Techniki wytwarzania mikroprzepływowego do wysokociśnieniowych prób transportu nadkrytycznej piany CO₂ w mikroskali w pękniętych zbiornikach niekonwencjonalnych

Protokół ten jest multidyscyplinarnym wspólnym wysiłkiem University of Kansas i University of Wyoming. Pojawiła się potrzeba przetestowania naszych opatentowanych nanocząstek kompleksu polielektrolitów przy użyciu mikrofluidyki wysokociśnieniowej. Zapoczątkowało to współpracę między naszą grupą badawczą a grupą badawczą dr Aryany, aby skorzystać z jego najnowocześniejszych obiektów.

Chcielibyśmy podziękować NSF za sfinansowanie części tego projektu i podziękować programowi szkolnictwa wyższego lub programowi odbudowy za udostępnienie swoich obiektów i wsparcia potrzebnego dla tego projektu. Ponadto prace te były częściowo wspierane przez CMCUF i Energy Frontier Research Center finansowane przez DOE. Protokół ten i jego zastosowanie do zastępowania złożonych przepuszczalnych ośrodków i ich warunków wysokiego ciśnienia jest wynikiem współpracy dwóch grup badawczych, jednej z University of Wyoming, a drugiej z University of Kansas.

Protokół ten szczegółowo opisuje procedurę produkcji solidnej platformy mikroprzepływowej w przypadku braku pomieszczeń czystych. Platforma ta umożliwia bezpośrednią wizualizację przepływu w złożonych geometriach w warunkach wysokiego ciśnienia. Opisana technika może być wykorzystana do starzenia złożonych sieci kanałów w podłożach szklanych, które naśladują struktury z ośrodków podpowierzchniowych i wytrzymują warunki wysokiego ciśnienia występujące podczas utylizacji i magazynowania CO2.

Metoda ta może być stosowana w celu uzyskania wglądu w skrzyżowania i transport złożonych płynów w nieprzepuszczalnych ośrodkach w kontekście CCUS. Podczas wykonywania tego protokołu wymagana jest cierpliwość i szczególna ostrożność, aby zminimalizować ryzyko obrażeń fizycznych i niepowodzeń w procesie produkcji. Wizualna demonstracja tej metody umożliwia skuteczne komunikowanie kroków, które są kluczowe dla jej pomyślnego wykonania.

Zacznij od wlania odpowiedniej ilości roztworu do trawienia chromu do zlewki i podgrzania jej do około 40 stopni Celsjusza. Następnie umieść maskę bezpośrednio na boku podłoża borokrzemianowego, które jest pokryte chromem i fotorezystem. Przenieś wzór geometryczny na warstwę fotorezystu, wystawiając stos podłoża i maskę na działanie światła UV.

Usuń maskę fotograficzną i stos podłoża ze sceny UV, a następnie usuń maskę fotograficzną i zanurz podłoże i roztwór wywoływacza na około 40 sekund. Kaskadowo spłukiwać podłoże poprzez spływającą wodę dejonizowaną na wierzch podłoża i na wszystkich jego powierzchniach co najmniej trzy razy. Po pozostawieniu podłoża do wyschnięcia, zanurz je w podgrzanym wabiciele chromowym na około 40 sekund, przenosząc w ten sposób wzór z fotorezystu na warstwę chromu.

Usuń podłoże z roztworu, spłucz je kaskadowo wodą dejonizowaną i pozostaw do wyschnięcia. Za pomocą pędzla nałóż kilka warstw HMDS na odsłoniętą powierzchnię podłoża i pozostaw do wyschnięcia. Nałóż jedną warstwę fotorezystu na wierzch podkładu, a następnie umieść podłoże w piekarniku w temperaturze od 60 do 90 stopni Celsjusza na 30 do 40 minut.

Następnie pozostaw podłoże wzoru w roztworze wytrawiacza na określony czas, w zależności od pożądanej głębokości kanału. Usuń podłoże z wytrawiacza za pomocą pęsety odpornej na rozpuszczalniki i spłucz kaskadowo wodą dejonizowaną. Wystawić podłoże na działanie roztworu NMP podgrzanego do 65 stopni Celsjusza przez około 30 minut, aby usunąć fotorezyst.

Kaskadowo spłucz go acetonem, a następnie etanolem i wodą dejonizowaną. Umieść czyste podłoże w wytrawiaczu chromowym i podgrzewaj do około 40 stopni Celsjusza przez około minutę. Następnie scharakteryzuj głębokość kanału za pomocą skaningu laserowego, mikroskopii konfokalnej.

Zaznacz położenie otworów wlotowych i wylotowych na czystym podłożu borokrzemianowym, dopasowując pokrywę do wytrawionego podłoża. Użyj piaskarki z mikrościerniwem i mikrościerniska z tlenku glinu o długości 50 mikrometrów, aby przedmuchać otwory w zaznaczonych miejscach. Kaskadowo spłukać zarówno wytrawione podłoże, jak i płytę pokrywy wodą dejonizowaną.

Następnie doprowadzić do wrzenia od jednego do czterech roztworów piranii z nadtlenkiem wodoru i zanurzyć podłoże i płytkę pokrywową w roztworze na 10 minut. Po wypłukaniu podłoża i płyty przykrywającej zanurz je w wytrawiaczu buforowym na 30 do 40 sekund i ponownie wypłucz. Następnie zanurz podłoże i płytkę przykrywającą na 10 minut w roztworze wody, nadtlenku wodoru, kwasu solnego, który jest podgrzewany do około 75 stopni Celsjusza.

Dociśnij mocno podłoże i płytkę przykrywającą do siebie, gdy są zanurzone, a następnie wyjmij je z roztworu, spłucz kaskadowo i zanurz w wodzie dejonizowanej. Upewnij się, że podłoże i płyta przykrywająca są mocno ze sobą połączone, dociśnij je do siebie i ostrożnie wyjmij je z wody. Ostrożnie wyrównaj podłoże i płytkę pokrywy, gdy są zanurzone w wodzie DI i powtarzaj procedurę, aż nie zaobserwuje się pęcherzyków powietrza między nimi.

Umieść podłoża w stosie między dwiema gładkimi płytkami szklano-ceramicznymi o grubości 1,5 2 centymetra w celu sklejenia. Umieść płytki szklano-ceramiczne między dwiema metalowymi płytkami wykonanymi ze stopu x. Upewnij się, że szklane płytki i ceramiczny metalowy uchwyt są wyśrodkowane.

Ręcznie dokręć nakrętki i umieść uchwyt w komorze próżniowej na 60 minut w temperaturze około 100 stopni Celsjusza. Następnie wyjmij uchwyt z komory i ostrożnie dokręć nakrętki. Umieść uchwyt w piecu i wykonaj program ogrzewania zgodnie ze wskazówkami z manuskryptu.

Wyjmij termicznie połączone urządzenie mikroprzepływowe z pieca i spłucz je wodą. Następnie zanurz go w sonikacji w kwasie solnym przez godzinę. Napełnij zbiorniki pomp dwutlenku węgla i wody wystarczającą ilością płynów do eksperymentu i użyj strzykawki do napełnienia akumulatora solanki i przewodów przepływowych roztworem środka powierzchniowo czynnego.

Umieść nasycone urządzenie mikroprzepływowe w uchwycie odpornym na ciśnienie i podłącz porty wlotowe i wylotowe do odpowiednich przewodów za pomocą rurki o średnicy wewnętrznej 0.01 cala. Zwiększ temperaturę kąpieli obiegowej, która kontroluje temperaturę przewodów solanki i dwutlenku węgla do żądanej temperatury. Zwiększaj ciśnienie zwrotne i ciśnienie pompy solanki jednocześnie w stopniowych krokach, utrzymując ciągły przepływ z wylotu regulatora ciśnienia zwrotnego.

Zwiększ ciśnienie do 7,38 mega paskala i zatrzymaj pompy. Zwiększ ciśnienie w przewodzie dwutlenku węgla do ciśnienia powyżej 7,38 megapaskala, a następnie otwórz zawór dwutlenku węgla i pozwól, aby nadkrytyczny dwutlenek węgla zmieszany z roztworem środka powierzchniowo czynnego pod wysokim ciśnieniem przepłynął przez mieszalnik liniowy i wytworzył pianę. Poczekaj, aż przepływ wewnątrz urządzenia zostanie w pełni rozwinięty, a kanały zostaną nasycone, monitorując wylot pod kątem początku wytwarzania piany.

Włącz kamerę, aby uchwycić szczegółowe obrazy przepływu wewnątrz kanałów. Przedstawiono transport i stabilność piany dwutlenku węgla w urządzeniu mikroprzepływowym do litografii UV, podczas pierwszych 20 minut wytwarzania i izolacji. Wielofazowość przemieszczała się w poprzek mikropęknięć, a przez mikropęknięcia powstawała piana.

Piana została wytworzona w selektywnym urządzeniu mikroprzepływowym do wytrawiania indukowanego laserem, począwszy od warunków otoczenia bez przepływu, do w pełni rozwiniętej, nadkrytycznej pianki z dwutlenku węgla przy wysokich i niskich prędkościach przepływu. Rozkład i stabilność piany zobrazowano w warunkach zbiornika w ciągu pierwszych 20 minut od wytworzenia i izolacji. Rozkład średnic pęcherzyków określono za pomocą obrazu J. Kwantyfikację mikrostruktury piany przeprowadzono przy użyciu obrazów surowych, obrazów przetworzonych po obróbce i ich binaryzowanych odpowiedników.

Próbując tego praktycznego, ważne jest, aby dokładnie sprawdzić wzór na warstwie chromu w żółtym świetle, aby upewnić się, że pożądany wzór został prawidłowo przeniesiony. Warianty tych metod obejmują wtryskiwanie pod wysokim ciśnieniem oleju, roztworów polimerów i solanek o niskim zasoleniu w celu zrozumienia fizyki przepływu złożonych płynów poprzez bezpośrednią wizualizację.