Summary
Het doel van deze procedure is te gemakkelijk en snel produceren een microfluidic-apparaat met aanpasbare geometrie en weerstand tegen de zwelling door organische vloeistoffen voor olie herstel studies. Een Polydimethylsiloxaan schimmel is eerst gegenereerd, en vervolgens gebruikt om het apparaat op basis van epoxy gegoten. Een representatieve verplaatsing studie wordt gerapporteerd.
Abstract
Microfluidic apparaten zijn veelzijdige tools voor het bestuderen van transportprocessen op microscopische schaal. Een vraag bestaat voor microfluidic apparaten die resistent zijn tegen lage moleculaire gewicht olie componenten, in tegenstelling tot traditionele Polydimethylsiloxaan (PDMS) apparaten. Hier, wij tonen een facile methode voor het maken van een apparaat met deze eigenschap, en we gebruiken het product van dit protocol voor de behandeling van de porie-schaal mechanismen door welke schuim herstelt ruwe olie. Een patroon is eerst ontworpen met behulp van computer aided design (CAD) software en afgedrukt op een transparantie met een hoge-resolutieprinter. Dit patroon wordt vervolgens overgebracht naar een fotoresist via een litho-procedure. PDMS is geworpen op het patroon, genezen in een oven en verwijderd om het verkrijgen van een schimmel. Een thiol-Ono crosslinking polymeer, gebruikte als een optische lijm (OA), vervolgens op de mal gegoten en genezen onder UV-licht. De schimmel PDMS wordt gepeld uit de buurt van de optische zelfklevende cast. Een glazen substraat wordt dan voorbereid, en de twee helften van het apparaat zijn samen gebonden. Optische lijm gebaseerde apparaten zijn robuuster dan traditionele PDMS microfluidic apparaten. De epoxy-structuur is resistent tegen zwelling door vele organische oplosmiddelen, die opent nieuwe mogelijkheden voor het uittesten van licht organische vloeistoffen. Bovendien, is het oppervlak bevochtigbaarheid gedrag van deze apparaten stabieler dan die van PDMS. De bouw van optische zelfklevende microfluidic apparaten is eenvoudig, nog vergt stapsgewijs meer inspanning dan het maken van PDMS-gebaseerde apparaten. Ook, hoewel optische zelfklevende apparaten stabiel in organische vloeistoffen zijn, kunnen ze vertonen verminderde hechtsterkte-na een lange tijd. Optische zelfklevende microfluidic apparaten kunnen worden gemaakt in geometrieën die als 2D-micromodels voor poreuze media fungeren. Deze apparaten worden toegepast in de studie van olie verplaatsing ter verbetering van ons inzicht in de porie-schaal mechanismen die betrokken zijn bij verbeterde olie herstel en aquifer sanering.
Introduction
Het doel van deze methode is om te visualiseren en analyseren van multi-phase, multi-component vloeistof interacties en complexe porie-schaal dynamiek in poreuze media. Vloeistofstromen en vervoer in poreuze media zijn van belang voor vele jaren omdat deze systemen zijn van toepassing op verschillende ondergrond processen zoals oliewinning, aquifer sanering en hydraulische breken1,2, 3 , 4 , 5. het gebruik van micromodels om na te bootsen van deze complexe porie-structuren, unieke inzichten worden verdiend door het visualiseren van de dynamische gebeurtenissen porie-niveau tussen de verschillende fasen van de vloeistof en de media6,7,8 ,9,10,11.
De fabricage van traditionele silica gebaseerde micromodels is duur, tijdrovend en uitdagend, maar bouw van micromodels van optische lijm biedt een relatief goedkoop, snel en gemakkelijk alternatieve12,13, 14,,15. Vergeleken met andere polymeer gebaseerde micromodels, vertoont optische lijm stabieler oppervlak bevochtigende eigenschappen. Bijvoorbeeld, wordt Polydimethylsiloxaan (PDMS) micromodel oppervlakken snel hydrofobe in de loop van een typische verplaatsing experiment16. Bovendien is de Youngs modulus voor PDMS 2.5 MPa, terwijl die van optische lijm 325 MPa13,17,18. Optische lijm is dus minder gevoelig voor druk geïnduceerde vervorming en kanaal mislukking. Belangrijker, is genezen optische lijm veel beter bestand zijn tegen de zwelling door lage moleculaire gewicht organische componenten, waarmee experimenten met ruwe aardolie en lichte oplosmiddelen transiënte18. Totale optische lijm is een superieur alternatief voor PDMS voor verplaatsing studies waarbij ruwe olie wanneer silica gebaseerde micromodels onbetaalbaar complexe of dure zijn en hoge temperatuur en druk studies niet vereist zijn.
Het protocol beschreven in deze publicatie wordt uitgelegd hoe u stapsgewijs fabricage voor optische zelfklevende micromodels en rapporten van de subtiele trucs die zorgen voor succes in het manipuleren van kleine hoeveelheden vloeistoffen. Het ontwerp en de fabricage van optische zelfklevende gebaseerde micromodels met zachte litho is voor het eerst beschreven. Vervolgens wordt de strategie van vloeistof verplaatsing gegeven voor ultra-lage stroomsnelheid die vaak onbereikbaar met massastroom controllers zijn. Vervolgens wordt een representatieve experimentele resultaat gegeven als een voorbeeld. Dit experiment onthult schuim destabilisatie en vermeerdering probleem in aanwezigheid van ruwe olie en heterogene poreuze media. Tot slot, typische verwerking en gegevens beeldanalyse wordt gemeld.
De methode die hier is geschikt voor visualisatie toepassingen waarbij multi-phase flow en interacties in beperkt microchannel-ruimten. Specifiek, deze methode is geoptimaliseerd voor karakteristiek micro-functie resoluties groter dan 5 en minder dan 700 µm. typische debiet worden over de volgorde van 0,1 tot 1 mL/h. In studies van ruwe olie of lichte oplosmiddel verplaatsing door waterige of gasvormige vloeistoffen over de volgorde van deze geoptimaliseerde parameters op omgevingsomstandigheden, moet dit protocol worden afgestemd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Let op: Dit protocol omvat de behandeling van een hoge temperatuur oven, giftige chemicaliën en UV-licht. Lees aandachtig alle de veiligheidsinformatiebladen en volg de richtlijnen van de chemische veiligheid van de van uw instelling.
1. apparaat Design
- Het ontwerp van een photomask in een CAD-softwaretoepassing.
- Tekenen van een rechthoekig kanaal dat is 3 cm lang en 0.5 cm breed (Figuur 1b-rechtsboven).
- Maak een array van gesloten shapes van de korrels van de poreuze media.
Opmerking: Deze shapes worden aangeduid als berichten omdat zullen ze driedimensionale structuren tijdens het zachte lithografie. De vorm en grootte van de posten moeten worden over de volgorde van tientallen micron, en hebben een afstand van tien tot honderd micron. Meerdere maten van de post kunnen worden gebruikt om het creëren van heterogeniteit, en een sectie blote van posten te simuleren van een breuk in de media kan worden overgelaten. - Loting inlaat en uitlaat-kanalen die ongeveer een derde zo breed als de poreuze media sectie. Teken een kanaal die voortvloeien uit de perszijde om op te treden als een afvoer.
- Teken een selectiekader rond het gehele ontwerp met een minimum van 1,0 cm van goedkeuring van het ontwerp.
Opmerking: Het gebied tussen het selectiekader en de grenzen van het ontwerp, evenals de posten, moeten transparant worden gemaakt op de photomask.
- Indienen van het CAD-bestand naar een bedrijf voor hoge resolutie CAD afdrukken
Opmerking: Optioneel: ontwerpen voor een schuim verplaatsing experiment, een microfluidic schuim generator (Figuur 1a). Herhaal stap 1, het weglaten van de ontwerp-heterogeniteit en selectiekader. Een stroom-focusing geometrie wordt aanbevolen bij de inlaat voordat het poreuze media ontwerp. De ruimten van de stroom moet transparant op de photomask.
2. PDMS schimmel Fabrication
- Een fotoresist-patroon silicium wafer meester mal maken in een cleanroom
- Spin-vacht een laag van 20 µm van fotoresist op een nieuwe silicium wafer op 2.000 rpm voor 30 s.
- Zachte bak het zegel op een hete plaat in twee stappen: 65 ° C gedurende 1 min gevolgd door 95 ° C gedurende 3 minuten.
- Gebruik een masker aligner patroon de fotoresist laag met de CAD-ontwerpen met behulp van een constante dosering van 150 mJ/cm2.
- Een post-exposure bakken op een hete plaat in twee stappen uitvoeren: 65 ° C gedurende 1 min gevolgd door 95 ° C gedurende 3 min. toestaan de wafer afkoelen gedurende 5 minuten.
- Dompel de wafer in 100 mL propyleen-glycol-methyl-ether-acetaat in een glas kristallisatie schotel. Zachtjes doorroeren met de hand gedurende 10 minuten om het fotoresist patroon. Spoel het met isopropanol en droog de wafer onder een stroom van droge lucht.
- Hard bakken het zegel op een hete plaat in twee stappen: 120 ° C gedurende 5 minuten gevolgd door 150 ° C gedurende 10 min. toestaan de wafer afkoelen gedurende 15 minuten.
- Cast PDMS op de meester mal van silicium wafer
- Meng een totaal van 30 g van de PDMS elastomeer en genezen agent in een 5:1 verhouding in een stofvrije besteedbaar container.
- Ontgas het PDMS in een vacuüm exsiccator gedurende 30 minuten.
- Giet de PDMS op de fotoresist-patroon silicium wafer meester mal in een 150 mm glas petrischaal.
- Plaats de petrischaal met de wafer en PDMS in een oven van 80 ° C gedurende 1 uur.
- Verwijder de petrischaal uit de oven en laat de inhoud tot kamertemperatuur.
Opmerking: De procedure kan worden onderbroken op dit punt.
- Bereiden de PDMS mal voor patroon overdracht naar optische lijm
- Zorgvuldig gesneden van het PDMS schimmel met behulp van een scalpel en schil de schimmel uit de buurt van het zegel.
- Reinig en Bescherm de PDMS schimmel met behulp van duidelijke plakband.
Opmerking: De procedure kan worden onderbroken op dit punt. - Plaats de PDMS schimmel, patroon-kant naar boven, in de bodem van een stofvrije 60 mm plastic petrischaal. Toestaan van 10 s voor het PDMS vast te houden aan het plastic.
- Bescherming van het oppervlak van het PDMS met doorzichtige plastic tape tot stap 3.1.1.
Opmerking: Optionele: om de schuim generator, herhaal stap 2.1. via 2.3.2. voor het ontwerp van het schuim-generator.
3. de optische zelfklevende apparaat Fabrication
- Optische lijm op de PDMS mal gegoten
- Verwijder de tape van het patroon oppervlak van het PDMS, en giet optische lijm in de 150 mm petrischaal tot een diepte van ongeveer 0,9 cm boven de bovenrand van de PDMS schimmel. Alle bubbels met elk type van wattenstaafje zachtjes te verwijderen.
- Genezen de optische lijm onder UV-licht voor een totaal van 40 min zoals beschreven in stappen 3.2.1 - 3.2.5 in een PSD-UV-systeem.
Let op: Draag passende bescherming bij het werken met UV-licht.- Blootstellen van de petrischaal aan UV-licht (254 nm) voor 5 min.
- De petrischaal omkeren zodat de bodem wordt nu geconfronteerd met de UV-bron, en bloot de onder kant aan UV-licht gedurende 5 minuten.
- Omkeren van de petrischaal, terug te sturen naar de rechtop en opnieuw bloot de bovenzijde UV-licht voor 5 min.
- Omkeren van de petrischaal ondersteboven opnieuw, en opnieuw blootstellen aan de onderzijde aan UV-licht gedurende 10 minuten.
- Omkeren van de petrischaal terug naar de rechtop, en opnieuw blootstellen de bovenzijde UV-licht voor 15 min.
Opmerking: De uithardende procedure in stappen via 3.2.5 3.2.1 is alleen van toepassing wanneer het opgegeven PSD-UV-apparaat wordt gebruikt (Tabel van materialen). Genezen de tijden zullen variëren afhankelijk van de specifieke lamp die wordt gebruikt en de exacte dikte van de optische kleeflaag.
- Verwijder de uitgeharde optische lijm uit de PDMS schimmel
- Gebruik een vak cutter te breken zorgvuldig de optische lijm uit de petrischaal schimmel.
Let op: Doos snijbladen zijn zeer scherp en kunnen gemakkelijk versneden vlees. Wees voorzichtig met het werken rond de scherpe randen van gebroken petrischalen. - Gebruik een stevig paar van schaar om overtollige optische lijm van de rand van het ontwerp.
- Langzaam schil de PDMS schimmel uit de buurt van de optische zelfklevende puck. Bescherming van de patroon delen van het optische zelfklevende oppervlak en het oppervlak van de PDMS met duidelijke tape.
- Maak een 1,0 mm biopsy punch inlaat, outlet, en afvoer gaten. Bescherming van de patroon optische lijm met duidelijke tape.
- Gebruik een vak cutter te breken zorgvuldig de optische lijm uit de petrischaal schimmel.
- Voorbereiden van de ondergrond
- Afzien van 1 mL van optische lijm op een nieuwe glasplaatje, en spin-coat de dia in twee stappen: 500 rpm voor 5 s dan 4000 rpm voor 20 s.
- Het substraat snel overbrengen in het UV-licht behandeling, en gedeeltelijk genezen de dunne optische kleeflaag onder UV-licht voor 30 s.
- Bond van de optische lijm gegoten op de ondergrond
- Plaats de optische zelfklevende cast, patroon kant naar boven en het substraat, gecoat-kant naar boven, in een O2 plasma reiniger. Plasma Reinig het oppervlak voor 20 s bij 540 mTorr.
- Stevig druk op de twee behandelde oppervlakken samen totdat alle ongewenste luchtzakken hebben zijn geminimaliseerd of worden verwijderd.
- Volledig genezen het apparaat onder UV-licht voor 20 min.
Let op: Voor UV-licht, draag gepaste bescherming zoals beschermende bril, laboratoriumjas, handschoenen, enz. - Plaats het apparaat op een hete plaat bij 50 ° C voor 18u.
- Invoegen van een 6-inch lange segment van 0.58 mm ID lage densiteit polyethyleen (PE/3) buizen in elk van de poorten op het apparaat.
- Gebruik een epoxy van de quick-set 5 min om de buis in plaats veilig te stellen.
Opmerking: Optioneel: Voltooi de schuim generator, herhaal stap 3.5.1, 3.5.2, 3.6 en 3.7. met behulp van het schuim-generator PDMS schuif cast en een nieuwe glazen, in plaats van de optische zelfklevende cast en bereid substraten, respectievelijk.
4. olie verplaatsing Experiment
- Bereiden van het microfluidic apparaat aan het image op een omgekeerde Microscoop uitgerust met een high-speed camera worden gemaakt. Repareren van het apparaat naar de Microscoop fase met behulp van tape. Met behulp van een 4 X doelstelling, focussen op het gebied van belang (AOI).
- Voorbereiden van de injectie vloeistoffen
Opmerking: Driefase systemen, een kleurstof moet worden toegevoegd om te ontruimen verdringt vocht om kleurcontrast voor beeldanalyse.- Belasting 3 mL met ruwe aardolie of model olie monster af in een spuit van 10 mL glas voorzien van een 23 gauge industriële verstrekking tip. Beveilig de spuit in de spuit pomp houder en stelt u de waarde van de juiste diameter van de spuit pomp instellingen.
- Laden 1 mL van de displacing vloeistof in een 3 mL plastic injectiespuit voorzien van een 23 gauge industriële verstrekking tip. Beveilig de spuit in de spuit pomp houder en stelt u de waarde van de juiste diameter van de spuit pomp instellingen.
Opmerking: Optionele: voor schuim generatie experimenten, verbinding maken met een 10 m lang 25 µm diameter glazen capillaire buis naar een N2 gastank en stel de gasdruk op de gewenste waarde voor de vereiste gasstroom zoals verkregen van een kalibratiekromme. Laat 10 min. voor de gasstroom te equilibreer.
- Het optische zelfklevende model poreuze media apparaat te verzadigen met olie
- Sluit de displacing vloeistof bij de inlaat van het apparaat door het invoegen van de naald-tip in de buis PE/3.
Opmerking: Optioneel: wanneer het schuim wordt gebruikt als de displacing fase, verbinden de displacing vloeistof spuit de inlaat van de generator van het schuim. Het gas capillair verbinden met de tweede perszijde op het schuim generator door het invoegen van het capillair in een industriële verstrekking tip 23-gauge en sluiting van de cirkelring met epoxy quick-set. De uitlaat van de generator van het schuim is dan aangesloten op de inlaat van de optische zelfklevende apparaat met behulp van een 23-gauge-connector. - Sluit de olie gevulde spuit aan de inlaat van het apparaat door het invoegen van de naald-tip in de buis PE/3.
- Begin stroomt de olie in de poort van de uitlaat van de optische zelfklevende apparaat bij 2 mL/h terwijl tegelijkertijd stroomt het displacing vloeistof in de perszijde bij 0,8 mL/h zodanig zijn dat de twee vloeistoffen beide uit de poort van de afvoer stromen. De displacing vloeistof moet niet de poreuze media invoeren. Verzamelen het afvalwater in een glazen flesje van 20 mL.
- Sluit de displacing vloeistof bij de inlaat van het apparaat door het invoegen van de naald-tip in de buis PE/3.
- Beginnen met filmen de AOI op het poreuze media-apparaat met een framesnelheid snel genoeg om vast te leggen van de gewenste verschijnselen. Een typische framesnelheid is 50 fps. Vastleggen van een stilstaand beeld van de 100% olie-verzadigde gebied.
- Snel en tegelijk knippen de PE/3-buis die in de olie met behulp van schaar stroomt tijdens het klemmen van de afvoer buis met een 5 cm binder klem.
- Laat de displacing vloeistof te vallen van het apparaat totdat de verplaatsing van de olie steady-state bereikt of de camera uit het geheugen loopt.
5. image en Data-analyse
- Gebruik een gratis image-analysesoftware zoals afbeelding J of de afbeelding analyse werkset in MATLAB voor het analyseren van de beelden van het experiment.
- Met behulp van het stilstaande beeld van het 100% olie-verzadigd kanaal, berekenen de poreusheid in procent voor de poreuze media AOI-eenheden.
- Berekening van het poriënvolume met behulp van de volgende vergelijking:
- Gebruik de software van de analyse van de afbeelding om te bepalen van de olie-intensiteit, als een fractie van de totale stroom ruimte, in elk frame van de video-opnamen uit het experiment. Voor verplaatsing experimenten in twee fasen, kan de displacing fase verzadiging in elk frame worden berekend als:
- Bereiden van een perceel van olie verzadiging in procenten vs. porie volumes van geïnjecteerde vloeistof
Opmerking: Optionele: voor krachtstroomaandrijving systemen zoals die van schuim verplaatsing experimenten, gebruikt de MATLAB werkset voor de analyse van de afbeelding om te categoriseren van elke displacing fase door kleur met behulp van het karakteristieke RGB-bereik voor elke fase. Een perceel met de saturaties van alle drie fasen met ingespoten porie volumes voor te bereiden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
In dit voorbeeld experiment, wordt waterige schuim gebruikt voor het verplaatsen van de Midden-Oosten ruwe olie met (een viscositeit van 5.4 cP) en API-gewicht van 40 ° in een heterogene poreuze media met gelaagde permeabiliteit contrast. Een PDMS schuim generator is aangesloten op een optische zelfklevende micromodel, die was eerder volledig verzadigd met ruwe olie. Figuur 1a blijkt de CAD-ontwerpen van de photomask voor de PDMS schuim de voltooide schuim generator, generator en de fotoresist-patroon silicium wafer met inlaat en uitlaat buizen ingevoegd. Figuur 1b toont de bijbehorende beelden voor de heterogene optische zelfklevende model poreuze media met gelaagde permeabiliteit contrast. Opmerking de respectieve transparante en ondoorzichtige delen van het ontwerp van de photomask. Zoals blijkt uit Figuur 2, wordt grof schuim gegenereerd door een stroom-focusing geometrie waarin gas en vloeistof mede ingespoten zijn. Het totale debiet geselecteerd voor deze demonstratie is 0,8 mL/h met een stikstof fractionele gasstroom van ongeveer 90%. De oplossing van de oppervlakteactieve stof gebruikt is een 1:1 verhouding van alpha Olefine sulfonaat C14-16 naar lauryl betaïne bij een concentratie van 1% van de wt. Een 1 wt % concentratie van blauwe food grade kleurstof wordt gebruikt in de waterfase bij in deze fase van het apparaat berichten te onderscheiden. Een fijnere textuur van het schuim wordt geproduceerd als schuim uit de stroom-focusing sectie doorgegeven via de micromodel van homogene schuim-generator. Kleinere bubbels worden doorgaans waargenomen de patroon matrix dan die zijn gemaakt door de geometrie van stroom-focusing alleen afsluiten. Zodra gestage schuim generatie is bereikt, is schuim stroom vervolgens omgeleid naar de optische zelfklevende micromodel verplaatsen van ruwe olie. Video's van het proces van verplaatsing werden gevangen genomen op 50 fps met een high-speed camera, waardoor voor frame voor frame verwerking van de beelden. In Figuur 3, werden verzadiging profielen voor elke vloeibare fase uitgezet als functie van de totale ingespoten vloeistof porie volumes.
Afbeelding verwerkingstechnieken ook ons in staat stellen te kwantificeren van de vloeistof afleiding en schuim fase-separatie zichtbaar in verschillende lagen. Capillaire krachten tussen verschillende fasen rijden meer van de vloeistof naar de regio Neder-permeabiliteit en meer van het gas naar de hogere permeabiliteit regio. Figuur 4 toont de verzadiging veranderingen die hebben plaatsgevonden tijdens de verplaatsing van de ruwe olie als een functie van totaal ingespoten vloeistof experimenteren porie volumes. Zoals voorspeld, bij steady-state was gas verzadiging significant hoger in de regio van de hoge-permeabiliteit vergeleken met die in de laag-permeabiliteit regio.
Naast het analyseren van de verzadiging veranderen tijdens het experiment van de verplaatsing olie, kan een reeks van porie-niveau evenementen zoals schuim destabilisatie, bubble generatie, vorming van de lamellen van de olie en ruwe olie membraanemulsificatie ook gemakkelijk worden geïdentificeerd. In Figuur 5, worden sommige van deze dynamiek schuim in aanwezigheid van ruwe olie weergegeven. In deze afbeelding zijn de belletjes van belang groen gekleurd. Schuim is thermodynamisch metastabiele en coalesces in poreuze media door middel van mechanismen zoals capillaire zuiging (Figuur 5 c), gas diffusie (figuur 5e), thermische of mechanische schommelingen. Ruwe olie heeft ook een nadelig effect op schuim (Figuur 5b en figuur5 d). Het succes van het schuim overstromingen is afhankelijk van verschillende mechanismen voor regeneratie van de zeepbel. We identificeren in-situ schuim generatie mechanismen zoals bubble snuifje-off (figuur 5a) en lamel divisie (figuur 5f).
Figuur 1: de vervaardiging van apparaten voor poreuze media-micromodel. (a) schuim PDMS gebaseerde Generator: de CAD-ontwerpen, de fotoresist schimmel op een wafer silica en de voltooide apparaat; (b) optische kleefmiddel op basis van heterogene poreuze media micromodel met gelaagde permeabiliteit contrast: de CAD-ontwerpen, de fotoresist schimmel en de schimmel PDMS het voltooide apparaat. Staven geven de schaal aan ongeveer één inch. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: schuim generatie in het PDMS gebaseerd homogene micromodel. Grof schuim wordt gegenereerd door de stroom gericht apparaat wordt fijner als schuim het apparaat passeert. Geeft de schaal balk 1 mm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 3: karakterisering van ruwe olie verplaatsing via schuim. (a) eerste voorwaarde: 100% olie verzadiging (ruwe olie in bruin, posts in wit); (b) binaire achtergrondafbeelding voor de micromodel; (c) een monster frame uit de ruwe olie verplaatsing video; (d) omgezet beeld na Matlab verwerking te onderscheiden fasen waar groen = gas, blauw = waterfase, rood = olie fase; (e) verzadiging geschiedenis (zwarte pijl geeft de tijd wanneer (c) werd genomen). Geeft de schaal balk 400 µm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: de geschiedenis van de verzadiging van verschillende regio's te tonen van de vloeistof afleiding en schuim fase-separatie zichtbaar. (a) hoge permeabiliteit regio; (b) lage permeabiliteit regio; (c) breuk regio. Het etiket op de verticale assen staat voor verzadiging van elke fase (%).
Figuur 5: dynamiek in het bijzijn van ruwe olie schuim. (a) schuim generatie door bubble snuifje-off mechanisme; (b) Bel samenvoeging in aanwezigheid van aardolie; (c) zeepbel samenvoeging door capillaire zuiging; (d) schuim vernietiging in de regio van de fractuur; (e) schuim ruw maken door diffusie van het gas; (f) schuim generatie door lamel-divisie. Gasbellen van belang zijn groen gekleurd. Geeft de schaal balk 400 µm. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dit protocol voor het bestuderen van de olie herstel processen in optische zelfklevende micromodels biedt een evenwicht tussen de robuustheid van niet-polymerische micromodels – zoals glas of silicium- en de facile fabricage van PDMS microfluidic apparaten. In tegenstelling tot de micromodels van glas of optische lijm gemaakt, PDMS apparaten geen weerstand tegen lichte biologische soorten. PDMS micromodels zijn ook niet ideaal voor vele experimenten omdat het oppervlak van deze apparaten unstable bevochtigende eigenschappen hebben, en de polymeer-matrix is luchtdoorlatend gas19. In tegenstelling, optische lijm is veel stabieler bevochtigbaarheid dan PDMS gebleken, en het is veel minder luchtdoorlatend gas20,21,22. In het bijzonder de water contacthoek van optische zelfklevende blijft stabiel na O2 plasma behandeling, in vergelijking met uren voor PDMS21dagen. Daarom, met minimale extra inspanning, bouw van de micromodels van de optische lijm, in plaats van PDMS, subsidies beter oplosmiddel weerstand, meer stabiele bevochtigende eigenschappen, en lagere doorlatend zijn voor gas. optische lijm vervangt glas noch silicium micromodels, echter, als deze materialen veel hogere temperaturen en druk kunnen weerstaan. Bovendien, kunnen optische zelfklevende microfluidic apparaten bond afbraak tijdens langdurige experimenten14vertonen. Gezien de moeilijkheden en de kosten van de bouw van glas en silicon micromodels, is optische lijm nog steeds het materiaal bij uitstek voor het op korte termijn ambient verplaatsing uittesten van licht organische stoffen. Dienst van de optische zelfklevende micromodels voor het bestuderen van de olie herstel processen met ruwe olie is daarom een facile en rendabele alternatief voor het gebruik van arbeidsintensieve glas en silicon micromodels.
Zorgvuldige aandacht moet uitgaan naar diverse kritieke aspecten van het fotoresist-patroon silicium wafer meester-schimmel voorbereiding gedeelte van het protocol om te voorkomen dat mislukte resultaten. Eerste, beste praktijk dicteert speedramp de temperaturen langzaam (5 ° C per min) tijdens alle stappen van de bakken. Snelle verwarming kan thermische stress fracturen in de wafer. Ten tweede, fotoresist hechting op de silicium wafer moet zo nodig worden bevorderd. Wanneer u een nieuwe wafer, scheiding incidenten moeten komen zelden voor, maar als afscheiding van de uitgeharde fotoresist uit het zegel een probleem is, dan preventieve maatregelen kunnen worden genomen. Een snelle isopropyl alcohol spoeling gevolgd door een pre bak stap bij 110 ° C gedurende 10 minuten kan resulteren in betere fotoresist affiniteit voor het oppervlak van het zegel. Derde, opmerking dat de parameters gegeven in een procedure voor UV dosering, keer bakken, temperaturen te bakken, en ontwikkeling van tijden gevoelig voor veranderingen in omgevingsfactoren, instrument merk en chemische lotnummer kunnen. Aldus, moeten middelen worden uitgetrokken voor verschillende proeven om af te stemmen op deze belangrijke parameters te elimineren van problemen zoals overmatige polymerisatie, onderontwikkelde functies, onopgeloste functies of slechte hechting op de wafer. Mits deze tips in aanmerking worden genomen, moeten de silicium-wafels met succes worden patroon met relatief gemak.
Verderop in het protocol, kunnen verschillende nuances van de fabricage van de apparaat en experimentele stappen van deze procedure aanzienlijk bijdragen tot de succesvolle resultaten. Bijvoorbeeld, biedt de afwijkende PDMS component verhouding een paar voordelen. Voor PDMS dwarsbinding, is een elastomeer 10:1 om te genezen van agent verhouding gebruikte; een 5:1 verhouding voorziet echter in een hardere polymeer dat geneest sneller en vaker kan worden hergebruikt. Voor de voorbereiding van de werkelijke optische zelfklevende apparaat, zou moeten men opmerken dat de uithardende stappen zijn allemaal precies afgestemd op potentiële valkuilen te vermijden. Als zodanig, is gedeeltelijk het genezen van de dunne laag van optische lijm op het substraat voor het apparaat cruciaal voor een extra sterke band aan het gedeelte van de cast. Bovendien is de optische lijm van beide kanten om ervoor te zorgen zelfs genezen in de gehele genezen. Als de optische lijm niet volledig genezen heeft, dan is de schimmel PDMS kon worden gescheurd tijdens het verwijderen van de cast. Omgekeerd, als de optische lijm is uitgehard te lang, dan het materiaal wordt ongunstig taai. Overdreven uitgeharde epoxy kan potentieel breken de bokszak instrument dat wordt gebruikt om de poort gaten. Als de cast te genezen is, kunnen de poorten zand gestraald of geboord met een boor van 1 mm doorsnede op een boor-pers. Tot slot, terwijl het uitvoeren van de verplaatsing experimenten, het displacing vloeistof moet niet mogen betreden de micromodel voordat de ruwe olie. De spuitbaarheid van de micro-kanalen is aanvankelijk olie-nat gemaakt door eerste contact met de ruwe olie, maar waardoor onderdelen van de displacing vloeistof te wijzigen van de oppervlakken van de micromodel kunnen het veranderen van de prestaties van de strategie van de verplaatsing. Na deze stappen zorgvuldig in de microfluidic apparaat bouw en verplaatsing experiment zal bijdragen middelen niet verloren doen gaan.
Optische zelfklevende micromodels blijft in de toekomst een waardevol hulpmiddel voor microfluidics onderzoek. Deze apparaten kunnen dienen als een robuuste screening platform voor injectie vloeistoffen die zijn toegesneden op de specifieke ruwe oliën. Daarnaast kunnen deze hulpprogramma's worden gebruikt om te studeren fundamentele mechanismen van oliewinning, mobiliteit controle, schuim stroom of anaërobe microbiële verbeterde olie herstel (EOR) experimenten. De kosteneffectiviteit en de gunstige eigenschappen van optische zelfklevende micromodels lenen natuurlijk deze tools een voordeel in het hulpprogramma voor het herstel van de microfluidic-olieveld.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Wij erkennen de financiële steun van de Rice University Consortium voor processen in poreuze Media (Houston, TX, Verenigde Staten).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3 mL Leur-Lok Syringe | Fischer Scientific | 14-823-435 | |
| 10 mL Glass Syringe | Fischer Scientific | 1482698G | |
| Photomask | CAD/Art Services | ||
| Silicon Wafer | University Wafer | 452 | |
| Propylene-Glycol-Methyl-Ether-Acetate | Sigma Aldrich | 484431-4L | |
| 150 mm Glass Petri Dish | Carolina Biological Supply | #721134 | |
| 60 mm Plastic Petri Dish | Carolina Biological Supply | #741246 | |
| Mask Aligner | EV Group | EVG 620 | |
| 1 mm Biopsy Punch | Miltex, Plainsboro, NJ | 69031-01 | |
| Industrial Dispensing Tip | CML Supply | Gauge 23 | |
| Inverted Microscope | Olympus | IX-71 | |
| Plasma System | Harrick Plasma | PDC-32G | Plasma cleaner |
| Polydimehtylsiloxane (PDMS) | Dow Corning, Midland, MI | SYLGARD 184 | |
| Norland Optical Adhesive 81 (NOA81) or (OA) | Norland Products Inc. | 8116 | Optical adhesive |
| Quick-Set Epoxy | Fisher Scientific | 4001 | |
| Glass Slides | Globe Scientic Inc. | 1321 | |
| SU-8 2015 Photoresist | MicroChem | SU-8 2015 | Photo resist |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | Fusion 400 | |
| Glass Capillary Tubing | SGE Analytical Science | 1154710C | |
| High-Speed Camera | Vision Research | V 4.3 | |
| Polyethylene Tubing | Scientific Commodities Inc. | #BB31695-PE/3 |
References
- Blaker, T., et al. Foam for Gas Mobility Control in the Snorre Field: The FAWAG Project. SPE Reserv Eval Eng. 5 (04), 317-323 (2002).
- Mannhardt, K., Svorstøl, I. Effect of oil saturation on foam propagation in Snorre reservoir core. J Petrol Sci Eng. 23 (3-4), 189-200 (1999).
- Falls, A. H., Lawson, J. B., Hirasaki, G. J. The Role of Noncondensable Gas in Steam Foams. J Petrol Technol. 40 (01), 95-104 (1988).
- Hirasaki, G. J., Miller, C. A., Szafranski, R., Lawson, J. B., Akiya, N. Surfactant/Foam Process for Aquifer Remediation. , International Symposium on Oilfield Chemistry. Houston, Texas. (1997).
- Lv, Q., Li, Z., Li, B., Li, S., Sun, Q. Study of Nanoparticle-Surfactant-Stabilized Foam as a Fracturing Fluid. Ind Eng Chem Res. 54 (38), 9468-9477 (2015).
- Conn, C. A., Ma, K., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Visualizing oil displacement with foam in a microfluidic device with permeability contrast. Lab Chip. 14 (20), 3968-3977 (2014).
- Ma, K., Liontas, R., Conn, C. A., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Visualization of improved sweep with foam in heterogeneous porous media using microfluidics. Soft Matter. 8 (41), 10669 (2012).
- Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using "flow focusing" in microchannels. Appl Phys Lett. 82 (3), 364 (2003).
- Gauteplass, J., Chaudhary, K., Kovscek, A. R., Fernø, M. A. Pore-level foam generation and flow for mobility control in fractured systems. Colloid Surface A. 468, 184-192 (2015).
- Kovscek, A. R., Radke, C. J. Gas bubble snap-off under pressure-driven flow in constricted noncircular capillaries. Colloid Surface A. 117 (1-2), 55-76 (1996).
- Géraud, B., Jones, S. A., Cantat, I., Dollet, B., Méheust, Y. The flow of a foam in a two-dimensional porous medium: FOAM FLOW IN A 2-D POROUS MEDIUM. Water Resour Res. 52 (2), 773-790 (2016).
- Lin, Y. -J., et al. Examining Asphaltene Solubility on Deposition in Model Porous Media. Langmuir. 32 (34), 8729-8734 (2016).
- Bartolo, D., Degré, G., Nghe, P., Studer, V.
- Kenzhekhanov, S. Chemical EOR process visualization using NOA81 micromodels. , Master's degree Thesis (2017).
- Zhuang, Y. G., et al. Experimental Investigation of Asphaltene Deposition in a Transparent Microchannel. Proceedings of the 1st Thermal and Fluid Engineering Summer Conference. , New York, NY, USA. (2016).
- Ma, K., Rivera, J., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Wettability control and patterning of PDMS using UV-ozone and water immersion. J Colloid Interf Sci. 363 (1), 371-378 (2011).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Anal Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- Sollier, E., Murray, C., Maoddi, P., Di Carlo, D. Rapid prototyping polymers for microfluidic devices and high pressure injections. Lab Chip. 11 (22), 3752 (2011).
- Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. Solvent Compatibility of Poly(dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Devices. Anal Chem. 75 (23), 6544-6554 (2003).
- Silvestrini, S., et al. Tailoring the wetting properties of thiolene microfluidic materials. Lab Chip. 12 (20), 4041 (2012).
- Wägli, P., Homsy, A., de Rooij, N. F. Norland optical adhesive (NOA81) microchannels with adjustable wetting behavior and high chemical resistance against a range of mid-infrared-transparent organic solvents. Sensor Actuat B-Chem. 156 (2), 994-1001 (2011).
- Hung, L. -H., Lin, R., Lee, A. P. Rapid microfabrication of solvent-resistant biocompatible microfluidic devices. Lab Chip. 8 (6), 983 (2008).
