Name: Dynamiczne obrazowanie stanu zbiornika w skali porowej reakcji w węglanach za pomocą szybkiej tomografii synchrotronowej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-21T12:30:00.000+00:00
Duration: 10 min 18 s
Description: Poznaj szybką tomografię synchrotronową do dynamicznego obrazowania rozpuszczania wapienia w nasyconej CO₂ solance. Ta metoda pozwala obserwować interakcje płyn-skała w warunkach zbiornikowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Z wdzięcznością dziękujemy za finansowanie z Qatar Carbonates and Carbon Storage Research Centre (QCCSRC), dostarczone wspólnie przez Qatar Petroleum, Shell i Qatar Science & Technology Park. Wyrażamy również wdzięczność za finansowanie i wsparcie zapewnione przez Diamond Lightsource i Uniwersytet w Manchesterze w I13 Imaging Branch.

1. Projektowanie strategii obrazowania
<ol>
	<li>Oblicz widma promieniowania rentgenowskiego linii badawczej przy najwyższej energii i strumieniu różowej wiązki, aby przewidzieć wydajność obrazowania przy użyciu eksperymentalnej krzywej strojenia i pomiaru transmisji filtrów. Przykładowe widma promieniowania rentgenowskiego Diamond Lightsource I13-2 'Pink Beam' pokazano na rysunku 2.</li>
	<li>Ponieważ promienie rentgenowskie o niższej energii powodują nagrzewanie próbki i nie zwiększają kontrastu obrazowania, należy odfiltrować dolną część widma promieniowania rentgenowskiego tak, aby do obrazowania próbki używane były tylko promienie rentgenowskie o najwyższej energii. Wybierz filtry liniowe z materiałów, które pochłaniają światło o pożądanych niskich długościach fal odpowiednich dla źródła światła, obliczając teoretyczną transmisję filtra przy dostępnych długościach fal światła31,32. Tutaj użyj aluminium i złota jako linii wiązki przy tym źródle światła.
	<ol>
		<li>Stosować filtr pasmowo-przepustowy składający się z kombinacji filtrów rentgenowskich jako górnoprzepustowych i lustra rentgenowskiego działającego w pobliżu kąta krytycznego jako filtra dolnoprzepustowego. W takim przypadku należy użyć zestawu filtrów węglowych pirolitycznych 0,2 mm i aluminiowych 0,2 mm, a do lustra paska pokrytego platyną pod kątem padania 1,15 mrad. Lustro odbija tylko światło poniżej 30 keV, a dodatkowe filtry liniowe zostały zainstalowane o średnicy 2 mm Al i 0,1 μm Au, które mają piki absorpcyjne odpowiednio na poziomie 13 i 22 keV, aby filtrować więcej promieniowania rentgenowskiego o niższej energii. Rysunek 3 przedstawia aparaturę do obrazowania linii badawczej.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wybierz scyntylator, który obficie mieni się na dostępnych liniach badawczych, częstotliwościach i strumieniu światła. W tym przypadku przesiewacz scyntylacyjny jest wykonany z wolframu kadmu o grubości 250 μm (CdWO4), który jest ułożony w stos z wolframem ołowiowym o grubości 750 μm (PbWO4). Następnie wybierz obiektyw i kamerę, które mają odpowiednie pole widzenia i rozdzielczość czasu przyciągania dla wymagań eksperymentalnych. W takim przypadku połącz obiektyw 1,25x o aperturze 0,04 z kamerą PCO EDGE 5,5 CMOS i użyj go do uchwycenia 4-milimetrowego pola widzenia z liczbą klatek na sekundę 0,001 s.</li>
	<li>Wybierz technikę "flyscan" do akwizycji obrazu, ponieważ ta metoda obracania stolika zmniejsza drgania próbki. Tradycyjna akwizycja wymaga, aby stolik zatrzymywał się na każdym kroku kątowym, wykonywał rzut, a następnie przechodził do następnego kąta. Akwizycja obrazu podczas tych dynamicznych tomografii została wykonana za pomocą "flyscanu", który wykonuje skan tomograficzny w miarę ruchu stolika i przyjmuje przyrost kątowy taki, że różnica między każdą kolejną projekcją jest niewielka. Metoda "flyscan" eliminuje niewielkie efekty drgań ruchu start-and-stop i szybciej zapewnia wyższą jakość obrazu.</li>
</ol>
2. Montaż sprzętu i komórki
<ol>
	<li>Załaduj rdzeń do ogniwa, przygotowując się do zalania rdzenia.
	<ol>
		<li>Najpierw owiń rdzeń jedną warstwą folii aluminiowej i włóż do rękawa (np. Vitonu) (Rysunek 4).</li>
		<li>Przyciąć tuleję na wymiar tak, aby była o 2 mm krótsza niż łączna długość rdzenia i wewnętrznych łączników końcowych. Złączki końcowe to krajowe złączki rurowe 1/16" z gwintem rurowym (NPT) do złączek, które zostały obrobione do średnicy zewnętrznej 5 mm, podczas gdy tuleja ma średnicę wewnętrzną 4 mm.</li>
		<li>Naciągnij tuleję na złączki końcowe 5 mm, aby uzyskać szczelne uszczelnienie. Upewnij się, że między łącznikami końcowymi a rdzeniem nie ma żadnej przestrzeni, aby upewnić się, że ciśnienie ograniczające nie spowoduje nadmiernego ściśnięcia tulei i nie przyciśnie przepływu.</li>
		<li>Owiń złączki i tuleję dwiema dodatkowymi warstwami aluminium, zarówno aby zapobiec dyfuzji gazowego CO2 do płynu ograniczającego, jak i utrzymać tuleję na miejscu na złączkach i zapobiec łączeniu płynów ograniczających i porowych przez ścieżkę hydrauliczną.</li>
		<li>Złóż z powrotem uchwyt rdzenia, wsuwając rurkę i uszczelki z powrotem na miejsce, a następnie uszczelnij zaślepki i łączniki końcowe, wymieniając.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Zamontuj uchwyt rdzenia na stoliku i podłącz przewody przepływowe i elektryczne.</li>
	<li>Przetestuj obrót stolika i upewnij się, że wszystkie przewody przepływowe i elektryczne mogą się swobodnie obracać w zakresie od -90° do 90°.</li>
	<li>Wykonaj suchy skan całego rdzenia przed rozpoczęciem eksperymentu.
	<ol>
		<li>Zeskanuj rdzeń w zachodzących na siebie odcinkach o szerokości i długości około 4 mm. Skalibruj czas ekspozycji skanowania do średniej wartości zliczania około 15 000, co zapewnia wysoki stosunek sygnału do szumu bez nadmiernego nasycenia scyntylatora. Wykonaj każdy suchy skan z co najmniej 2,400 projekcjami, aby zachować kontrast fazowy i ostrość krawędzi.</li>
		<li>Wykonaj płaskie i ciemne zdjęcia scyntylatora, aby można było uwzględnić wszelkie uszkodzenia i szumy zewnętrzne podczas rekonstrukcji. Zrób płaskie powierzchnie, przesuwając uchwyt rdzenia poza pole view i robiąc zdjęcie samego scyntylatora z włączoną wiązką. Weź ciemne kolory tą samą metodą przy wyłączonej wiązce.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Zwiększanie ciśnienia w systemie
<ol>
	<li>Załaduj solankę z chlorku potasu (KCl) o zawartości 1% wag. i chlorku sodu (NaCl) o stężeniu wagowym (NaCl) do zdemontowanego reaktora, wlewając płyn przez górną część zbiornika reaktora.
	<ol>
		<li>Dodaj sproszkowaną skałę węglanową, aby uzyskać pożądaną kwasowość solanki. W tym przypadku nie dodano węglanu.</li>
		<li>Zmontuj reaktor, dokręcając i owijając go taśmą grzewczą, a następnie wkładając sondę temperatury do góry.</li>
		<li>Załadować CO2 do pompy wtryskowej, otwierając zawór 1 (V1 na rysunku 1).</li>
		<li>Zamknij zawór 1 i zwiększ ciśnienie w pompie wtryskowej do 100 barów.</li>
		<li>Otwórz zawór 2, aby zalać reaktorCO2. Podgrzać reaktor do 50 °C za pomocą owijki grzewczej sterowanej PID w połączeniu z sondą temperatury i ciągle mieszać za pomocą mieszadła porywającego napędzanego zewnętrznym silnikiem elektrycznym. Równoważyć solankę z CO2 w temperaturze 10 MPa i 50 °C przez okres od 2 do 6 godzin, aby upewnić się, że solanka jest całkowicie nasycona CO2 i że węglan jest całkowicie rozpuszczony.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przed podłączeniem uchwytu rdzenia należy całkowicie oczyścić układ z powietrza i ewentualnych środków strącających w przewodach z poprzednich eksperymentów. Aby to zrobić, połącz linie powyżej i poniżej uchwytu rdzenia, aby ominąć uchwyt rdzenia (U1 i U2).
	<ol>
		<li>Załaduj wodę dejonizowaną (DI) do pompy odbiorczej przez zawór 11, ustawiając pompę odbiorczą na ponowne napełnienie.</li>
		<li>Otwórz zawory 7, 4 i 3 i użyj pompy odbiorczej w trybie stałego ciśnienia, aby przekierować wodę DI z powrotem przez system i wyprowadzić z zaworu 3 poniżej reaktora. Użyj około dziesięciu objętości systemu, aby upewnić się, że przewody są wolne od powietrza i wypłukane do czysta.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Opróżnij pompę odbiorczą, a następnie załaduj solankę o stężeniu 25% wag. KI do pompy odbiorczej przez zawór 11 i załaduj wodę DI do pompy ograniczającej przez zawór 10.
	<ol>
		<li>Zamknij zawór 10 i otwórz zawory 8 i 6. Użyj pompy ograniczającej, aby ograniczyć rdzeń do 2 MPa.</li>
		<li>Zamknij zawór 11 i zwiększ ciśnienie w pompie odbiorczej do 10 barów.</li>
		<li>Otwórz zawory 9, 7, 4 i 3 i wykorzystaj powstały spadek ciśnienia do przepuszczenia solanki domieszkowanej KI przez rdzeń.</li>
		<li>Stopniowo zwiększaj ciśnienie ograniczające i porowe, aż do ustalenia rozsądnego natężenia przepływu. Przepuścić około dwóch pełnych objętości solanki systemu przez rdzeń i spuścić płyn przez zawór 3 poniżej reaktora. W ten sposób całe powietrze jest usuwane z systemu, a rdzeń jest zalewany solanką o wysokim kontraście, co sprawia, że nadejście nieoczyszczonej solanki reaktywnej jest łatwe do zaobserwowania.</li>
		<li>Zamknij zawór 3 i stopniowo zwiększaj ciśnienie ograniczające i porowe, aż rdzeń zostanie ograniczony do 12 MPa, a ciśnienie porowe wyniesie 10 MPa. Włączyć regulator PID, aby doprowadzić rdzeń do 50 °C.</li>
		<li>Zatrzymaj pompę odbiorczą, zamknij zawór 3 i otwórz zawór 5 u podstawy reaktora, aby połączyć system reaktora z rdzeniem.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Przepływ płynów i akwizycja obrazu
<ol>
	<li>Wyśrodkuj środek rdzenia w polu widzenia i wykonuj projekcje 2D w sposób ciągły, gdy rdzeń jest zalewany, aby śledzić postęp zalewania rdzenia. Wykonuj projekcje 2D, włączając różową wiązkę i używając aparatu do robienia zdjęć bez obracania stolika. Rozpoczęcie projekcji 2D przed wstrzyknięciem płynu reaktywnego daje wyraźny obraz przed solanką, który zostanie później porównany z kolejnymi obrazami wypełnionymi solanką.</li>
	<li>Ustaw pompę odbiorczą tak, aby napełniała się z żądanym natężeniem przepływu, ciągnąc w ten sposób płyn z reaktora przez rdzeń w żądanych warunkach przepływu, pozostawiając pompę wtryskową w celu regulacji ciśnienia od przodu.
	<ol>
		<li>Monitoruj projekcje 2D pod kątem zmian tłumienia, które sygnalizują nadejście reaktywnej solanki. Kiedy dotrze reaktywna solanka, transmisja rdzenia wzrośnie, a projekcje 2D znacznie pojaśnieją, gdy więcej światła uderzy w scyntylator, a domieszkowana solanka zostanie wyparta przez wysoce przezroczysty płyn reaktywny o wysokim promieniowaniu rentgenowskim. Jeżeli nie ma różnicy w tłumieniu między solanką reaktywną i niereaktywną, wówczas, w zależności od widma linii wiązki, może być wymagane ponowne rozpoczęcie eksperymentu od kroku 2.1 z wyższym stężeniem soli KI lub przy użyciu innej soli o wysokiej absorpcji.</li>
		<li>Zatrzymaj skany 2D i tomografie 3D kolejno tak szybko, jak pozwala na to aparatura do obrazowania. Użyj około 1 000 projekcji na skan. Skanuj rdzeń, obracając go tylko o 180° (w przeciwieństwie do tradycyjnego 360°). Użycie mniejszej liczby stopni obrotu zmniejsza stosunek sygnału do szumu, ale jest szybsze i pomaga uniknąć rozciągania i plątania przewodów przepływowych i elektrycznych. Wykonuj skany 3D, dopóki nie zostanie osiągnięty limit czasu lub rdzeń będzie wyglądał na wystarczająco rozpuszczony, aby istniało bezpośrednie niebezpieczeństwo wewnętrznego zapadnięcia się struktury (a tym samym spowodowania utraty zarówno ciśnienia ograniczającego, jak i przyszłych danych z suchego skanowania całego rdzenia).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Po wykonaniu ostatniego skanowania należy skutecznie rozhermetyzować system, aby uniknąć dalszej reakcji rdzenia.
	<ol>
		<li>Najpierw zatrzymaj pompę odbiorczą. Następnie zamknij zawór 5 łączący reaktor z resztą układu.</li>
		<li>Zmniejsz ciśnienie w układzie za pomocą pomp ograniczających i odbiorczych, utrzymując ciśnienie na płynie ograniczającym o około 1 MPa.</li>
		<li>Po osiągnięciu ciśnienia atmosferycznego w granicach 1 MPa otwórz pompę ograniczającą i odbiorczą za pomocą zaworów 10 i 11 i pracuj w trybie stałego przepływu, aby spuścić pozostały płyn.</li>
		<li>Wyłącz regulator PID i otwórz złącze 4-kierunkowe (U2) w górnej części uchwytu rdzenia, aby uwolnić pozostałe ciśnienie w systemie.</li>
		<li>Powoli poluzuj linię ograniczającą, jednocześnie łapiąc nadmiar wody ograniczającej DI za pomocą chłonnego papieru. Zamknij zawory 6 i 7 i odłącz złącze 1 oraz przewody elektryczne.</li>
		<li>Poluzuj stage clamp i wyjmij uchwyt rdzenia ze stolika.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Ostrożnie wyjmij zespół rdzenia z uchwytu rdzenia, a następnie odłącz tuleję od wewnętrznych łączników końcowych. Nie wyjmuj rdzenia z tulei, ponieważ może to spowodować uszkodzenie delikatnego rdzenia, który przeszedł reakcję. Umieść rdzeń pokryty tuleją w zlewce pełnej wody demineralizowanej, aby rozcieńczyć potencjalnie reaktywną solankę i zatrzymać całą reakcję.</li>
	<li>Suszyć cały rdzeń w suszarce o temperaturze 60 °C przez co najmniej 12 godzin. Następnie ponownie zamontuj rdzeń na stoliku za pomocą tradycyjnego mocowania próbki i zeskanuj go ponownie w tej samej rozdzielczości i projekcjach, co początkowy skan na sucho.</li>
</ol>
5. Przetwarzanie obrazu
<ol>
	<li>Skoryguj zrekonstruowane obrazy pod kątem utwardzenia wiązki związanej z użyciem wiązki polichromatycznej, zakładając, że wszelkie oddziaływania są promieniowo symetrycznymi funkcjami Gaussa33.</li>
	<li>Filtruj obrazy za pomocą filtra zachowującego krawędzie, takiego jak niezlokalizowane sposoby zwiększania sygnału do szumu34,35 (patrz <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53763/5.2_Filtering.png" target="_blank">Plik uzupełniający</a>).</li>
	<li>Podziel obrazy skanowania na sucho za pomocą algorytmu segmentacji zlewni36 i zdefiniuj ziarna jako skałę i pustkę (patrz <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53763/5.3_Segmentation.png" target="_blank">Plik uzupełniający</a>).
	<ol>
		<li>Wykonaj pierwsze zdjęcie rdzenia z reaktywną solanką i zarejestruj każdy kolejny obraz na pierwszym obrazie, a następnie ponownie próbkuj go za pomocą metody ponownego próbkowania Lanczos37 z pierwszym obrazem jako odniesieniem. Ponieważ trwająca reakcja ma tendencję do rozmywania krawędzi, segmentacja działu wodnego na obrazach nie jest wystarczająca do dokładnej segmentacji.</li>
		<li>Odejmij każdy przereagowany obraz rdzeniowy od pierwszego obrazu, aby uzyskać obraz różnicy. Podziel obrazy różnic na zmiany i brak zmian. Zarejestruj podzielony na segmenty skan suchy do pierwszego skanowania reaktywnego, a następnie odejmij zmianę segmentacji od segmentowanego skanowania na sucho, aby uzyskać segmentowane obrazy przereagowane38.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
6. Modelowanie
<ol>
	<li>Binaryzowane obrazy można wykorzystać jako dane wejściowe do bezpośredniego solvera przepływu Naviera-Stokesa39,40, lub modelu ekstrakcji sieciowej41 (Rysunek 8), aby scharakteryzować zmiany przepuszczalności i zapewnić fizyczny wgląd w dynamikę rozpuszczania.</li>
</ol>

<ol><li>Herzog, H., Caldeira, K., Reilly, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+issue+of+permanence%3A+Assessing+the+effectiveness+of+temporary+carbon+storage%5BTitle%5D)+AND+%22Clim.+Change%22%5BJournal%5D)">An issue of permanence: Assessing the effectiveness of temporary carbon storage.</a> Clim. Change. 59, 293-310 (2003).</li>
<li>Metz, B., Davidson, O., de Coninck, H., Loos, M., Meyer, L. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMetz%2C+B+%22Carbon+Dioxide+Capture+and+Storage.+IPCC%22">Carbon Dioxide Capture and Storage. IPCC</a>. , Cambridge University Press. 431(2005).</li>
<li>Langmuir, D., Hall, P., Drever, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLangmuir%2C+D+%22Aqueous+Environmental+Geochemistry%22">Aqueous Environmental Geochemistry</a>. , Prentice Hall. (1997).</li>
<li>Morse, J. W., Mackenzie, F. T. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMorse%2C+JW+%22Geochemistry+of+sedimentary+carbonates%22">Geochemistry of sedimentary carbonates</a>. , Elsevier. (1990).</li>
<li>Peng, C., Crawshaw, J. P., Maitland, G. C., Trusler, J. M., Vega-Maza, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+pH+of+CO+2-saturated+water+at+temperatures+between+308K+and+423K+at+pressures+up+to+15MPa%5BTitle%5D)+AND+%22J+Supercrit+Fluid%22%5BJournal%5D)">The pH of CO 2-saturated water at temperatures between 308K and 423K at pressures up to 15MPa.</a> J Supercrit Fluid. 82, 129-137 (2013).</li>
<li>Peng, C., Crawshaw, J. P., Maitland, G. C., Trusler, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinetics+of+calcite+dissolution+in+CO+2-saturated+water+at+temperatures+between+%28323+and+373%29+K+and+pressures+up+to+13.8+MPa%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Geol%22%5BJournal%5D)">Kinetics of calcite dissolution in CO 2-saturated water at temperatures between (323 and 373) K and pressures up to 13.8 MPa.</a> Chem. Geol. 403, 74-85 (2015).</li>
<li>Bachu, S., Nordbotten, J. M., Celia, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+the+spread+of+acid+gas+plumes+injected+in+deep+saline+aquifers+in+western+Canada+as+an+analogue+to+CO2+injection+in+continental+sedimentary+basins%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+7th+International+Conference+on+Greenhouse+Gas+Control+Technologies%22%5BJournal%5D)">Evaluation of the spread of acid gas plumes injected in deep saline aquifers in western Canada as an analogue to CO2 injection in continental sedimentary basins.</a> Proceedings of 7th International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies. 1, (2004).</li>
<li>Bachu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Review+of+CO+2+storage+efficiency+in+deep+saline+aquifers%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Greenh+Gas+Con%22%5BJournal%5D)">Review of CO 2 storage efficiency in deep saline aquifers.</a> Int J Greenh Gas Con. , (2015).</li>
<li>Marland, G., Fruit, K., Sedjo, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Accounting+for+sequestered+carbon%3A+the+question+of+permanence%5BTitle%5D)+AND+%22Environ+Sci+Policy%22%5BJournal%5D)">Accounting for sequestered carbon: the question of permanence.</a> Environ Sci Policy. 4, 259-268 (2001).</li>
<li>Daccord, G., Lenormand, R., Lietard, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical+Dissolution+of+a+Porous-Medium+by+a+Reactive+Fluid+.1.+Model+for+the+Wormholing+Phenomenon%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eng.+Sci%22%5BJournal%5D)">Chemical Dissolution of a Porous-Medium by a Reactive Fluid .1. Model for the Wormholing Phenomenon.</a> Chem. Eng. Sci. 48, 169-178 (1993).</li>
<li>Daccord, G., Lietard, O., Lenormand, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chemical+Dissolution+of+a+Porous-medium+by+a+Reactive+Fluid+.2.+Convection+vs+Reaction%2C+Behavior+Diagram%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eng.+Sci%22%5BJournal%5D)">Chemical Dissolution of a Porous-medium by a Reactive Fluid .2. Convection vs Reaction, Behavior Diagram.</a> Chem. Eng. Sci. 48, 179-186 (1993).</li>
<li>Maheshwari, P., Ratnakar, R., Kalia, N., Balakotaiah, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3-D+simulation+and+analysis+of+reactive+dissolution+and+wormhole+formation+in+carbonate+rocks%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eng.+Sci%22%5BJournal%5D)">3-D simulation and analysis of reactive dissolution and wormhole formation in carbonate rocks.</a> Chem. Eng. Sci. 90, 258-274 (2013).</li>
<li>El-Maghraby, R., Pentland, C., Iglauer, S., Blunt, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+fast+method+to+equilibrate+carbon+dioxide+with+brine+at+high+pressure+and+elevated+temperature+including+solubility+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22J+Supercrit+Fluid%22%5BJournal%5D)">A fast method to equilibrate carbon dioxide with brine at high pressure and elevated temperature including solubility measurements.</a> J Supercrit Fluid. 62, 55-59 (2012).</li>
<li>Fredd, C., Fogler, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+Transport+and+Reaction+on+Wormhole+Formations+in+Porous+Media%5BTitle%5D)+AND+%22AIChE%22%5BJournal%5D)">Influence of Transport and Reaction on Wormhole Formations in Porous Media.</a> AIChE. 44, (1998).</li>
<li>Gharbi, O., Toth, A., Bijeljic, B., Boek, E., Blunt, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGharbi%2C+O+%22PGE+Seminar+Series%22">PGE Seminar Series</a>. , Imperial College London. (2013).</li>
<li>Luquot, L., Gouze, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+determination+of+porosity+and+permeability+changes+induced+by+injection+of+CO2+into+carbonate+rocks%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Geol%22%5BJournal%5D)">Experimental determination of porosity and permeability changes induced by injection of CO2 into carbonate rocks.</a> Chem. Geol. 265, 148-159 (2009).</li>
<li>Cohen, C. E., Ding, D., Quintard, M., Bazin, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+pore+scale+to+wellbore+scale%3A+Impact+of+geometry+on+wormhole+growth+in+carbonate+acidization%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Eng.+Sci%22%5BJournal%5D)">From pore scale to wellbore scale: Impact of geometry on wormhole growth in carbonate acidization.</a> Chem. Eng. Sci. 63, 3088-3099 (2008).</li>
<li>Li, L., Peters, C. A., Celia, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Upscaling+geochemical+reaction+rates+using+pore-scale+network+modeling%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Water+Resour%22%5BJournal%5D)">Upscaling geochemical reaction rates using pore-scale network modeling.</a> Adv Water Resour. 29, 1351-1370 (2006).</li>
<li>Swoboda-Colberg, N. G., Drever, J. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mineral+dissolution+rates+in+plot-scale+field+and+laboratory+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Geol%22%5BJournal%5D)">Mineral dissolution rates in plot-scale field and laboratory experiments.</a> Chem. Geol. 105, 51-69 (1993).</li>
<li>Berg, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+3D+imaging+of+Haines+jumps+in+porous+media+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.S.A%22%5BJournal%5D)">Real-time 3D imaging of Haines jumps in porous media flow.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 110, 3755-3759 (2013).</li>
<li>Blunt, M. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pore-scale+imaging+and+modelling%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Water+Resour%22%5BJournal%5D)">Pore-scale imaging and modelling.</a> Adv Water Resour. 51, 197-216 (2013).</li>
<li>Ott, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Core-flood+experiment+for+transport+of+reactive+fluids+in+rocks%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Core-flood experiment for transport of reactive fluids in rocks.</a> Rev. Sci. Instrum. 83, 084501(2012).</li>
<li>Gharbi, O. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Fluid-Rock+Interactions+in+Carbonates%3A+Applications+to+CO2+storage%22">Fluid-Rock Interactions in Carbonates: Applications to CO2 storage</a>. , Imperial College London. (2014).</li>
<li>Noiriel, C., Gouze, P., Made, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+analysis+of+geometry+and+flow+changes+in+a+limestone+fracture+during+dissolution%5BTitle%5D)+AND+%22J+Hydrol%22%5BJournal%5D)">3D analysis of geometry and flow changes in a limestone fracture during dissolution.</a> J Hydrol. 486, 211-223 (2013).</li>
<li>Hao, Y., Smith, M., Sholokhova, Y., Carroll, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CO2-induced+dissolution+of+low+permeability+carbonates.+Part+II%3A+Numerical+modeling+of+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Water+Resour%22%5BJournal%5D)">CO2-induced dissolution of low permeability carbonates. Part II: Numerical modeling of experiments.</a> Adv Water Resour. 62, 388-408 (2013).</li>
<li>Smith, M. M., Sholokhova, Y., Hao, Y., Carroll, S. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CO2-induced+dissolution+of+low+permeability+carbonates.+Part+I%3A+Characterization+and+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Water+Resour%22%5BJournal%5D)">CO2-induced dissolution of low permeability carbonates. Part I: Characterization and experiments.</a> Adv Water Resour. 62, 370-387 (2013).</li>
<li>Gouze, P., Luquot, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((X-ray+microtomography+characterization+of+porosity%2C+permeability+and+reactive+surface+changes+during+dissolution%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Contam.+Hydrol%22%5BJournal%5D)">X-ray microtomography characterization of porosity, permeability and reactive surface changes during dissolution.</a> J. Contam. Hydrol. 120-121, 45-55 (2011).</li>
<li>Menke, H. P., Bijeljic, B., Andrew, M. G., Blunt, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+Three-Dimensional+Pore-Scale+Imaging+of+Reaction+in+a+Carbonate+at+Reservoir+Conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Environ.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Dynamic Three-Dimensional Pore-Scale Imaging of Reaction in a Carbonate at Reservoir Conditions.</a> Environ. Sci. Technol. 49, 4407-4414 (2015).</li>
<li>Andrew, M., Bijeljic, B., Blunt, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reservoir+Condition+Pore-scale+Imaging+of+Multiple+Fluid+Phases+Using+X-ray+Microtomography%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Reservoir Condition Pore-scale Imaging of Multiple Fluid Phases Using X-ray Microtomography.</a> J Vis Exp. , (2015).</li>
<li>Andrew, M., Bijeljic, B., Blunt, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pore-scale+imaging+of+trapped+supercritical+carbon+dioxide+in+sandstones+and+carbonates%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Greenh+Gas+Con%22%5BJournal%5D)">Pore-scale imaging of trapped supercritical carbon dioxide in sandstones and carbonates.</a> Int J Greenh Gas Con. 22, 1-14 (2014).</li>
<li>Henke, B. L. Filter Transmission. , Available from:
 <a target="_blank" href="http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html">http://henke.lbl.gov/optical_constants/filter2.html</a> (2015).</li>
<li>Henke, B. L., Gullikson, E. M., Davis, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((X-ray+interactions%3A+photoabsorption%2C+scattering%2C+transmission%2C+and+reflection+at+E%3D+50-30%2C000+eV%2C+Z%3D+1-92%5BTitle%5D)+AND+%22At.+Data+Nucl.+Data+Tables%22%5BJournal%5D)">X-ray interactions: photoabsorption, scattering, transmission, and reflection at E= 50-30,000 eV, Z= 1-92.</a> At. Data Nucl. Data Tables. 54, 181-342 (1993).</li>
<li>Schlüter, S., Sheppard, A., Brown, K., Wildenschild, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image+processing+of+multiphase+images+obtained+via+X-ray+microtomography%3A+A+review%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resour.+Res%22%5BJournal%5D)">Image processing of multiphase images obtained via X-ray microtomography: A review.</a> Water Resour. Res. 50, 3615-3639 (2014).</li>
<li>Buades, A., Coll, B., Morel, J. -M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+non-local+algorithm+for+image+denoising%5BTitle%5D)+AND+%22Computer+Vision+and+Pattern+Recognition%2C+2005.+CVPR+2005.+IEEE+Computer+Society+Conference+on%22%5BJournal%5D)">A non-local algorithm for image denoising.</a> Computer Vision and Pattern Recognition, 2005. CVPR 2005. IEEE Computer Society Conference on. 2, 60-65 (2005).</li>
<li>Buades, A., Coll, B., Morel, J. -M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonlocal+image+and+movie+denoising%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Comput+Vision%22%5BJournal%5D)">Nonlocal image and movie denoising.</a> Int J Comput Vision. 76, 123-139 (2008).</li>
<li>Sheppard, A. P., Sok, R. M., Averdunk, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Techniques+for+image+enhancement+and+segmentation+of+tomographic+images+of+porous+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Physica+A%22%5BJournal%5D)">Techniques for image enhancement and segmentation of tomographic images of porous materials.</a> Physica A. 339, 145-151 (2004).</li>
<li>Lanczos, C. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLanczos%2C+C+%22An+iteration+method+for+the+solution+of+the+eigenvalue+problem+of+linear+differential+and+integral+operators%22">An iteration method for the solution of the eigenvalue problem of linear differential and integral operators</a>. , United States Governm. Press Office. (1950).</li>
<li>Andrew, M., Menke, H., Blunt, M. J., Bijeljic, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Imaging+of+Dynamic+Multiphase+Fluid+Flow+Using+Synchrotron-Based+X-ray+Microtomography+at+Reservoir+Conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Transport+Porous+Med%22%5BJournal%5D)">The Imaging of Dynamic Multiphase Fluid Flow Using Synchrotron-Based X-ray Microtomography at Reservoir Conditions.</a> Transport Porous Med. , 1-24 (2015).</li>
<li>Raeini, A. Q., Blunt, M. J., Bijeljic, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modelling+two-phase+flow+in+porous+media+at+the+pore+scale+using+the+volume-of-fluid+method%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Comput.+Phys%22%5BJournal%5D)">Modelling two-phase flow in porous media at the pore scale using the volume-of-fluid method.</a> J. Comput. Phys. 231, 5653-5668 (2012).</li>
<li>Bijeljic, B., Raeini, A., Mostaghimi, P., Blunt, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Predictions+of+non-Fickian+solute+transport+in+different+classes+of+porous+media+using+direct+simulation+on+pore-scale+images%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+E%22%5BJournal%5D)">Predictions of non-Fickian solute transport in different classes of porous media using direct simulation on pore-scale images.</a> Phys Rev E. 87, 013011(2013).</li>
<li>Dong, H., Blunt, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pore-network+extraction+from+micro-computerized-tomography+images%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+E%22%5BJournal%5D)">Pore-network extraction from micro-computerized-tomography images.</a> Phys Rev E. 80, 036307(2009).</li>
<li>Menke, H. P., Bijeljic, B., Andrew, M. G., Blunt, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+Pore-scale+Imaging+of+Reactive+Transport+in+Heterogeneous+Carbonates+at+Reservoir+Conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Procedia%22%5BJournal%5D)">Dynamic Pore-scale Imaging of Reactive Transport in Heterogeneous Carbonates at Reservoir Conditions.</a> Energy Procedia. 63, 5503-5511 (2014).</li>
<li>Bijeljic, B., Mostaghimi, P., Blunt, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Signature+of+non-Fickian+solute+transport+in+complex+heterogeneous+porous+media%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Signature of non-Fickian solute transport in complex heterogeneous porous media.</a> Phys. Rev. Lett. 107, 204502(2011).</li>
<li>Ott, H., Oedai, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Wormhole+formation+and+compact+dissolution+in+single-and+two-phase+CO2-brine+injections%5BTitle%5D)+AND+%22Geophys.+Res.+Lett%22%5BJournal%5D)">Wormhole formation and compact dissolution in single-and two-phase CO2-brine injections.</a> Geophys. Res. Lett. 42, 2270-2276 (2015).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Najbardziej krytycznymi etapami dynamicznego obrazowania reakcji w heterogenicznych strukturach porowych w warunkach zbiornika są: 1) dokładna kontrola temperatury komórki wewnątrz różowej wiązki; 2) udana stabilność uchwytu rdzenia na szybko poruszającej się scenie; 3) efektywne techniki przetwarzania i przechowywania danych; oraz 4) efektywna segmentacja obrazów rozdzielczych w czasie.
Kontrola temperatury jest niezbędna do obrazowania stanu zbiornika za pomocą różowej wiązki. Jeśli temperatura wzrośnie powyżej temperatury reaktora, CO2 rozpuści się w przestrzeni porów i zarówno zmieni pH solanki, jak i utworzy zwoje nadkrytycznego CO2 w przestrzeni porów, które mogą zmienić charakter rozpuszczania44. Zastosowanie filtrów do pochłaniania promieni rentgenowskich o niższej energii ma kluczowe znaczenie dla usunięcia tego dodatkowego stresu temperaturowego, co pozwala termoparze i owijce grzewczej skutecznie kontrolować temperaturę na zewnątrz. Jednak filtry obniżają całkowitą przepustowość energii wiązki i dlatego muszą być używane oszczędnie, aby nie wydłużyć znacznie całkowitego czasu akwizycji. Ponadto typ i grubość filtra muszą być dostosowane do określonych długości fal energii i przepustowości linii wiązki.
Uchwyt rdzenia jest poddawany naprężeniom obrotowym i wibracyjnym podczas akwizycji tomografii, które mogą powodować drgania tulei z włókna węglowego podczas obracania stolika i rozmycie projekcji. Aby zminimalizować ten potencjał, uchwyt rdzenia został zaprojektowany jako krótka tuleja o długości 6 cm do stosowania w synchrotronach. Tuleja ta nie byłaby korzystna do stosowania ze skanerami stołowymi, ponieważ stalowe łączniki końcowe hamowałyby minimalizację odległości źródło-próbka i powiększenie geometryczne. Jednak w przypadku równoległego źródła światła nie są to obawy.
Każdy skan tomograficzny wykonany w serii może mieć rozmiar ponad 20 GB, co oznacza, że seria 100 skanów będzie miała rozmiar 2 TB. W przypadku bardzo szybkiego wykonywania wielu skanów z rzędu, zarówno przepustowość urządzenia, jak i opcje pamięci masowej stanowią poważne wyzwanie w zakresie zarządzania danymi. Eksperymentalna aparatura do obrazowania musi być zaprojektowana z uwzględnieniem tych ograniczeń, tak aby w pełni wykorzystać potencjał obrazowania dynamicznego szybkiej tomografii. Przed rozpoczęciem eksperymentu należy zidentyfikować wąskie gardła w przesyłaniu danych, a infrastrukturę technologiczną dostosować tak, aby takie kwestie, jak szybkość odczytu z kamery, przepustowość transferu i prędkość zapisu w pamięci masowej, nie hamowały potencjału szybkości akwizycji.
Skuteczna segmentacja rozdzielczych w czasie obrazów rozpadu stanowi wyzwanie. Gdy skan tomograficzny jest wykonywany w zmieniającym się układzie, krawędzie granicy ciało stałe i ciecz mogą ulec rozmyciu. To rozmycie sprawia, że tradycyjne techniki segmentacji, takie jak zlewnia, która działa przy założeniu, że granice będą regionami o najwyższym gradiencie tłumienia, są znacznie mniej skuteczne. Aby obejść ten problem, obliczany jest obraz różnicowy obrazów nieprzereagowanych i przereagowanych, co daje obraz tylko obszarów zmian. Metoda ta pozwala na skuteczną segmentację stale zmieniającej się struktury porów.
Szybka tomografia synchrotronowa w połączeniu z aparaturą w skali zbiornikowej jest potężną metodą eksperymentalną, którą można dostosować do zbadania szeregu zastosowań, w tym procesów przepływu wielofazowego, adwekcji-dyspersji i transportu w chemicznie niejednorodnych ośrodkach. Jednak obecna aparatura jest ograniczona do rozdzielczości czasowej rzędu sekund, eksperymentów jednofazowych i małych rozmiarów próbek. Przyszłe ulepszenia konstrukcyjne mogą obejmować dodatkowe pompy do pracy trójfazowej, zwiększenie strumienia, aby móc penetrować większe media, lepsze techniki rekonstrukcji, które pozwalają na wykonanie mniejszej liczby projekcji na skan, oraz wielowymiarowe podejścia do pozyskiwania i segmentacji obrazu, które mogą jeszcze bardziej poprawić głębokość, szerokość i dokładność informacji.

Głównym problemem związanym z wychwytywaniem i składowaniem dwutlenku węgla (CCS) jest długoterminowe bezpieczeństwo składowania1,2. Dwutlenek węgla, CO2, wstrzyknięty pod powierzchnię rozpuści się w solance gospodarza i utworzy kwas węglowy3,4,5. Ta kwaśna solanka może reagować i rozpuszczać otaczającą skałę, szczególnie jeśli skałą macierzystą jest wapień6. Rozpuszczanie może być korzystne i pozwolić na ciągłą przepuszczalność formacji7 i większą trwałość przechowywania8. Jednak integralność uszczelnień geologicznych może być zagrożona przez to rozpuszczenie i umożliwić migrację CO2 na powierzchnię9. Dokładne modelowanie predykcyjne trwałości magazynowania zależy zatem od pełnego zrozumienia rozpuszczania w systemie solanka-skała oraz rozkładu i szybkości ruchu płynu w podpowierzchniowym 10,11,12.
Jednak charakter i szybkość rozpuszczania w węglanach zależy zarówno od właściwości solanki13,14,15,16 oraz od skały macierzystej17. Szybkość rozpuszczania jest również silnie zależna od temperatury i ciśnienia solanki6, co sprawia, że rozwój eksperymentalnych technik pomiaru złożonych procesów zależnych od czasu w reprezentatywnych warunkach złoża ma kluczowe znaczenie.
Poprzednie eksperymenty wykazały, że szybkość reakcji w skali pola jest zazwyczaj o rzędy wielkości niższa niż w eksperymentalnych pomiarach reaktora wsadowego18,19. Wietrzenie, niejednorodność minerałów i niepełne mieszanie w niejednorodnym polu przepływu są możliwymi wyjaśnieniami tego zjawiska. Nie jest jednak możliwa ocena najważniejszych czynników bez bezpośredniej obserwacji ewoluującej przestrzeni porowej podczas reakcji. W związku z tym potrzebne są dynamiczne eksperymenty w skali porów, aby zapewnić zarówno wgląd w wzajemne zależności między transportem a reakcją, jak i zweryfikować modele predykcyjne.
Uznaną metodą eksperymentalną do badania procesów skalowania porów w zastosowaniach związanych z magazynowaniem węgla jest mikrotomografia rentgenowska (μCT)20,21. μ-CT ma kilka zalet: osiąga wysokie rozdzielczości przestrzenne do około 1 μm, jest nieinwazyjna i dostarcza trójwymiarowe obrazy. Rozpuszczanie wapienia badano w skali rdzenia (~cm)22 i stwierdzono, że reakcja skała-solanka zwiększa niejednorodność fizyczną. Aby pogłębić zrozumienie, w jaki sposób różne warunki transportu i reakcji zmieniają złożone struktury ciał stałych i porów, konieczne jest zmierzenie wywołanych reakcją zmian w geometrii przestrzeni porowej, topologii i przepływie w podpowierzchniowych systemach skalnych w temperaturach i ciśnieniach zbiorników oraz w wyższej rozdzielczości, w celu szczegółowego zbadania procesów w skali porów. W artykule opisano metodę badania reaktywnych procesów rozpuszczania w skałach o złożonej strukturze porów i skoncentrowano się na pomiarze czasu i szybkości reakcji zależnej od czasu i przestrzennie między solanką zakwaszoną CO2 a skałą wapienną w warunkach złożowych.
Przeprowadzono kilka badań, które dotyczyły reakcji w złożonych węglanach23,24,25,26,27, ale ze względu na ograniczenia eksperymentalne lub obrazowe, zostały one albo ograniczone do obrazów przed i po reakcji, albo nie zostały ukończone w reprezentatywnych warunkach podpowierzchniowych. Menke i wsp.28 przeprowadził dynamiczne obrazowanie in situ reakcji pomiędzy solanką zakwaszoną CO2 a wapieniem kettońskim w skali porów przez okres kilku godzin oraz w temperaturze i ciśnieniu reprezentatywnym dla warstwy wodonośnej na głębokości około 1 km. Jednak Ketton jest stosunkowo jednorodną skałą o dużych ziarnach, którą łatwo zobrazować w bardzo krótkim czasie (~17 min) i przy niewielkiej liczbie projekcji (~400). Większość skał węglanowych ma złożone struktury porów, które wymagają wielu projekcji w celu dokładnego rozdzielenia, co może być bardzo czasochłonnym procesem przy użyciu tradycyjnej μ-CT - albo z monochromatyczną wiązką w źródle synchrotronowym, albo z laboratoryjnymi skanerami rentgenowskimi. W związku z tym potrzebna jest szybka metoda tomografii, aby dynamicznie obserwować zmiany w heterogenicznych węglanach wywołane reakcją.
Ilość czasu potrzebna do zobrazowania próbki jest kontrolowana przez strumień źródła promieniowania rentgenowskiego. Jedną z metod szybkiego skanowania jest użycie polichromatycznej wiązki źródła synchrotronowego20. Ta tak zwana "różowa wiązka" zapewnia o rzędy wielkości intensywniejsze światło niż źródła stacjonarne, a zatem obrazy mogą być wykonywane w skali kilkudziesięciosekundowej, a nie godzinnej. Undulator, który składa się z okresowej struktury magnesów dipolowych, wytwarza różową wiązkę. Wiązka elektronów jest zmuszona do ulegania oscylacjom podczas przechodzenia przez magnesy, w wyniku czego wypromieniowuje energię. Wytwarzana energia jest skoncentrowana w wąskich pasmach długości fal i jest bardzo intensywna. Lustra i filtry są następnie wykorzystywane do zawężania spektrum światła w celu dostosowania go do potrzeb eksperymentalnych. Lustra pochłaniają widmo o wysokiej energii, podczas gdy filtry pochłaniają niższe energie. Dzięki temu możliwe jest zawężenie widma do pożądanego pasma promieniowania przy użyciu tylko tych narzędzi.
Jednak korzystanie z tego intensywnego strumienia promieniowania rentgenowskiego nie jest pozbawione wyzwań. Promienie rentgenowskie o niższej energii widma różowej wiązki są pochłaniane przez próbkę w postaci ciepła. Może to zakłócać kontrolę temperatury aparatu in situ i powodować rozpuszczenie CO2 z roztworu20. Solanka nasycona CO2 jest bardzo wrażliwa zarówno na ciepło, jak i ciśnienie, dlatego niewielka zmiana równowagi termicznej może znacząco zmienić pH płynu in situ5. W związku z tym staranne elementy projektowe i kontrolne dla widma promieniowania rentgenowskiego muszą zostać włączone do wyposażenia linii wiązki przed obrazowaniem.
Szybka tomografia również generuje ogromne ilości danych z dużą szybkością. Ograniczenia związane z odczytem danych z kamery i późniejszym przechowywaniem stanowią poważne wyzwanie technologiczne. Niektórzy poradzili sobie z tym problemem, wykonując kilka kolejnych skanów i zapisując je w pamięci aparatu przed odczytaniem ich na zewnętrznych serwerach danych. Wymaga to jednak, aby eksperyment był stosunkowo krótki, ponieważ pamięć kamery może pomieścić tylko skończoną ilość danych. Binning danych w aparacie skraca również czas przesyłania, ponieważ zmniejsza ilość danych, które trzeba przesłać, ale może potencjalnie obniżyć jakość obrazów. Alternatywnie, dane mogą być przesyłane z aparatu po każdym skanowaniu przed rozpoczęciem następnego, co wydłuży całkowity czas między skanowaniami. W tym badaniu wykorzystano tę drugą metodę, przy czym każda akwizycja obrazu trwała ~45 sekund, a odczyt danych zajmował dodatkowe ~30 sekund.
Podczas wykonywania skanów z dużą szybkością, próbka musi obracać się znacznie szybciej niż przy tradycyjnym skanowaniu, dlatego potencjalne naprężenie kątowe na uchwycie rdzenia jest duże. Włókno węglowe, choć przezroczyste dla promieni rentgenowskich, jest elastyczne pod wpływem naprężeń. Jeśli próbka porusza się podczas akwizycji obrazu, może wystąpić rozmycie obrazu. Tuleja uchwytu rdzenia została zaprojektowana tak, aby była jak najkrótsza, aby złagodzić te potencjalne naprężenia. Dodatkowo na wszystkich elementach aparatury doświadczalnej w pobliżu stopnia zastosowano elastyczne rurki z polieteroeteroketonu (PEEK), tak aby stopień mógł się swobodnie obracać. Jedną z wad stosowania rurek PEEK jest to, że przepuszcza CO2 w dyfuzyjnych skalach czasowych. Płyn znajdujący się w przewodach przez długi czas będzie stopniowo ulegał desaturacji w ciągu około 24 godzin. Wszystkie przewody, które nie znajdowały się w pobliżu uchwytu rdzenia, zostały wykonane ze stali nierdzewnej, a płyn został wstępnie zrównoważony w energicznie zmieszanym reaktorze Hastelloy, podgrzanym i podgrzanym do warunków eksperymentalnych23,29,30.
Eksperymentalna aparatura jest przedstawiona na rysunku 1. Temperatura zbiornika jest utrzymywana w uchwycie rdzenia poprzez owinięcie zewnętrznej części tulei przezroczystą taśmą grzewczą rentgenowską i włożenie termopary przez otwór promieniowy ogniwa do płynu ograniczającego. Następnie regulator pochodnej proporcjonalnej całki (PID) regulował temperaturę z dokładnością do 1 °C. Warunki ciśnienia i przepływu utrzymywano za pomocą trzech wysokociśnieniowych pomp strzykawkowych, które osiągają prędkość przepływu 0,001 ml/min. Do eksperymentu użyto dwóch soli, wysoce absorbującej 25% wag. niereaktywnej solanki KI i nisko absorbującej 1% wag. KCl, 5% wag. Reaktywnej solanki NaCl. Różnica w tłumieniu sprawiła, że łatwo było dostrzec pojawienie się reaktywnej solanki w rdzeniu, dzięki czemu obliczenia objętości martwej stały się zbędne.

<table><tbody><tr><td>Sól NaCl</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S7653-1KG</td><td></td></tr><tr><td>Sól KCl</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P9333-1KG</td><td></td></tr><tr><td>Sól KI</td><td>Sigma Aldrich</td><td>30315-1KG</td><td></td></tr><tr><td>Uchwyt rdzenia</td><td>Airbourne Composites</td><td>110 mm Uchwyt rdzenia</td><td>Zbudowany w połączeniu z</td></tr><tr><td>rurką PEEK</td><td>Imperial College Kinesis</td><td>1560xL</td><td></td></tr><tr><td>Termopara</td><td>Omega Engineering</td><td>KMTSS-IM300U-150</td><td></td></tr><tr><td>Elastyczna taśma grzewcza</td><td>Omega Engineering</td><td>KH-112/10-P</td><td></td></tr><tr><td>1/16 "Zawór iglicowy</td><td>Hydrasun Ltd</td><td>MVE1002</td><td></td></tr><tr><td>Wysokociśnieniowa pompa strzykawkowa</td><td>Teledyne ISCO</td><td>1000D</td><td></td></tr><tr><td>600 mL Reactor</td><td>Parr Instrument Company</td><td>4547A - hastelloy</td><td></td></tr><tr><td>CO2 Butla</td><td>BOC</td><td>CO2 - rozmiar E</td><td></td></tr><tr><td>Viton</td><td>Fisher Scientific</td><td>11572583</td><td></td></tr><tr><td>Folia aluminiowa</td><td>Coroplast</td><td>1510AWX</td><td></td></tr><tr><td>ImageJ - przetwarzanie obrazu</td><td>NIH</td><td>ImageJ</td><td></td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td>Matlab</td><td>Służy do analizy danych</td></tr><tr><td>Avizo</td><td>FEI</td><td>Avizo</td><td></td></tr><tr><td>Wykrywacz nieszczelności Snoop</td><td>Swagelok</td><td>MS-SNOOP-8OZ</td><td></td></tr></tbody></table>

dynamiczne obrazowanie stanu zbiornika w skali porowej reakcji w węglanach za pomocą szybkiej tomografii synchrotronowej

Dynamic Pore-scale Reservoir-condition Imaging of Reaction in Carbonates Using Synchrotron Fast Tomography

Trwałość składowania pod ziemią jest głównym problemem dla wychwytywania i składowania dwutlenku węgla. Pompowanie CO2 do zbiorników węglanowych może spowodować rozpuszczenie uszczelnień geologicznych i umożliwić ucieczkę CO2 . Jednak procesy rozpuszczania w warunkach zbiornikowych są słabo poznane. W związku z tym potrzebne są eksperymenty czasowo-rozdzielcze, aby obserwować i przewidywać naturę i szybkość rozpuszczania w skali porów. Szybka tomografia synchrotronowa to metoda wykonywania obrazów o wysokiej rozdzielczości w czasie złożonych struktur porowych znacznie szybciej niż tradycyjna μ-CT. Diamond Lightsource Pink Beam został użyty do dynamicznego obrazowania rozpuszczania wapienia w obecności solanki nasyconej CO2 w warunkach zbiornikowych. Wykonano 100 skanów w rozdzielczości 6,1 μm w ciągu 2 godzin. Obrazy podzielono na segmenty, a porowatość i przepuszczalność zmierzono za pomocą analizy obrazu i ekstrakcji sieciowej. Porowatość wzrastała równomiernie na całej długości próbki; Jednak tempo wzrostu zarówno porowatości, jak i przepuszczalności uległo spowolnieniu w późniejszych czasach.

Reakcję obrazowano pomiędzy kalcytem a nienasyconą solanką nasyconą scCO2 w rdzeniu węglanu portlandzkiego o średnicy 4 mm i długości 1,2 cm42. Węglan portlandzki jest stosunkowo czystym (&lt;99%) oolitem kalcytowym o złożonej, heterogenicznej strukturze porów43. Promienie rentgenowskie niskiej energii filtrowano, przepuszczając wiązkę przez 2 mm Al i 0,1 µm Au. W układzie detektora zastosowano scyntylator CdWO4 z obiektywem 1,25X oraz kamerę PCO EDGE. Skanowanie na sucho wykonano przy użyciu 4 00 projekcji, natomiast skany dynamiczne obejmowały po 1 0 projekcji każdy. Całkowity czas akwizycji wynosił ~1 minutę 15 sekund na skan, przy czym w ciągu 2 godzin wykonano ~100 skanów.
Rekonstrukcja i usuwanie artefaktów zostały wykonane przy użyciu autorskiego oprogramowania Diamond Lightsource. Każdy obraz składał się z 203 wokseli, które następnie poddano binowaniu w celu zwiększenia stosunku sygnału do szumu, co poskutkowało uzyskaniem obrazu o rozmiarze 1003 wokseli przy rozdzielczości 6.1 µm (Rycina 5). Następnie obrazy przetworzono przy użyciu modułów przetwarzania obrazu w programach Avizo 8.1 i ImageJ (patrz Plik uzupełniający). Przetwarzanie każdego obrazu zajęło około 12 godzin CPU i 3 godziny GPU na komputerze z procesorem 3.0 GHz i kartą graficzną Tesla K20C GPU.
Zasegmentowane obrazy przeanalizowano jako szeregi czasowe w celu określenia zmian porowatości, licząc liczbę wokseli porów oraz skały. Podczas rozpuszczania porowatość wzrasta wraz z upływem czasu (Rysunek 6). Inspekcja wizualna zasegmentowanych obrazów (Rysunek 7) wykazuje obecność kanału w kierunku przepływu. Po wykreśleniu porowatości jako funkcji czasu oraz odległości od wlotu próbki wyraźnie widać, że kanał tworzy się w pierwszej godzinie, a następnie rozszerza się w miarę trwania eksperymentu (Rysunek 8).
Kolejno wykorzystano segmentowane obrazy jako dane wejściowe do modelu ekstrakcji sieci w celu analizy zmian przepuszczalności (Rysunek 9). Stwierdzono gwałtowny wzrost przepuszczalności w ciągu pierwszej godziny, po czym w późniejszym czasie przepuszczalność uległa stabilizacji.
<img alt="Schemat układu przepływu cieczy z pompami, reaktorem i ogniwem Hasslera; wykorzystywany w eksperymentach z wtryskiwaniem CO2." src="/files/ftp_upload/53763/53763fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. in situ aparatura doświadczalna tlenek węgla(II)2 jest pod ciśnieniem wytwarzanym przez pompę wtryskową i służy do równoważenia solanki w reaktorze. Reaktywna solanka jest przeciągana przez zespół rdzenia za pomocą pompy odbiorczej. Komora jest ograniczona wodą dejonizowaną (DI) w pompie ograniczającej i podgrzewana za pomocą taśmy grzejnej sterowanej termoparą w płynie ograniczającym. System eksperymentalny jest połączony za pomocą przewodów, a przepływ płynu jest kierowany za pomocą zaworów (V) i złączek (U). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53763/53763fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.</a>
<img alt="Wykres strumienia fotonów w funkcji energii, analiza lustra Au-Al, piki absorpcji spektralnej." src="/files/ftp_upload/53763/53763fig2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 2"> 
Rysunek 2. Widma rentgenowskie wiązki różowej (pink beam) z Diamond Lightsource I-13I obliczone z wykorzystaniem zarówno eksperymentalnej krzywej strojenia, jak i teoretycznej odbijalności zwierciadeł oraz transmitancji filtrów. Lustra pochłaniają energie powyżej 30 keV; filtry z Al i Au pochłaniają energie odpowiednio poniżej 13 i 2 keV. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53763/53763fig2large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat linii wiązki synchrotronowej; undulator, filtry, CCD; do obrazowania rentgenowskiego, analizy próbek." src="/files/ftp_upload/53763/53763fig3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 3"> 
Rysunek 3. Aparatura obrazująca linii wiązki. Arkusze Al i Au filtrują różową wiązkę, a pozostałe promienie rentgenowskie uderzają w zespół rdzenia. Część promieni rentgenowskich jest pochłaniana przez próbkę, natomiast pozostałe przechodzą przez nią i uderzają w scyntylator, który fluorescuje w widmie widzialnym. Światło widzialne jest następnie skupiane przez obiektyw na detektorze CCD, który przekształca to światło w zpikselowany obraz cyfrowy, w którym wartość natężenia piksela jest funkcją liczby promieni rentgenowskich pochłoniętych przez scyntylator. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53763/53763fig3large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat głównego zestawu z termoparą, rurką PEEK i rdzeniem węglanowym do badań obrazowych." src="/files/ftp_upload/53763/53763fig4.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4. Zespół rdzenia wewnątrz uchwytu rdzenia. Przewody PEEK są przymocowane do wewnętrznych złączy końcowych i przewleczone przez stalowe zaślepki końcowe. Rdzeń zostaje owinięty folią aluminiową i włożony do tulei. Następnie tuleja jest naciągnięta na złącza końcowe, aby uzyskać wodoszczelną uszczelkę, a następnie dodaje się dwie dodatkowe warstwy folii aluminiowej, aby utrzymać wszystkie elementy na miejscu i zapobiec dyfuzji gazów. Termopara jest przymocowana do zewnętrznej strony zespołu rdzenia za pomocą zewnętrznej warstwy klejącej folii aluminiowej. Rysunek zmodyfikowany na podstawie pracy Menke. i wsp.42. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53763/53763fig4large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Obraz mikroskopowy, struktura porów skały osadowej, analiza porównawcza, wyniki badań geologicznych." src="/files/ftp_upload/53763/53763fig5.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 5"> 
Rysunek 5. Przekrój 2D zrekonstruowanego obrazu przed (a) i po (b) rozpuszczeniu. Jasne obszary to ziarna, a ciemne obszary to pory. Rozmycie na krawędziach granicy ziarno/pora jest widoczne w przereagowanej części przestrzeni porowej (b). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53763/53763fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres porowatości w funkcji czasu ilustrujący trend wzrostowy, istotny dla badań nad analizą materiałową." src="/files/ftp_upload/53763/53763fig6.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 6"> 
Rysunek 6. Porowatość w funkcji czasu. Porowatość zwiększa się liniowo z niewielkim spadkiem nachylenia w drugiej godzinie rozpuszczania. Rysunek zmodyfikowany na podstawie Menke i wsp.42. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53763/53763fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Schemat analizy mikrostruktury gleby, przedstawiający rozkład cząstek na potrzeby badania składu gleby." src="/files/ftp_upload/53763/53763fig7.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 7"> 
Rysunek 7. Trójwymiarowy rendering zmiany porowatości w 60. minucie eksperymentu; kolor zielony oznacza największą zmianę porowatości, a czerwony najmniejszą. W centrum rdzenia, gdzie rozpuszczanie jest najintensywniejsze, widoczny jest wyraźny porowaty kanał powstały w wyniku chemicznej reakcji ciało stałe-płyn. Rysunek zmodyfikowano na podstawie pracy Menke i wsp.42. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53763/53763fig7large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres porowatości w funkcji odległości przedstawiający dane dla 0, 60 i 120 minut; analiza wykresu liniowego." src="/files/ftp_upload/53763/53763fig8.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 8"> 
Rysunek 8. Profile porowatości w funkcji odległości od wlotu próbki. Porowatość jest jednorodna wzdłuż osi rozpuszczania, jednak szybkość rozpuszczania zmienia się w funkcji czasu. Rysunek zmodyfikowany na podstawie pracy Menke i wsp.42. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53763/53763fig8large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Symulacja sieci polimerowej i wykres przepuszczalności; analiza dyfuzji w czasie." src="/files/ftp_upload/53763/53763fig9.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 9"> 
Rycina 9. (A) Ekstrakcja sieci przeprowadzona na obrazach po segmentacji jest przedstawiona dla 60 minuty i ukazuje duże przestrzenie porów (kule) oraz ich połączenia (rurki). (BWykazano, że obliczona przepuszczalność wzrasta w czasie, przy czym gwałtowny wzrost następuje między 40. a 60. minutą, co wiąże się z powstaniem szerokiego kanału rozpuszczania. Rysunek zmodyfikowano na podstawie pracy Menke. i inni42. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53763/53763fig9large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>

Szybka tomografia synchrotronowa została użyta do dynamicznego zobrazowania rozpuszczania wapienia w obecności solanki nasyconej CO2 w warunkach zbiornikowych. Wykonano 100 skanów w rozdzielczości 6,1 μm przez okres 2 godzin.

Dynamiczne obrazowanie stanu zbiornika w skali porowej reakcji w węglanach za pomocą szybkiej tomografii synchrotronowej

Underground storage permanence is a major concern for carbon capture and storage. Pumping CO2 into carbonate reservoirs has the potential to dissolve ...

Ogólnym celem tego eksperymentu jest obserwacja dynamicznej zmiany granicy faz płynnej skały podczas reakcji z kwaśną solanką w prawdziwej skale w warunkach zbiornikowych. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące magazynowania węgla, takie jak dokładne przewidywanie migracji płynów podpowierzchniowych oraz skuteczność trwałości fal. Główną zaletą tej techniki jest to, że trójwymiarowe obrazy można wykonywać szybko i nieinwazyjnie.Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w systemy geochemiczne, można ją również zastosować do innych systemów. Typowymi zastosowaniami są obrazowanie wielu faz płynów w środowiskach naprężeń mechanicznych lub funkcjonowania baterii lub systemów biologicznych, takich jak oczy owadów. Zacznij od obliczenia widm promieniowania rentgenowskiego linii wiązki przy najwyższej energii i strumieniu różowej wiązki.Następnie przewiduj wydajność obrazowania przy użyciu eksperymentalnej krzywej dostrajania i pomiaru transmisji filtrowania. Następnie bardzo ważne jest, aby skalibrować widmo wiązki za pomocą odpowiednich filtrów, aby uzyskać dobry obraz. Jest to czasochłonne, ale niezbędne.Zacznij od odfiltrowania promieni rentgenowskich o niższej energii, które ogrzewają próbkę, a nie poprawiaj obrazowania. Oblicz teoretyczną transmisję filtra przy dostępnych długościach fal światła i wybierz odpowiednie filtry. W tym przypadku stosuje się filtry aluminiowe i złote.Następnie dodaj filtr pasmowo-przepustowy. W przypadku górnoprzepustowych filtrów rentgenowskich należy użyć zestawu filtrów pirolitycznych o średnicy 0,2 milimetra i filtrów aluminiowych o średnicy 0,2 milimetra. W przypadku filtra dolnoprzepustowego należy użyć lustra rentgenowskiego działającego w pobliżu kąta krytycznego.Pasek pokryty platyną pod kątem padania 1,15 milipręta jest tutaj używany do odbijania światła poniżej 30 kiloelektronowoltów. Następnie wybierz scyntylator, który obficie migocze przy dostępnych częstotliwościach i strumieniu światła linii wiązki. W tym przypadku stosuje się wolfram kadmu ułożony w stos z wolframem ołowiu.Następnie należy wybrać obiektyw obiektywu i kamerę o odpowiednim polu widzenia i rozdzielczości czasu fotografowania. Do obrazowania należy użyć techniki skanowania w locie, aby próbka doświadczała mniej wibracji. Zacznij od załadowania rdzenia do ogniwa, aby przygotować się na zalanie rdzenia.Najpierw owiń rdzeń jedną warstwą folii aluminiowej. Następnie włóż rdzeń do tulei z Vitonu, która jest przycięta tak, aby była o dwa milimetry krótsza niż łączna długość rdzenia i wewnętrznych łączników końcowych. Następnie naciągnij tuleję na pięciomilimetrowe złączki końcowe, aby uzyskać szczelne uszczelnienie.Nie powinno być przestrzeni między złączkami końcowymi w rdzeniu, w przeciwnym razie przepływ zostanie ściśnięty. Owiń złączki i tuleję dwiema dodatkowymi warstwami aluminium, aby zapobiec dyfuzji dwutlenku węgla do płynu ograniczającego i utrzymać tuleję na miejscu na złączkach. Teraz złóż z powrotem uchwyt rdzenia.Wsuń rurkę i uszczelki, a następnie wkręć. Następnie zamontuj uchwyt rdzenia na stoliku i podłącz przewody przepływowe i elektryczne. Przewody przepływowe i elektryczne nie mogą hamować swobodnego obracania się stolika po łuku 180 stopni.Teraz wykonaj suchy skan całego rdzenia przed rozpoczęciem eksperymentu. Szczegóły znajdują się w protokole tekstowym. Zrób również zdjęcia scyntylatorów zgodnie z opisem w tekście.Aby rozpocząć, załaduj świeżo przygotowaną solankę do reaktora i zmontuj ją ponownie. Dokręć, owiń je taśmą grzewczą i włóż sondę temperatury. Teraz załaduj dwutlenek węgla z pierwszego zaworu do pompy wtryskowej, aż ciśnienie osiągnie 100 barów.Następnie otwórz zawór drugi, aby zalać reaktor dwutlenkiem węgla. Ciągle mieszaj solankę za pomocą mieszadła porywającego i podgrzej reaktor do 50 stopni Celsjusza. Równoważyć solankę w 10 megapaskalach przez dwie do sześciu godzin, aby nasycić ją dwutlenkiem węgla i całkowicie rozpuścić węglan.Po wyrównaniu oczyść system. Najpierw połącz linie powyżej i poniżej uchwytu rdzenia, aby ominąć uchwyt rdzenia. Po drugie, ustaw pompę odbiorczą na ponowne napełnienie, aby załadować zjonizowaną wodę do pompy odbiorczej przez zawór 11.Po trzecie, otwórz zawory siódmy, czwarty i trzeci. Na koniec użyj pompy odbiorczej w trybie stałego ciśnienia, aby przepchnąć wodę z powrotem przez system i wyprowadzić zawór trzeci poniżej reaktora. Użyj około 10 objętości systemu, aby upewnić się, że przewody są wolne od powietrza i wypłukane do czysta.Teraz opróżnij pompę odbiorczą i załaduj cięższą solankę do pompy odbiorczej przez zawór 11. Użyj 25% wagowo jodku potasu. Następnie załaduj zjonizowaną wodę do pompy ograniczającej przez zawór 10.Następnie zamknij zawór 10 i otwórz zawory ósmy i szósty. Użyj pompy ograniczającej, aby ograniczyć rdzeń do dwóch megapaskalów. Teraz zamknij zawór 11 i zwiększ ciśnienie w pompie odbiorczej do 10 barów.Następnie otwórz zawory dziewiąty, siódmy, czwarty i trzeci. Wykorzystaj powstały spadek ciśnienia, aby przepuścić solankę przez rdzeń. Stopniowo zwiększaj ciśnienie ograniczające i słabe, aby uzyskać rozsądne natężenie przepływu.Doprowadź około dwóch pełnych objętości solanki systemu do rdzenia. Zamknij zawór trzeci, a następnie stopniowo zwiększaj ciśnienie ograniczające i słabe, aż rdzeń zostanie ograniczony do 12 megapaskalów, a ciśnienie rdzenia wyniesie 10 megapaskal. Rdzeń musi również ponownie osiągnąć równowagę do 50 stopni Celsjusza.Teraz zatrzymaj pompę odbiorczą i otwórz zawór piąty u podstawy reaktora, aby podłączyć system reaktora do rdzenia. Jest to eksperyment z ciśnieniem w wysokiej temperaturze. Aby zapewnić sukces, należy zachować szczególną ostrożność podczas montażu sprzętu i dokładnie go przetestować przed rozpoczęciem przepływu reaktywnego.Przed rozpoczęciem przepływu płynu wyśrodkuj pole widzenia kamery CMOS na środku rdzenia i zacznij wykonywać ciągłe projekcje 2D, aby śledzić zalanie rdzenia. Następnie wyreguluj pompę odbiorczą do wymaganych natężeń przepływu przez rdzeń. Użyj pompy wtryskowej z przodu, aby wyregulować ciśnienie w układzie.Teraz monitoruj projekcje 2D pod kątem zmian tłumienia, które sygnalizują nadejście reaktywnej solanki. Transmisja rdzenia wzrośnie, a projekcje pojaśnieją, gdy więcej światła uderzy w scyntylator, gdy wypełni się wysoce przezroczysty płyn reaktywny o wysokim stopniu promieniowania rentgenowskiego. Jeśli nie ma różnicy w tłumieniu między solanką reaktywną i niereaktywną, użyj solanki o wyższym stężeniu soli lub innej soli o wysokim stopniu wchłaniania.Po nadejściu reagującej solanki przerwij skanowanie 2D i zacznij wykonywać kolejne tomografie 3D tak szybko, jak to możliwe. Użyj około 1 000 projekcji na skan i zeskanuj rdzeń, obracając się tylko o 180 stopni. Skanuj, aż zostanie osiągnięty limit czasu lub rdzeń będzie wyglądał na tak rozpuszczony i istnieje bezpośrednie niebezpieczeństwo wewnętrznego zawalenia się konstrukcji.Następnie rozhermetyzuj system zgodnie z protokołem tekstowym i ostrożnie wyjmij zespół rdzenia z uchwytu rdzenia. Po wyjęciu odłącz tuleję od wewnętrznych łączników końcowych i umieść rdzeń pokryty tuleją w zlewce z dejonizowaną wodą, aby rozcieńczyć potencjalnie reaktywną solankę i zatrzymać całą reakcję. Za pomocą opisanej metody zobrazowano reakcję między kalcytem a niebuforowaną nadkrytyczną solanką nasyconą dwutlenkiem węgla w rdzeniu węglanowym portlandzkim.Podzielone na segmenty obrazy analizowano jako szereg czasowy dla zmian porowatości poprzez zliczanie liczby oksyli porów i skał. Podczas rozpuszczania porowatość zwiększała się z czasem. Oględziny obrazów podzielonych na segmenty wskazują na obecność kanału w kierunku przepływu.Dalsze badania wykazały, że kanał uformował się w ciągu pierwszej godziny, a następnie rozszerzył się w miarę trwania eksperymentu. Podzielone na segmenty obrazy zostały następnie wykorzystane jako dane wejściowe do modelu ekstrakcji sieci w celu analizy zmian przepuszczalności. W ciągu pierwszej godziny nastąpił gwałtowny wzrost przepuszczalności, ale potem przepuszczalność się ustabilizowała.Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak obrazować dynamiczną reakcję za pomocą szybkiej tomografii synchrotronowej. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu czterech godzin, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać o zabezpieczeniu całego sprzętu przed rozlaniem płynów oraz o dokładnym przetestowaniu go przed zainstalowaniem na linii belki.Przestrzegamy rygorystycznych procedur, aby zapewnić bardzo wysokie standardy bezpieczeństwa. Jeśli chodzi o naukę synchrotronową, zdrowie i bezpieczeństwo są najważniejsze.

dynamic-pore-scale-reservoir-condition-imaging-reaction-carbonates

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Wykorzystaliśmy synchrotronową tomografię rentgenowską w Europejskiej Instalacji Promieniowania Synchrotronowego (ESRF), aby nieinwazyjnie uzyskać trójwymiarowe zbiory danych tomograficznych o rozdzielczości piksela 0.7µm. Dzięki zastosowaniu oprogramowania do renderowania objętościowego możliwe jest zrekonstruowanie struktur wewnętrznych w ich stanie naturalnym, bez artefaktów powstających podczas sekcjonowania histologicznego.

Nieinwazyjna wizualizacja 3D z rozdzielczością submikronową z wykorzystaniem synchrotronowej tomografii rentgenowskiej

Prezentujemy metodologię obrazowania wielu faz płynu w warunkach zbiornikowych za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej. Przedstawiamy kilka reprezentatywnych wyników uwięzienia kapilarnego w próbce skały węglanowej.

Obrazowanie w skali porów stanu zbiornika wielu faz płynu za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej

Opisujemy szczegółowe procedury eksperymentów z kompresją skał i kruszyw mineralnych w aparacie do deformacji wielokowadełkowej sprzężonej z synchrotronowym promieniowaniem X. Takie eksperymenty pozwalają na ilościowe określenie rozkładu naprężeń w próbkach, co ostatecznie rzuca światło na procesy zagęszczania w geomateriałach.

Rozkład naprężeń podczas ściskania na zimno skał i kruszyw mineralnych za pomocą dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego opartej na synchrotronie

Ten protokół jest prezentowany w celu scharakteryzowania złożonych warunków zwilżania nieprzezroczystego porowatego medium (skały zbiornika węglowodorowego) za pomocą trójwymiarowych obrazów uzyskanych za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej w warunkach podpowierzchniowych.

Obrazowanie w skali porów i charakterystyka zwilżalności skał złożowych węglowodorów w warunkach podpowierzchniowych za pomocą mikrotomografii rentgenowskiej

Protokół opisuje procedury pozyskiwania obrazów tomografii komputerowej (CT) ziarnistego gruntu o wysokiej rozdzielczości przestrzennej podczas trójosiowego ściskania oraz stosowania technik przetwarzania obrazów do tych obrazów CT w celu zbadania mechanicznego zachowania gleby pod obciążeniem w skali ziarna.

Wizualizacja uszkodzeń i związanego z nimi zachowania mechanicznego ziarnistych gruntów ziarnistych pod ścinaniem przy użyciu synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Opracowaliśmy niezależną komórkę cieczową, która umożliwia obrazowanie przez ciecze za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Dynamiczne procesy zachodzące w nanocząstkach w cieczach mogą być ujawniane w czasie rzeczywistym z rozdzielczością subnanometrową.

Odkrywanie dynamicznych procesów materiałów w cieczach za pomocą mikroskopii elektronowej transmisji komórek ciekłych

Opisujemy użycie technik synchrotronowej spektroskopii absorpcyjnej promieniowania rentgenowskiego (XAS) i dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) do badania szczegółów procesów interkalacji/deinterkalacji w materiałach elektrodowych dla akumulatorów litowo-jonowych i na-jonowych. Zarówno eksperymenty in situ, jak i ex situ są wykorzystywane do zrozumienia zachowań strukturalnych istotnych dla działania...

Charakterystyka materiałów elektrodowych do akumulatorów litowo-jonowych i sodowo-jonowych z wykorzystaniem technik promieniowania synchrotronowego

Wpływ kropli płynów nienewtonowskich jest złożonym procesem, ponieważ różne parametry fizyczne wpływają na dynamikę w bardzo krótkim czasie (mniej niż jedna dziesiąta milisekundy). Wprowadzono technikę szybkiego obrazowania w celu scharakteryzowania zachowań zderzeniowych różnych płynów nienewtonowskich.

Technika szybkiego obrazowania do badania dynamiki uderzeń kropli płynów nienewtonowskich

Opisujemy projekt i budowę ogniwa elektrochemicznego do badania materiałów elektrodowych za pomocą dyfrakcji proszków neutronów in situ (NPD). Pokrótce omówimy alternatywne projekty komórek NPD in situ i omówimy metody analizy odpowiadających im danych NPD in situ uzyskanych przy użyciu tej komórki.

In Situ Dyfrakcja proszku neutronowego przy użyciu niestandardowych akumulatorów litowo-jonowych

Synchrotronowa mikrotomografia twardego promieniowania rentgenowskiego jest używana do obrazowania elektrochemicznego wzrostu dendrytów z elektrody litowo-metalowej przez membranę elektrolitu polimerowego.

Analiza uszkodzeń baterii za pomocą synchrotronowej mikrotomografii rentgenowskiej

Poznaj szybką tomografię synchrotronową do dynamicznego obrazowania rozpuszczania wapienia w nasyconej CO₂ solance. Ta metoda pozwala obserwować interakcje płyn-skała w warunkach zbiornikowych.

Dynamiczne obrazowanie stanu zbiornika w skali porowej reakcji w węglanach za pomocą szybkiej tomografii synchrotronowej

Przeglądaj więcej filmów