li>
		<li>1 mLを観測滴数で割って平均してドロップ体積(V)を求める。</li>
		<li>各ソリューションを少なくとも 3 倍テストします。</li>
		<li>を使用して界面張力を計算する <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/60391/60391eq1.jpg"> ここでgは重力による加速度、Δppは界面での密度変化(すなわち界面活性剤溶液と空気の密度差)、Vは液滴体積、Fは12で与えられる経験補正である <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/60391/60391eq2a.jpg"> 注:あるいは、いくつかの界面活性剤溶液の表面張力は、文献9で見つけることができます。</li>
		<li>表面張力を集中の関数としてプロットします。表面張力は、界面活性剤濃度が上昇すると、平坦化して一定になるまで減少します。</li>
		<li>各界面活性剤(すなわち、表面張力が平坦化する濃度)のCMCを見つけ、実験に使用する。 注:界面活性剤の濃度を上げると、表面張力は変わりません。</li>
	</ol>
</li>
	<li>セクション1で実験手順を繰り返しますが、水の代わりにCMCと比較して様々な濃度で界面活性剤溶液を使用します(すなわち、0.1x CMC、1x CMC、および10x CMC)。</li>
</ol>3. 画像処理と界面応力測定
注: 円錐および平面ハイドレートの成長を追跡することは、視覚的な分析方法で実行されます。使用するソフトウェア プログラムについては、資料一覧を参照してください。輪郭検出と色付けの例を図 5に示します。カメラは球形の液滴の2D投影のみをキャプチャするため、3D再構成を作成する必要があります。
<ol><li>水和物の成長の追跡<ol>
<li>画像処理ソフトウェアを使用して、画像シーケンスの最初の画像を開きます。</li>
		<li>ソフトウェアの長さツールを使用して、イメージ内の真鍮管の長さを測定します。</li>
		<li>1/16インチ(1.588mm)の既知の直径に基づいて、画像内の真鍮管のスケールを設定します。</li>
		<li>各シーケンスから 10 個の均等間隔のスナップショットを選択します。スナップショットは、核生成のポイントからフルドロップレット変換まで、プロセス全体をキャプチャする必要があります。</li>
		<li>選択した 10 個のスナップショットについて、スケール設定(手順 3.1.1~3.1.3)を繰り返します。</li>
		<li>ソフトウェアを使用して、各フレームのドロップの輪郭を手動で検出します。輪郭を赤色でマークします(図5b)。</li>
		<li>ソフトウェアを使用して、各フレーム内の水和物の輪郭を手動で検出します。水和物の全領域の全領域を黒色で色付けする(図5b)。</li>
		<li>数学的モデリングソフトウェアを使用して、表面積の補正として落下の3D再構成を形成します。 注:3D表面積の構築に関する完全な詳細は、Dannら13に記載されています。</li>
	</ol>
</li>
	<li>見かけの平均界面応力測定 注: 見かけの平均界面応力は、圧力トランスデューサから収集された内部圧力データを使用して計算されます。<ol>
<li>圧力変換器から記録されたデータを使用する(ΔP)。</li>
		<li>すべてのデータポイントについて、ヤング・ラプラス関係14を使用して、見かけの平均界面応力(y)を決定します。 <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/60391/60391eq3.jpg"> ここでR11とRR2は曲率の液滴半径であり、ΔPはt=0に対する液滴内の圧力の変化である。 注:液滴形成後の初期の期間では、2つの半径はほぼ等しく、したがって、ヤングラプラス方程式のR11とR22は、R = 782 μmに等しい所定の2μLドロップの半径に置き換えることができます。</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Graham, B., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGraham%2C+B+%22Deep+water%3A+The+Gulf+Oil+disaster+and+the+future+of+offshore+drilling.+Report+to+the+President%22">Deep water: The Gulf Oil disaster and the future of offshore drilling. Report to the President</a>. , (2011).</li>
<li>Hammerschmidt, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+gas+hydrates+in+natural+gas+transmission+lines%5BTitle%5D)+AND+%22Industrial+%26+Engineering+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines.</a> Industrial & Engineering Chemistry. 26, 851-855 (1934).</li>
<li>Sloan, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+changing+hydrate+paradigm-from+apprehension+to+avoidance+to+risk+management%5BTitle%5D)+AND+%22Fluid+Phase+Equilibria%22%5BJournal%5D)">A changing hydrate paradigm-from apprehension to avoidance to risk management.</a> Fluid Phase Equilibria. 228-229, 67-74 (2005).</li>
<li>Xiaokai, L., Latifa, N., Abbas, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anti-agglomeration+in+cyclopentane+hydrates+from+bio-+and+co-surfactants%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+%26+Fuels%22%5BJournal%5D)">Anti-agglomeration in cyclopentane hydrates from bio- and co-surfactants.</a> Energy & Fuels. 24, 4937-4943 (2010).</li>
<li>Sloan, E. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fundamental+principles+and+applications+of+natural+gas+hydrates%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Fundamental principles and applications of natural gas hydrates.</a> Nature. 426, 353-363 (2003).</li>
<li>Sloan, E. D., Koh, C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSloan%2C+ED+%22Clathrate+Hydrates+of+Natural+Gases%22">Clathrate Hydrates of Natural Gases</a>. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2007).</li>
<li>Lee, J. D., Englezos, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Unusual+kinetic+inhibitor+effects+on+gas+hydrate+formation%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Engineering+Science%22%5BJournal%5D)">Unusual kinetic inhibitor effects on gas hydrate formation.</a> Chemical Engineering Science. 61, 1368-1376 (2006).</li>
<li>Daimaru, T., Yamasaki, A., Yanagisawa, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+surfactant+carbon+chain+length+on+hydrate+formation+kinetics%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Petroleum+Science+and+Engineering%22%5BJournal%5D)">Effect of surfactant carbon chain length on hydrate formation kinetics.</a> Journal of Petroleum Science and Engineering. 56, 89-96 (2007).</li>
<li>Karanjkar, P. U., Lee, J. W., Morris, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surfactant+effects+on+hydrate+crystallization+at+the+water-oil+interface%3A+hollow-conical+crystals%5BTitle%5D)+AND+%22Crystal+Growth+%26+Design%22%5BJournal%5D)">Surfactant effects on hydrate crystallization at the water-oil interface: hollow-conical crystals.</a> Crystal Growth & Design. 12, 3817-3824 (2012).</li>
<li>Leopercio, B. C., de Souza Mendes, P. R., Fuller, G. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Growth+kinetics+and+mechanics+of+hydrate+films+by+interfacial+rheology%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Growth kinetics and mechanics of hydrate films by interfacial rheology.</a> Langmuir. 32, 4203-4209 (2016).</li>
<li>Karanjkar, P. U., Lee, J. W., Morris, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Calorimetric+investigation+of+cyclopentane+hydrate+formation+in+an+emulsion%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Engineering+Science%22%5BJournal%5D)">Calorimetric investigation of cyclopentane hydrate formation in an emulsion.</a> Chemical Engineering Science. 68, 481-491 (2012).</li>
<li>Mori, Y. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Harkins-brown+correction+factor+for+drop+formation%5BTitle%5D)+AND+%22AIChE+Journal%22%5BJournal%5D)">Harkins-brown correction factor for drop formation.</a> AIChE Journal. 36, 1272-1274 (1990).</li>
<li>Dann, K., Rosenfeld, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surfactant+effect+on+hydrate+crystallization+at+oil-water+interface%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Surfactant effect on hydrate crystallization at oil-water interface.</a> Langmuir. 34 (21), 6085-6094 (2018).</li>
<li>Ibach, H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aIbach%2C+H+%22Physics+of+Surfaces+and+Interfaces%22">Physics of Surfaces and Interfaces</a>. , Springer Science & Business Media. Berlin, Germany. (2006).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

本稿では、非イオン界面活性剤の存在下で油水界面で水和物結晶化を研究する実験技術について述べる。装置は、温度制御システムと窓、CMOSカメラ、および圧力トランスデューサを備えた真鍮チャンバーを含む可視化セルで構成されています。温度制御システムは、マイクロコントローラ、強力なペルチェプレート、ヒートシンクとして120ミリメートルCPUクーラー、および防水デジタル温度センサーで構成されています。水和物の視覚化の真鍮の細胞は窓で固定されたカメラおよび低下の中の圧力を測定することができる圧力センサーと設計されていた。装置で試験された界面活性剤は、石油産業で一般的に使用されているソルビタンモノラウレート、ソルビタンモノオレ酸塩、PEG-PPG-PEG、およびポリオキシエチレンオービタントリステアレートであった。この装置は、水和物結晶の成長速度を測定し、水和物結晶化を受けるときの内圧が滴の内部で変化することを可能にする。圧力変化から、見かけ上の平均界面応力を抽出することができ、これは水和物結晶の形状を示すことができる。
この方法は、可視化技術と内部圧力測定を組み合わせて、見かけの平均界面応力を生...

水和物の結晶化と阻害のメカニズムを理解するインセンティブは、油管内で水分補給が自然に発生し、流れの保証が困難になる可能性があるという事実から生じます。例えば、2010年のメキシコ湾原油流出事故1は、水中油配管システムに水和物が蓄積し、環境汚染を引き起こした結果であった。そのため、将来の環境災害を防ぐためには、水和物の形成と抑制を理解することが重要です。過去数年間の水和物結晶化の研究の原動力の多くは、水和物プラグ凝集とその後の流れの閉塞を防ぐための石油業界の取り組みです。水和物が差し込みフローラインの原因であると判断する最初の研究は、19342年にHammerschmidtによって行われました。この日まで、石油生産者は、流れの保証3のための水和物形成を理解し、阻害することが非常に重要であると考えています。
水和物の形成を防ぐ1つの方法は、氷が形成されないように深い水パイプラインを絶縁することです。しかし、パイプラインを適切に絶縁するのは高価であり、追加コストは100万ドル/km3の順序で行うことができます。メタノールなどの熱力学的阻害剤をウェルヘッドに注入して、水和物の生成を防ぐことができます。しかし、水分補給水の形成を十分に防止するためには、アルコールに対する水の体積比が大きく、1:1と同じくらい大きく、十分に防ぐために必要である。最近、水和物防止にメタノールを使用する世界的なコストは、年間2億2000万ドルと報告されています。これは、アルコール使用量の持続可能な量ではありません 5.また、メタノールの使用は環境的に危険であり、大規模輸送5には使用できないため問題がある。あるいは、界面活性剤などの運動阻害剤は、20°C6までの少量および温度での水和物の成長を抑制することができる。6したがって、界面活性剤の存在は、水和物防止に必要な大量のアルコールを減らすことができます。
界面活性剤は、2つの主な理由により水和物結晶化のための良好な阻害剤と考えられています。
1)表面特性の変化を通じて水和物形成を阻害することができる。2)彼らは最初に水和物細胞の形成を助けるが、パイプライン7の下の結晶のさらなる成長と凝集を防ぐ。界面活性剤は有効な阻害剤であることが証明されているが、界面活性剤の存在下では結晶化過程に関して、依然として多くの情報が欠けている。いくつかの研究は、界面活性剤の使用は、特定のサブ冷却で初期水和物結晶化時間を延長できることを示しているが、他の研究は、低界面活性剤濃度で例外を発見しました。低い界面活性剤濃度では、水滴は合体し、水和物形成8のプロセスを加速する傾向がある。この阻害プロセスは、界面活性剤分子が平面水和物の成長を妨げ、水和物を中空円錐形の結晶形成に強制することによって説明されている。円錐形の結晶は、結晶成長9のための機械的障壁を形成し、したがって、成長を阻害する。
本研究では、低コストの統合されたモジュラーペルチェデバイス(IMPd)と水和物可視化セルを設計および実装し、非イオン界面活性剤の存在下でシクロペンタン水和物形成を研究するためにそれらを使用した。通常は深海の貯留槽で水和物を形成する低分子量ガス(例えば、CH4およびCO2)の代わりにシクロペンタンを使用する理由は、これらのガスが安定した水和物を形成するためにより高い圧力および低温を必要とするためである。シクロペンタンは、周囲の圧力および温度で水和物を形成するので、〜7.5°Cまで、水和物形成10のモデル材料としてよく用いられる。
統合されたモジュラーペルチェ装置(IMPd)は、オープンソースマイクロコントローラ、ペルチェプレート、CPUクーラー(ヒートシンク)、および防水デジタル温度センサで構成されています。装置は68 °Cの最高温度差を提供できる。最低温度分解能は1/16°Cです。電気回路とハードウェアを含むシステム全体を200ドル未満で構築できます。温度センサーはマイクロコントローラに報告し、トランジスタに出力信号を送ります。次に、トランジスタは、ペルチェ要素を通してDC電源から電流を流します。ヒートシンクはペルチェの熱側から周囲の空気に来る熱を連結することによってペルチェ要素を冷却するのに役立ちます。IMPd システムの組み立てられたハードウェア コンポーネントを図 1a,bに示します。図1cは、制御ループ(比例積分誘導[PID]コントローラ)とピンアウトのすべてのコンポーネントを持つ配線回路図を示しています。マイクロコントローラの出力電流は、ゲート抵抗R1で23mAの最大電流(I = 5 V/220 W)に制限されました。図1cのプルダウン抵抗R2により、ゲート電荷が消散し、システムの電源を切ることができます。PID コントローラをチューニングするために、チーグラー ニコルズ ベースのメソッドと反復プロセスを組み合わせて11を使用します。マイクロコントローラ統合開発環境(IDE)ソフトウェアは、温度調節のためにマイクロコントローラにコマンドを監視および送信するために使用されます。
IMPdと共に、視覚化技術と内圧測定を用いた新しいアプローチを適用した。IMPdの上に置かれる水和物の視覚化の細胞は2つの二重窓の観察窓が装備されている真鍮の細胞から成っている。窓はシクロペンタンの水滴の水和物形成プロセスのビデオ記録を可能にする。相補的な金属酸化物半導体(CMOS)カメラは窓の外に設置され、圧力トランスデューサは、ドロップの内部圧力測定を得るために、水噴射ラインに接続されています。デジタルトランスデューサアプリケーションは、圧力トランスデューサから測定値を取得するために使用されます。カメラビューアは、CMOSカメラからビデオや画像をキャプチャするために使用されます。ソフトウェアは露出とスナップショットの頻度を制御します。画像処理ソフトウェアプログラムは、水和物の成長を追跡するために使用されます。図2は、水和物可視化セルの概略的な説明を示し、図2bは実験系全体の概観図を示す。シードハイドレート(図2a)は、水和物増殖速度の一貫した核生成および追跡に必要である。シードハイドレートは、水和物セルの床に堆積した純水の少量(例えば、50~100 μL)です。温度が下がるにつれて、滴は氷を形成し、温度が上昇するにつれて水和に変わります。種子水和物の小片は、水滴に接触します。このプロセスは、水没水滴中の水和物の開始を制御します。シリカ・デシカントは、2枚のガラススライド(図2c)の間の隙間に挿入され、窓の表示として機能します。シリカ乾燥剤は、窓のフロスティングや曇りの量を減らすのに役立ちます。曇りが減るように、外側の窓にもアンチフォグが適用されます。画像は、CMOSカメラと28-90 mmレンズで撮影されます。150 W光ファイバーグースネックランプは、照明に使用されます。アクリルカバーは、シクロペンタンの蒸発を制限するために真鍮の細胞の上に置かれます.配管は、柔軟なポリテトラフルオロエチレン(PTFE)チューブと硬質真鍮チューブの組み合わせで構成されています。1 mLガラスの注射器と19 Gの針が付いているシリンジポンプは水および界面活性剤の流れを制御する。圧力トランスデューサは水界面活性剤の液滴の内部の圧力変化を監視する。19 G PTFEチューブは、シリンジをTフィッティングと1/16 inに接続し、(1.588 mm)真鍮チューブはトランスデューサとブラスフックをTフィッティングに接続します(図2d)。180°曲げで約5cmの真鍮フックが水/界面活性剤液滴を生成します。曲げにより、シリンジによって生成された液滴が実験中チューブの上に置かれておきます。1/16 in. PTFEクラッシュフェルールとPTFEスレッドテープと組み合わせたステンレス鋼Tフィッティングは、フィッティングをシールします。
この装置を用いて、石油産業で一般的に使用される異なる親水性親油性バランス(HLB)を有する4つの異なる非イオン性界面活性剤を調べた:ソルビタンモノラウレート、ソルビタンモノオレ酸塩、PEG-PPG-PEG、ポリオキシエチレンオービタントリステアリン酸。

<table><tbody><tr><td>1/16インチSwagelok 316 ステンレス鋼 T フィッティング</td><td>Swagelok</td><td></td><td></td></tr><tr><td>19 ゲージ PTFE チューブ</td><td>Scientific Commodities, Inc.</td><td></td><td></td></tr><tr><td>19ゲージニードル(モデル:1001 LTSN SYR)</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>1-Wire DS18B20 - 防水デジタル温度センサー</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>曇り止め</td><td>RainX</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Arduino Leonardoオープンソースマイクロコントローラ</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>真鍮チューブ 1/16インチ</td><td>K&S Precision Metals</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Chemyx Fusion 100 輸液ポンプ</td><td>Chemyx</td><td></td><td></td></tr><tr><td>cMOS カメラ acA640-750um</td><td>Basler</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Cyclopentane 98% 超高純度</td><td>ACROS 有機物</td><td>AC111481000</td><td></td></tr><tr><td>光ファイバー グース ネック ランプ 150W</td><td>AmScope</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Fotodiox マクロ エクステンション チューブ、35 mm</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>ハミルトンガラスシリンジ1mL</td><td>ハミルトン</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ImageJソフトウェア</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Kipon EOSからCマウントアダプター</td><td>Kipon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Lens 28-90 mm</td><td>Canon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Mathematicaソフトウェア</td><td>Mathematica</td><td></td><td></td></tr><tr><td>OMEGA PX409-10WGUSBH圧力トランスデューサ</td><td>OMEGA</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ペルチェプレートTEC1-12715</td><td>Amazon</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pluronic L31 (PEG-PPG-PEG)</td><td>シグマ アルドリッチ</td><td>9003-11-6</td><td></td></tr><tr><td>Pylon Viewer v5.0.0.6150</td><td>Basler</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Span 20 (ソルビタン ラウレート、ソルビタン モノラウレート)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>1338-39-2</td><td></td></tr><tr><td>Span 80 (ソルビタン モノラウテート)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>1338-43-8</td><td></td></tr><tr><td>Thermaltake NiC C4 120mm CPUクーラー</td><td>Thermaltake</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Tween 65 (ポリオキシエチレンソルビタントリステアレート)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>9005-71-4</td><td></td></tr><tr><td>可変 Tooluxe DC 電源</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

低コストの統合モジュラーペルチェデバイスを用いた油水界面活性に対する界面活性剤の効果の研究

Studying Surfactant Effects on Hydrate Crystallization at Oil-Water Interfaces Using a Low-Cost Integrated Modular Peltier Device

非イオン界面活性剤の影響を受けて水和物の形成と成長を研究するアプローチを紹介します。実験システムは温度調節器、視覚化技術および内部圧力測定を含んでいる。温度制御システムは固体ペルチェの部品となされる低価格、プログラム可能な温度調節器を含んでいる。温度制御システムと併して、可視化技術と内部圧力測定を組み込み、非イオン界面活性剤の存在下での水和物の形成と抑制を研究しました。非イオン性界面活性剤(ソルビタンモノオレート、ソルビタンモノオレ酸塩、PEG-PPG-PEG、ポリオキシエチレンオービトトリステアレート)の水和物阻害能力を低(すなわち、0.1 CMC)、中(すなわち、CMC)、および高濃度(すなわち、10CMC)で調べた。平坦な結晶と円錐形の2種類の結晶が形成されました。平水中と低界面活性剤濃度で平形結晶が形成された。円錐結晶は高い界面活性剤濃度で形成された。研究の結果は、円錐結晶が水和物阻害の面で最も効果的であることを示しています。円錐形の結晶は一定のサイズを超えて成長できないため、円錐結晶としての水和物の成長率は、平面結晶としての水和物の成長率よりも遅くなります。したがって、水和物を強制的に円錐結晶を形成する界面活性剤が最も効率的である。このプロトコルの目的は、界面活性剤分子の存在下で水滴の表面にシクロペンタン水和物結晶化プロセスを調査することができる実験システムの詳細な説明を提供することです。

この実験系を用いて、油水界面での水和物形成を調べ、結晶化過程に伴う界面応力を測定することができる。図6は、結晶形成と界面応力の両方を含む代表的な結果セットを示す。平面シェルの成長(図6a)では、結晶は2つの極から赤道に向かって成長した。そのため、平面結晶では、水和物殻は絶えず成長しました。純水および低界面活性剤濃度では、水和物は平面シェル形態を形成し、図6aに見られるようになる。図6bbに示す経時の圧力および見かけの平均界面応力の変化は、平坦なシェル形態に対する水和物の成長が進むにつれて、見かけの平均界面ストレスが徐々に減少したことを示した。水和物が成長し、表面を覆うように、界面活性剤分子のための利用可能な領域が少なかったので、界面活性剤分子の同じ数がより小さな表面積を占め、その結果、見かけの平均界面...

シクロペンタンに沈んだ水滴の界面に非イオン性界面活性剤の存在下での水和物の形成を研究するプロトコルを提示する。このプロトコルは、低コストでプログラム可能な温度調節器を構築する。温度制御システムは視覚化技術および内部圧力の測定と結合される。

We introduce an approach to study the formation and growth of hydrates under the influence of nonionic surfactants. The experimental system includes a ...

このプロトコルは、界面活性剤阻害剤が水和物結晶に及ぼす影響を研究する上で適用可能である。結晶の種類と阻害機構の両方に関する情報を提供します。1ミリリットルのガラス注射器に19ゲージの針を取り付けます。針と注射器を脱イオン水で3回リンスし、注射器に脱イオン水を充填します。次に、25ミリリットルのシクロペンタンで水和物可視化セルを充填します。シリンジを使用して、水和物視覚化セルの下部に脱イオン水の液滴を挿入する。この水滴は種子水和物です。次に、温度センサーを、細胞の底部近くに水和物可視化セルの内部に置きます。シクロペンタンの蒸発を防ぐには、アクリルカバーをセルに置き、カバーを所定の位置にねじ込みます。ライトとカメラを調整して、シードハイドレートに焦点を当てます。温度制御装置を使用して、ペルチェプレートの温度をマイナス5°Cに設定します。温度センサーから報告された値を監視します。温度がマイナス5°Cに達したら、水和物可視化チャンバーの底にある種子ハイドレートが氷に変わることを確認します。ペルチェプレートの温度を摂氏0.5度の2度に設定します。温度が摂氏2度に達したら、シリンジを使用して配管に水を入れます。その後、真鍮フックをシクロペンタンに下げ、5分間平衡させます。圧力トランスデューサ用のソフトウェアを使用して、スタートボタンを押してデジタルトランスデューサの録音を開始します。シリンジをシリンジポンプに接続し、2マイクロリットルの体積を注入するためにシリンジポンプをセットし、それを活性化します。注射器は水をシクロペンタン浴に突っ込んで水滴を形成します。針先を使用して、種子水和物の小片を取り除きます。水滴と水滴に短い接触に種子水和物の部分と針先を持参し、水和物の形成を開始します.カメラキャプチャソフトウェアで[記録の開始]を押します。1つのヘルツで結晶化プロセスの画像を記録します。重要なミセル濃度を見つけるために、原稿に記載されている標準的な溶液を準備することから始める。石筍法を用いて各界面活性剤溶液の表面張力を測定するために、ポンプを1分あたり0.5ミリリットルの速度で1ミリリットルの溶液を排出するようにプログラムする。注射器ポンプと注射器を縦に置き、ドロップを空気中に放出します。ドロップの数をカウントし、ドロップボリュームを見つけるためにドロップ数で1ミリリットルを割る。各溶液について、原稿に記載された表面張力を計算し、界面活性剤濃度の関数として表面張力をプロットする。表面張力曲線が平坦化する濃度はCMC、臨界ミセル濃度である。水滴上の水和物形成を測定するために使用される手順を繰り返しますが、様々な濃度の界面活性剤溶液を使用します。画像処理ソフトウェアを使用して、結晶化プロセスのシーケンスの最初の画像を開きます。ソフトウェアの長さツールを使用して、イメージ内の真鍮管の直径を測定します。16分の1インチの真鍮管の既知の直径に基づいて画像にスケールを設定します。核生成から液滴変換までのプロセスをキャプチャする10の等間隔の画像を選択します。各画像に対して、ソフトウェアを使用して手動でドロップの輪郭を検出し、輪郭を赤色でマークします。次に、水和物の輪郭を手動でトレースし、輪郭を黒で塗りつぶします。カメラは球状の液滴の2D投影のみをキャプチャします。数学的モデリングソフトウェアを使用して、水和物で覆われた落下と表面積の3D再構成を形成します。この実験システムを用いて、油水界面での水和物形成を調べ、結晶化過程に伴う界面応力を測定することができる。純水と低い界面活性剤濃度では、水和物は平坦なシェル形態を形成し、2つの極から赤道に向かって一定の速度で成長した。水和物が成長するにつれて、同じ数の界面活性剤分子がより小さな領域を占めて、時間の経過とともに界面ストレスが減少した。高い界面活性剤濃度では、水和物は円錐形の結晶として成長した。結晶が十分に大きくなったとき、コーンの一部が液滴表面から自由に壊れました。この成長パターンは、振動的な方法で何度も何度も起こりました。円錐結晶が臨界サイズに達し、液滴の表面から剥離した後、界面活性剤分子に対して利用可能な表面の急激な増加が界面ストレスの増加を引き起こした。その後、結晶が再び成長し始め、振動パターンが得られます。ほとんどの界面活性剤溶液は、純水と比較して水和物の成長を阻害した。高濃度のポリオキシエチレンソルビタントリステレステレストが最も有効な阻害剤であった。このシステムは、いくつかの界面活性剤が他のものよりも水和物を阻害する理由に関する情報を提供することができます。このシステムは、インターフェースでの結晶の一般的な形成を研究するためにも使用できます。

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