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तेल वसूली अनुप्रयोगों के लिए छिद्रित मीडिया में निस्र्पक ताकना-पैमाने घटना प्रक्रियाओं के लिए Microfluidic उपकरणों

Published: January 16, 2018 doi: 10.3791/56592
Automatic Translation
*1, *1, *1, 1, 1
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Rice University
* These authors contributed equally

Summary

इस प्रक्रिया का लक्ष्य आसानी से और तेजी से अनुकूलन ज्यामिति और तेल वसूली अध्ययन के लिए कार्बनिक तरल पदार्थ द्वारा सूजन के लिए प्रतिरोध के साथ एक microfluidic डिवाइस का उत्पादन करने के लिए है । एक polydimethylsiloxane मोल्ड पहले उत्पन्न होता है, और फिर epoxy आधारित डिवाइस कास्ट करने के लिए इस्तेमाल किया. एक प्रतिनिधि विस्थापन अध्ययन रिपोर्ट है ।

Abstract

Microfluidic उपकरणों एक सूक्ष्म पैमाने पर परिवहन प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए बहुमुखी उपकरण हैं । एक मांग microfluidic उपकरणों है कि कम आणविक वजन के तेल घटकों के लिए प्रतिरोधी रहे है के लिए मौजूद है, पारंपरिक polydimethylsiloxane (PDMS) उपकरणों के विपरीत । यहां, हम इस संपत्ति के साथ एक युक्ति बनाने के लिए एक सतही विधि का प्रदर्शन, और हम ताकना-पैमाने पर तंत्र है जिसके द्वारा फोम कच्चे तेल ठीक जांच के लिए इस प्रोटोकॉल के उत्पाद का उपयोग करें । एक पैटर्न पहले कंप्यूटर सहायता प्राप्त डिजाइन (सीएडी) सॉफ्टवेयर का उपयोग कर बनाया गया है और एक उच्च संकल्प प्रिंटर के साथ एक पारदर्शिता पर मुद्रित । यह पैटर्न तो एक लिथोग्राफी प्रक्रिया के माध्यम से एक photoresist को हस्तांतरित है । PDMS पैटर्न पर डाली है, एक ओवन में ठीक हो, और एक मोल्ड प्राप्त करने के लिए हटा दिया । एक thiol-िेने crosslinking बहुलक, सामांयतः एक ऑप्टिकल चिपकने वाला (OA) के रूप में इस्तेमाल किया, तो मोल्ड पर डाला और यूवी प्रकाश के तहत ठीक है । PDMS मोल्ड ऑप्टिकल चिपकने वाला कास्ट से दूर खुली है । एक गिलास सब्सट्रेट तो तैयार है, और डिवाइस के दो हिस्सों एक साथ बंधुआ रहे हैं । ऑप्टिकल चिपकने वाला आधारित उपकरणों पारंपरिक PDMS microfluidic उपकरणों की तुलना में अधिक मजबूत हैं । epoxy संरचना कई कार्बनिक सॉल्वैंट्स द्वारा सूजन के लिए प्रतिरोधी है, जो प्रकाश कार्बनिक तरल पदार्थ शामिल प्रयोगों के लिए नई संभावनाओं को खोलता है । इसके अतिरिक्त, इन उपकरणों की सतह गीला व्यवहार PDMS की तुलना में अधिक स्थिर है । ऑप्टिकल चिपकने वाला microfluidic उपकरणों के निर्माण सरल है, अभी तक PDMS आधारित उपकरणों के बनाने से मक़सद अधिक प्रयास की आवश्यकता है. इसके अलावा, हालांकि ऑप्टिकल चिपकने वाला उपकरणों कार्बनिक तरल पदार्थ में स्थिर हैं, वे कम बांड शक्ति एक लंबे समय के बाद प्रदर्शन कर सकते हैं । ऑप्टिकल चिपकने वाला microfluidic डिवाइस geometries में बनाया जा सकता है जो छिद्रित मीडिया के लिए 2-डी micromodels के रूप में कार्य करता है । इन उपकरणों के तेल विस्थापन के अध्ययन में लागू करने के लिए ताकना-बढ़ाया तेल वसूली और aquifer remediation में शामिल तंत्र की हमारी समझ में सुधार कर रहे हैं ।

Introduction

इस विधि के प्रयोजन के लिए कल्पना और बहु चरण, बहु घटक द्रव बातचीत और जटिल ताकना-छिद्रित मीडिया में पैमाने पर गतिशीलता का विश्लेषण है । तरल पदार्थ का प्रवाह और असुरक्षित मीडिया में परिवहन कई वर्षों के लिए ब्याज की गई है क्योंकि इन प्रणालियों तेल वसूली, aquifer remediation के रूप में कई उपसतह प्रक्रियाओं के लिए लागू कर रहे हैं, और हाइड्रोलिक fracturing1,2, 3 , 4 , 5. micromodels का उपयोग कर इन जटिल ताकना-संरचनाओं की नकल करने के लिए, अद्वितीय अंतर्दृष्टि ताकना-विभिंन द्रव चरणों और मीडिया6,7,8 के बीच सक्रिय स्तर की घटनाओं visualizing द्वारा प्राप्त कर रहे है ,9,10,11.

पारंपरिक सिलिका आधारित micromodels का निर्माण महंगा है, समय लगता है, और चुनौतीपूर्ण, अभी तक ऑप्टिकल चिपकने से micromodels का निर्माण एक अपेक्षाकृत सस्ती, तेजी से, और आसान विकल्प12,13प्रदान करता है, 14,15. अंय बहुलक आधारित micromodels के साथ तुलना में, ऑप्टिकल चिपकने वाला अधिक स्थिर सतह गीला गुण दर्शाती है । उदाहरण के लिए, polydimethylsiloxane (PDMS) micromodel सतहों जल्दी hydrophobic एक ठेठ विस्थापन प्रयोग के दौरान16हो जाएगा । इसके अलावा, PDMS के युवा मापांक है २.५ MPa जबकि ऑप्टिकल चिपकने का है ३२५ MPa13,17,18। इस प्रकार, ऑप्टिकल चिपकने वाला दबाव विकृति प्रेरित और चैनल विफलता के लिए कम प्रवण है । महत्वपूर्ण बात, ठीक ऑप्टिकल चिपकने वाला और अधिक कम आणविक वजन कार्बनिक घटकों, जो कच्चे तेल और प्रकाश सॉल्वैंट्स शामिल प्रयोगों की अनुमति देता है द्वारा सूजन के लिए प्रतिरोधी है18आयोजित किया जाएगा । कुल मिलाकर, ऑप्टिकल चिपकने वाले विस्थापन के लिए PDMS कच्चे तेल को शामिल करने के लिए एक बेहतर विकल्प है जब सिलिका आधारित micromodels नकारात्मक जटिल या महंगे है और उच्च तापमान और दबाव अध्ययन की आवश्यकता नहीं है ।

इस प्रकाशन में वर्णित प्रोटोकॉल ऑप्टिकल चिपकने वाला micromodels के लिए कदम दर कदम निर्माण निर्देश प्रदान करता है और सूक्ष्म चाल है कि तरल पदार्थ की छोटी मात्रा में हेरफेर में सफलता सुनिश्चित करने की रिपोर्ट । डिजाइन और शीतल लिथोग्राफी के साथ ऑप्टिकल चिपकने वाला आधारित micromodels के निर्माण पहले वर्णित है । फिर, द्रव विस्थापन रणनीति आमतौर पर जन प्रवाह नियंत्रकों के साथ अप्राप्य है कि अल्ट्रा कम प्रवाह दरों के लिए दिया जाता है । अगला, एक प्रतिनिधि प्रयोगात्मक परिणाम एक उदाहरण के रूप में दिया जाता है । इस प्रयोग से पता चलता है फोम स्थिरीकरण और कच्चे तेल और विषम छिद्रपूर्ण मीडिया की उपस्थिति में प्रचार प्रसार व्यवहार । अंत में, ठेठ छवि प्रसंस्करण और डेटा विश्लेषण की सूचना दी है ।

यहां प्रदान की विधि दृश्य मल्टी-चरण प्रवाह और सीमित microchannel रिक्त स्थान में बातचीत शामिल अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है । विशेष रूप से, इस विधि विशेषता माइक्रो-सुविधा रिज़ॉल्यूशन से अधिक 5 और कम से ७०० µm के लिए ऑप्टिमाइज़ किया गया है । ठेठ प्रवाह दर ०.१ के आदेश पर कर रहे है 1 मिलीलीटर/ कच्चे तेल या प्रकाश विलायक विस्थापन के परिवेशी स्थितियों में इन अनुकूलित मापदंडों के आदेश पर जलीय या गैसीय तरल पदार्थ के अध्ययन में, इस प्रोटोकॉल उपयुक्त होना चाहिए ।

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Protocol

चेतावनी: इस प्रोटोकॉल एक उच्च तापमान ओवन, विषाक्त रसायनों, और यूवी प्रकाश हैंडलिंग शामिल है । कृपया सभी सामग्री सुरक्षा डाटा शीट ध्यान से पढ़ें और अपने संस्थान के रासायनिक सुरक्षा दिशानिर्देशों का पालन करें ।

1. डिवाइस डिजाइन

  1. एक सीएडी सॉफ्टवेयर अनुप्रयोग में एक photomask डिजाइन ।
    1. 3 सेमी लंबी और ०.५ सेमी चौड़ा (आंकड़ा 1b-ऊपर दाईं ओर) एक आयताकार चैनल ड्रा ।
    2. छिद्रित मीडिया के अनाज का प्रतिनिधित्व करने वाली संलग्न आकृतियों की एक सरणी बनाएं ।
      नोट: इन आकृतियों को पोस्ट के रूप में संदर्भित किया जाता है क्योंकि वे सॉफ़्ट लिथोग्राफी प्रक्रिया के दौरान तीन-आयामी संरचनाएं बन जाएंगी । पदों के आकार और आकार के दसियों माइक्रोन के आदेश पर होना चाहिए, और दस से १०० माइक्रोन की एक रिक्ति है । एकाधिक पोस्ट आकार विविधता बनाने के लिए नियोजित किया जा सकता है, और एक खंड के पदों के नंगे छोड़ दिया जा सकता है मीडिया में एक फ्रैक्चर अनुकरण ।
    3. प्रवेश और आउटलेट चैनल है कि लगभग एक तिहाई के रूप में छिद्रित मीडिया अनुभाग के रूप में व्यापक ड्रा । एक नाली के रूप में कार्य करने के लिए प्रवेश बंदरगाह से उपजी एक चैनल ड्रा.
    4. डिजाइन से मंजूरी की १.० सेमी की एक ंयूनतम के साथ पूरे डिजाइन के आसपास एक समयबद्ध बॉक्स ड्रा ।
      नोट: बाउंडिंग बॉक्स और डिज़ाइन की बॉर्डर्स, और साथ ही पोस्ट के बीच के क्षेत्र को photomask पर पारदर्शी बनाया जाना है ।
  2. उच्च-रिज़ॉल्यूशन cad मुद्रण के लिए एक कंपनी के लिए cad फ़ाइल सबमिट करें
    नोट: वैकल्पिक: एक फोम विस्थापन प्रयोग के लिए, एक microfluidic फोम जनरेटर डिजाइन (आंकड़ा 1a) । चरण 1 दोहराएँ, डिज़ाइन विविधता और बाउंडिंग बॉक्स को छोड़ रहा है । एक प्रवाह केंद्रित ज्यामिति-छिद्रित मीडिया डिजाइन से पहले प्रवेश पर सिफारिश की है । प्रवाह रिक्त स्थान photomask पर पारदर्शी होना चाहिए ।

2. PDMS मोल्ड निर्माण

  1. एक साफ कमरे में एक photoresist-नमूनों सिलिकॉन वेफर मास्टर मोल्ड बनाएं
    1. स्पिन-कोट 30 एस के लिए २,००० rpm पर एक नया सिलिकॉन वेफर पर photoresist की एक 20 µm परत ।
    2. नरम दो वेतन वृद्धि में एक गर्म थाली पर वेफर सेंकना: ६५ ° c 1 मिनट के लिए 3 मिनट के लिए ९५ ° c द्वारा पीछा किया ।
    3. CAD डिजाइन के साथ photoresist परत पैटर्न के लिए एक मुखौटा संरेखण का प्रयोग करें १५० एम. एम./2की एक निरंतर खुराक का उपयोग कर ।
    4. दो वेतन वृद्धि में एक गर्म थाली पर एक के बाद प्रदर्शन सेंकना: ६५ ° c 1 मिनट के लिए 3 मिनट के लिए ९५ ° c द्वारा पीछा किया । वेफर 5 मिनट के लिए शांत करने की अनुमति दें ।
    5. एक गिलास क्रिस्टलीकरण पकवान में propylene-ग्लाइकोल-मिथाइल-ईथर-एसीटेट के १०० मिलीलीटर में वेफर विसर्जित कर दिया । photoresist पैटर्न विकसित करने के लिए 10 मिनट के लिए हाथ से धीरे से आंदोलन । यह isopropanol के साथ कुल्ला और सूखी हवा की एक धारा के तहत वेफर सूखी ।
    6. मुश्किल दो वेतन वृद्धि में एक गर्म थाली पर वेफर सेंकना: 5 मिनट के लिए १२० ° c 10 मिनट के लिए १५० ° c के द्वारा पीछा किया । वेफर 15 मिनट के लिए शांत करने की अनुमति दें ।
  2. कास्ट सिलिकॉन वेफर मास्टर मोल्ड पर PDMS
    1. एक 5:1 अनुपात में एक धूल से मुक्त डिस्पोजेबल कंटेनर के अंदर PDMS elastomer और इलाज एजेंट के 30 जी की कुल मिलाएं ।
    2. 30 मिनट के लिए एक वैक्यूम desiccator में PDMS Degas ।
    3. photoresist पर PDMS डालो-एक १५० mm ग्लास पेट्री डिश में सिलिकॉन वेफर मास्टर मोल्ड नमूनों ।
    4. 1 ज के लिए ८० डिग्री सेल्सियस ओवन में वेफर और PDMS युक्त पेट्री डिश रखें ।
    5. ओवन से पेट्री डिश निकालें और सामग्री कमरे के तापमान तक पहुंचने के लिए अनुमति देते हैं ।
      नोट: प्रक्रिया इस बिंदु पर रोका जा सकता है ।
  3. ऑप्टिकल चिपकने वाला पैटर्न हस्तांतरण के लिए PDMS मोल्ड तैयार
    1. ध्यान से एक स्केलपेल का उपयोग कर बाहर PDMS मोल्ड काट, और मोल्ड छील दूर वेफर से ।
    2. साफ और साफ चिपकने वाला टेप का उपयोग कर PDMS मोल्ड की रक्षा ।
      नोट: प्रक्रिया इस बिंदु पर रोका जा सकता है ।
    3. एक धूल से मुक्त ६० mm प्लास्टिक पेट्री डिश के तल में, PDMS मोल्ड, पैटर्न साइड प्लेस । अनुमति PDMS के लिए 10 एस प्लास्टिक से चिपके रहते हैं ।
    4. कदम 3.1.1 जब तक स्पष्ट प्लास्टिक टेप के साथ PDMS की सतह की रक्षा करना ।
      नोट: वैकल्पिक: फोम जनरेटर बनाने के लिए, चरण २.१ दोहराएँ । 2.3.2 के माध्यम से । फोम जनरेटर डिजाइन के लिए ।

3. ऑप्टिकल चिपकने वाला डिवाइस निर्माण

  1. PDMS मोल्ड पर ऑप्टिकल चिपकने वाला कास्ट
    1. PDMS के नमूनों की सतह से टेप निकालें, और PDMS मोल्ड के ऊपर की सतह के ऊपर लगभग ०.९ सेमी की गहराई के लिए १५० mm पेट्री डिश में ऑप्टिकल चिपकने वाला डालना । धीरे कपास झाड़ू के किसी भी प्रकार के साथ किसी भी बुलबुले निकालें ।
  2. एक PSD-यूवी प्रणाली में कदम 3.2.1-3.2.5 में उल्लिखित के रूप में ४० मिनट की कुल के लिए यूवी प्रकाश के तहत ऑप्टिकल चिपकने का इलाज ।
    चेतावनी: यूवी प्रकाश के साथ काम करते समय उचित संरक्षण पहनते हैं ।
    1. 5 मिनट के लिए यूवी प्रकाश (२५४ एनएम) के लिए पेट्री डिश बेनकाब ।
    2. पेट्री डिश पलटना ऐसी है कि नीचे अब यूवी स्रोत का सामना करना पड़ रहा है, और के तहत 5 मिनट के लिए यूवी प्रकाश को पक्ष बेनकाब ।
    3. पेट्री डिश पलटना, यह ईमानदार स्थिति के लिए वापस, और फिर से 5 मिनट के लिए यूवी प्रकाश के लिए ऊपर की ओर बेनकाब ।
    4. पेट्री डिश उलटा फिर से उल्टा, और फिर से 10 मिनट के लिए यूवी प्रकाश को नीचे की ओर बेनकाब ।
    5. पेट्री पकवान वापस ईमानदार स्थिति को पलटना, और फिर से 15 मिनट के लिए यूवी प्रकाश को ऊपर की ओर बेनकाब ।
      नोट: 3.2.5 के माध्यम से 3.2.1 कदम में इलाज प्रक्रिया ही लागू होता है जब निर्दिष्ट PSD-यूवी उपकरण (सामग्री की तालिका) काउपयोग किया जाता है । इलाज के समय विशिष्ट लैंप है कि इस्तेमाल किया और ऑप्टिकल चिपकने वाला परत की सटीक मोटाई पर निर्भर करता है के आधार पर भिंन होगा ।
  3. PDMS मोल्ड से ठीक ऑप्टिकल चिपकने को दूर
    1. ध्यान से ऑप्टिकल चिपकने पेट्री डिश मोल्ड के बाहर तोड़ने के लिए एक बॉक्स कटर का प्रयोग करें ।
      चेतावनी: बॉक्स कटर ब्लेड बहुत तेज कर रहे है और आसानी से मांस काट सकते हैं । टूटे पेट्री व्यंजन के तीखे किनारों के आसपास काम करते समय सावधान रहें ।
    2. डिजाइन के किनारे से अतिरिक्त ऑप्टिकल चिपकने को हटाने के लिए कैंची की एक मजबूत जोड़ी का प्रयोग करें ।
    3. धीरे PDMS मोल्ड को ऑप्टिकल चिपकने वाला पक से दूर छील लें । ऑप्टिकल चिपकने वाला सतह और स्पष्ट टेप के साथ PDMS सतह के नमूनों भागों की रक्षा ।
    4. प्रवेश, आउटलेट, और नाली छेद बनाने के लिए एक १.० mm बायोप्सी पंच का प्रयोग करें । स्पष्ट टेप के साथ नमूनों ऑप्टिकल चिपकने की रक्षा.
  4. सब्सट्रेट तैयार
    1. एक नया गिलास स्लाइड पर ऑप्टिकल चिपकने के 1 मिलीलीटर वितरण, और स्पिन-कोट दो चरणों में स्लाइड: ५०० 5 एस के लिए rpm तो ४,००० rpm के लिए 20 एस ।
    2. जल्दी से यूवी प्रकाश उपचार के लिए सब्सट्रेट हस्तांतरण, और आंशिक रूप से 30 एस के लिए यूवी प्रकाश के तहत पतली ऑप्टिकल चिपकने वाली परत का इलाज ।
  5. बॉण्ड ऑप्टिकल चिपकने वाला कास्ट सब्सट्रेट करने के लिए
    1. एक ओ2 प्लाज्मा क्लीनर में, ऑप्टिकल चिपकने वाला कास्ट, ऊपर की ओर नमूनों, और सब्सट्रेट, लेपित साइड प्लेस । प्लाज्मा ५४० mTorr पर 20 एस के लिए सतह को साफ ।
    2. दृढ़ता से दो प्रेस एक साथ सभी अवांछित हवा जेब है जब तक सतहों को कम किया गया है या हटा दिया गया है ।
    3. पूरी तरह से 20 मिनट के लिए यूवी प्रकाश के तहत डिवाइस का इलाज ।
      चेतावनी: यूवी प्रकाश के लिए, जैसे सुरक्षात्मक चश्मे, लैब कोट, दस्ताने, आदिके रूप में उचित सुरक्षा पहनते हैं
    4. 18 एच के लिए ५० डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर डिवाइस रखें ।
  6. ०.५८ mm आईडी का एक 6 इंच लंबा खंड डालें कम घनत्व पॉलीथीन टयूबिंग (पीई/3) डिवाइस पर बंदरगाहों में से प्रत्येक में ।
  7. जगह में टयूबिंग सुरक्षित करने के लिए एक 5 मिनट जल्दी सेट epoxy का उपयोग करें ।
    नोट: वैकल्पिक: फोम जनरेटर को पूरा करने के लिए, दोहराएँ चरण 3.5.1, 3.5.2, ३.६, और ३.७. फोम जनरेटर PDMS कास्ट और एक नया गिलास स्लाइड का उपयोग करना, के बजाय ऑप्टिकल चिपकने वाला डाली और तैयार सब्सट्रेट, क्रमशः.

4. तेल विस्थापन प्रयोग

  1. एक उच्च गति कैमरे के साथ सुसज्जित एक औंधा माइक्रोस्कोप पर imaged किया जा करने के लिए microfluidic डिवाइस तैयार करें । टेप का उपयोग कर माइक्रोस्कोप चरण के लिए डिवाइस को ठीक करें । एक 4x उद्देश्य का उपयोग करना, ब्याज के क्षेत्र (AOI) पर ध्यान केंद्रित ।
  2. इंजेक्शन तरल पदार्थ तैयार
    नोट: तीन चरण प्रणालियों के लिए, एक डाई को स्पष्ट तरल पदार्थ के लिए छवि विश्लेषण के लिए रंग कंट्रास्ट प्रदान करने के लिए जोड़ा जाना चाहिए ।
    1. एक 10 मिलीलीटर गिलास एक 23 गेज औद्योगिक वितरण टिप के साथ सुसज्जित सिरिंज में कच्चे तेल या मॉडल तेल नमूना के 3 मिलीलीटर लोड । सिरिंज पंप धारक में सिरिंज सुरक्षित और सिरिंज पंप सेटिंग्स पर उचित व्यास मूल्य निर्धारित किया है ।
    2. एक 3 मिलीलीटर प्लास्टिक सिरिंज एक 23 गेज औद्योगिक वितरण टिप के साथ सुसज्जित में जगह तरल पदार्थ के 1 मिलीलीटर लोड । सिरिंज पंप धारक में सिरिंज सुरक्षित और सिरिंज पंप सेटिंग्स पर उचित व्यास मूल्य निर्धारित किया है ।
      नोट: वैकल्पिक: फोम पीढ़ी के प्रयोगों के लिए, एक 10 मीटर लंबे 25 µm व्यास कांच केशिका ट्यूब एक एन2 गैस टैंक करने के लिए कनेक्ट और एक अंशांकन वक्र से प्राप्त के रूप में आवश्यक गैस प्रवाह दर के लिए वांछित मूल्य के लिए गैस के दबाव सेट । equilibrate करने के लिए गैस के प्रवाह के लिए 10 मिनट की अनुमति दें ।
  3. तेल के साथ ऑप्टिकल चिपकने वाला मॉडल छिद्रित मीडिया डिवाइस संतृप्त
    1. पीई/3 टयूबिंग में सुई टिप डालने से डिवाइस के प्रवेश के लिए जगह तरल पदार्थ कनेक्ट ।
      नोट: वैकल्पिक: जब फोम रखने चरण के रूप में प्रयोग किया जाता है, फोम जनरेटर के प्रवेश के लिए जगह तरल पदार्थ सिरिंज कनेक्ट । एक 23-गेज औद्योगिक वितरण टिप में केशिका ट्यूब डालने और त्वरित सेट epoxy के साथ वलय सील द्वारा फोम जनरेटर पर दूसरी प्रवेश बंदरगाह के लिए गैस केशिका कनेक्ट । फोम जनरेटर के आउटलेट तो ऑप्टिकल चिपकने वाला एक 23-गेज संबंधक का उपयोग कर डिवाइस के प्रवेश करने के लिए जुड़ा हुआ है ।
    2. पीई/3 टयूबिंग में सुई टिप डालने के द्वारा डिवाइस के प्रवेश के लिए तेल से भरा सिरिंज कनेक्ट करें ।
    3. 2 मिलीलीटर/एच पर ऑप्टिकल चिपकने वाला डिवाइस के आउटलेट बंदरगाह में तेल बहने शुरू जबकि एक साथ ०.८ मिलीलीटर में प्रवेश बंदरगाह में जगह तरल पदार्थ बह/ऐसे कि दो तरल पदार्थ दोनों नाली बंदरगाह बाहर प्रवाह । तरल पदार्थ की जगह छिद्रित मीडिया में प्रवेश नहीं करना चाहिए । एक 20 मिलीलीटर कांच की शीशी में प्रवाह लीजिए ।
  4. काफी तेजी से वांछित घटना पर कब्जा करने के लिए एक फ्रेम दर पर असुरक्षित मीडिया डिवाइस पर AOI फिल्माने शुरू करते हैं । एक ठेठ फ्रेम दर ५० एफपीएस है । १००% तेल संतृप्त क्षेत्र की एक स्टिल छवि पर कब्जा ।
  5. तेजी से और एक साथ एक 5 सेमी बांधने की मशीन दबाना के साथ नाली ट्यूब दबाना जबकि कैंची का उपयोग कर तेल में बह रहा है कि पीई/
  6. जब तक कि या तो तेल विस्थापन स्थिर-राज्य तक पहुंचता है या कैमरा स्मृति से बाहर चलाता है के लिए जगह तरल पदार्थ डिवाइस पर आक्रमण करने की अनुमति दें ।

5. छवि और डेटा विश्लेषण

  1. ऐसी छवि जंमू के रूप में एक मुफ्त छवि विश्लेषण सॉफ्टवेयर का प्रयोग करें या MATLAB में छवि विश्लेषण toolbox प्रयोग से फुटेज का विश्लेषण ।
    1. १००% तेल संतृप्त चैनल की अभी भी छवि का उपयोग करना, छिद्रित मीडिया AOI के लिए प्रतिशत की इकाइयों में porosity की गणना ।
  2. निंनलिखित समीकरण का उपयोग कर ताकना मात्रा की गणना:
    Equation 1
  3. छवि विश्लेषण सॉफ्टवेयर का प्रयोग करें तेल संतृप्ति निर्धारित करने के लिए, कुल प्रवाह अंतरिक्ष के एक अंश के रूप में, प्रयोग से वीडियो फुटेज के प्रत्येक फ्रेम में । दो चरण के विस्थापन प्रयोगों के लिए, प्रत्येक फ्रेम में जगह चरण संतृप्ति के रूप में गणना की जा सकती है:
    Equation 2
  4. प्रतिशत में तेल संतृप्ति का एक भूखंड तैयार इंजेक्शन द्रव की मात्रा बनाम ताकना
    नोट: वैकल्पिक: इस तरह के फोम विस्थापन प्रयोगों के उन के रूप में तीन चरण प्रणालियों के लिए, प्रत्येक चरण के लिए विशेषता आरजीबी रेंज का उपयोग कर रंग से प्रत्येक को बदलने के चरण वर्गीकृत करने के लिए MATLAB छवि विश्लेषण toolbox का उपयोग करें । एक भूखंड का इंजेक्शन ताकना मात्रा के साथ सभी तीन चरणों की संतृप्ति दिखा तैयार करें ।

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Representative Results

इस उदाहरण प्रयोग में, जलीय फोम के लिए मध्य पूर्व कच्चे तेल (५.४ सीपी और ४० डिग्री के एपीआई गुरुत्वाकर्षण के एक चिपचिपापन के साथ) परतदार पारगम्यता कंट्रास्ट के साथ एक विषम छिद्रित मीडिया में विस्थापित करने के लिए प्रयोग किया जाता है । एक PDMS फोम जनरेटर एक ऑप्टिकल चिपकने वाला micromodel जो पहले पूरी तरह से कच्चे तेल के साथ संतृप्त था से जुड़ा हुआ है । चित्र 1a PDMS फोम जनरेटर के लिए photomask के सीएडी डिजाइन से पता चलता है, photoresist पैटर्न सिलिकॉन वेफर, और प्रवेश और आउटलेट ट्यूबों डाला के साथ पूरा फोम जनरेटर । चित्र 1b विषम ऑप्टिकल चिपकने वाला मॉडल परतदार पारगम्यता कंट्रास्ट के साथ मीडिया के लिए इसी छवियों को दिखाता है । photomask डिजाइन के संबंधित पारदर्शी और अपारदर्शी भागों पर ध्यान दें । के रूप में चित्रा 2में दिखाया गया है, मोटे फोम एक प्रवाह ध्यान ज्यामिति जिसमें गैस और तरल सह इंजेक्शन द्वारा उत्पंन होता है । इस प्रदर्शन के लिए चयनित कुल प्रवाह दर ०.८ एमएल/एच लगभग ९०% की नाइट्रोजन गैस आंशिक प्रवाह के साथ है । surfactant समाधान का इस्तेमाल किया 1 lauryl% की एकाग्रता में अल्फा olefin sulfonate सी14-16 के लिए betaine wt के एक 1:1 अनुपात है । नीले खाद्य ग्रेड डाई की एक 1 wt% एकाग्रता जलीय चरण में प्रयोग किया जाता है डिवाइस पदों से इस चरण में भेद में सहायता के लिए । एक महीन फोम बनावट के प्रवाह से फोम के रूप में उत्पादन किया है-ध्यान केंद्रित अनुभाग सजातीय फोम जनरेटर micromodel के माध्यम से प्रचारित । छोटे बुलबुले आम तौर पर उन है कि प्रवाह द्वारा किए गए है-अकेले ज्यामिति ध्यान केंद्रित से नमूनों मैट्रिक्स बाहर निकलते हुए मनाया जाता है । एक बार स्थिर फोम पीढ़ी हासिल की है, फोम प्रवाह तो ऑप्टिकल चिपकने वाला micromodel को हटाने के लिए कच्चे तेल के विस्थापित है । विस्थापन प्रक्रिया के वीडियो एक उच्च गति कैमरा है, जो फुटेज के फ्रेम प्रसंस्करण द्वारा फ्रेम के लिए अनुमति दी द्वारा ५० fps पर कब्जा कर लिया गया । चित्रा 3में, प्रत्येक द्रव चरण के लिए संतृप्ति प्रोफाइल कुल इंजेक्शन द्रव ताकना संस्करणों के एक समारोह के रूप में रची गई थी ।

छवि प्रसंस्करण तकनीक भी हमें अलग परतों में द्रव मोड़ और फोम चरण जुदाई यों तो सक्षम बनाता है । विभिन्न चरणों के बीच केशिका बलों कम पारगम्यता क्षेत्र के लिए तरल के अधिक और उच्च पारगम्यता क्षेत्र के लिए गैस की अधिक ड्राइव करेंगे । चित्रा 4 संतृप्ति परिवर्तन है कि कुल इंजेक्शन द्रव ताकना संस्करणों के एक समारोह के रूप में कच्चे तेल विस्थापन प्रयोग के दौरान हुई दिखाता है । के रूप में की भविष्यवाणी की, स्थिर राज्य में, गैस संतृप्ति काफी उच्च पारगम्यता क्षेत्र में है कि कम पारगम्यता क्षेत्र में तुलना में अधिक था.

तेल विस्थापन प्रयोग के दौरान संतृप्ति परिवर्तन का विश्लेषण करने के अलावा, इस तरह के फोम स्थिरीकरण के रूप में ताकना स्तर की घटनाओं की एक श्रृंखला, बुलबुला पीढ़ी, तेल lamellae गठन, और कच्चे तेल emulsification भी आसानी से पहचाना जा सकता है । चित्रा 5में, कच्चे तेल की उपस्थिति में इन फोम गतिशीलता के कुछ दिखाया जाता है । इस आंकड़े में, ब्याज के बुलबुले हरे रंग के होते हैं । फोम metastable और केशिका सक्शन (चित्रा 5c), गैस प्रसार (चित्रा 5e), थर्मल, या यांत्रिक उतार चढ़ाव के रूप में तंत्र द्वारा छिद्रित मीडिया में coalesces है । कच्चे तेल में भी फोम पर हानिकारक प्रभाव पड़ता है (फिगर 5b और फिगर5d) । फोम बाढ़ की सफलता बुलबुला पुनर्जनन के लिए विभिंन तंत्र पर निर्भर करता है । हम की पहचान में-सीटू फोम पीढ़ी के तंत्र की तरह बुलबुला चुटकी बंद (आंकड़ा 5) और lamella डिवीजन (चित्रा 5f).

Figure 1
चित्रा 1: छिद्रित मीडिया micromodel उपकरणों का निर्माण. (क) PDMS आधारित फोम जनरेटर: सीएडी डिजाइन, एक सिलिका वेफर पर photoresist मोल्ड, और पूरा डिवाइस; (ख) ऑप्टिकल चिपकने वाला आधारित-परतदार पारगम्यता कंट्रास्ट के साथ विषम छिद्रपूर्ण मीडिया micromodel: सीएडी डिजाइन, photoresist मोल्ड, PDMS मोल्ड, और पूरा डिवाइस । स्केल पट्टियां लगभग एक इंच दर्शाती हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: PDMS आधारित सजातीय micromodel में फोम पीढ़ी । मोटे फोम डिवाइस के माध्यम से फोम गुजरता के रूप में महीन हो जाता है जो उपकरण ध्यान केंद्रित प्रवाह के माध्यम से उत्पंन होता है । स्केल बार 1 mm इंगित करता है । इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: फोम द्वारा निस्र्पक कच्चे तेल विस्थापन । (क) प्रारंभिक स्थिति: १००% तेल संतृप्ति (ब्राउन में कच्चे तेल, सफेद में पोस्ट); (ख) micromodel के लिए द्विआधारी पृष्ठभूमि छवि; (ग) कच्चे तेल विस्थापन वीडियो से एक नमूना फ्रेम; (घ) Matlab प्रसंस्करण के बाद परिवर्तित छवि अलग चरणों में भेद करने के लिए जहां हरी = गैस, नीले = जलीय चरण, लाल = तेल चरण; (ङ) संतृप्ति इतिहास (काला तीर उस समय को इंगित करता है जब (c) लिया गया था) । स्केल बार इंगित करता है कि ४०० µm. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: द्रव मोड़ और फोम चरण जुदाई दिखाने के लिए विभिन्न क्षेत्रों में संतृप्ति इतिहास. (क) उच्च पारगम्यता क्षेत्र; (ख) कम पारगम्यता क्षेत्र; (ग) फ्रैक्चर क्षेत्र । अनुलंब अक्षों पर लेबल प्रत्येक चरण के संतृप्ति के लिए खड़ा होता है (%) ।

Figure 5
चित्रा 5: कच्चे तेल की उपस्थिति में फोम गतिशीलता । (क) बुलबुला चुटकी से फोम पीढ़ी तंत्र बंद; (ख) कच्चे तेल की उपस्थिति में बुलबुला संमिलन; (ग) केशिका चूषण द्वारा बुलबुला संमिलन; (घ) फ्रैक्चर क्षेत्र में फोम विनाश; (ङ) गैस प्रसार द्वारा फोम coarsening; (च) lamella द्वारा फोम पीढ़ी-विभाजन । ब्याज की गैस बुलबुले हरे रंग के होते हैं । स्केल बार इंगित करता है कि ४०० µm. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

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Discussion

ऑप्टिकल चिपकने micromodels में तेल वसूली प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए इस प्रोटोकॉल गैर की मजबूती के बीच एक संतुलन-बहुलक micromodels-जैसे कांच या सिलिकॉन के रूप में हमलों-और PDMS microfluidic उपकरणों के सतही निर्माण । कांच या ऑप्टिकल चिपकने वाला के बने micromodels के विपरीत, PDMS उपकरणों प्रकाश कार्बनिक प्रजातियों के लिए प्रतिरोध की कमी है । PDMS micromodels भी कई प्रयोगों के लिए आदर्श नहीं है क्योंकि इन उपकरणों की सतहों अस्थिर गीला गुण है, और बहुलक मैट्रिक्स गैस के लिए पारगंय है19। इसके विपरीत, ऑप्टिकल चिपकने PDMS से ज्यादा स्थिर गीला करने के लिए दिखाया गया है, और यह गैस के लिए बहुत कम पारगंय है20,21,22. विशेष रूप से, ऑप्टिकल चिपकने वाला के पानी के संपर्क कोण हे2 प्लाज्मा उपचार के बाद दिनों के लिए स्थिर रहता है, PDMS21के लिए घंटे की तुलना में । इसलिए, न्यूनतम अतिरिक्त प्रयास के साथ, ऑप्टिकल चिपकने के micromodels के निर्माण के बजाय PDMS, बेहतर विलायक प्रतिरोध, अधिक स्थिर गीला गुण, और गैस के लिए कम पारगम्यता अनुदान । ऑप्टिकल चिपकने वाला न तो कांच और न ही सिलिकॉन micromodels की जगह, तथापि, के रूप में इन सामग्रियों बहुत उच्च तापमान और दबाव का सामना कर सकते हैं । इसके अलावा, ऑप्टिकल चिपकने वाला microfluidic उपकरणों लंबी अवधि के प्रयोगों के दौरान बांड गिरावट का प्रदर्शन कर सकते हैं14. कठिनाई और कांच और सिलिकॉन micromodels के निर्माण की कीमत को देखते हुए, ऑप्टिकल चिपकने वाला अभी भी अल्पकालिक परिवेश विस्थापन प्रकाश कार्बनिक पदार्थों को शामिल प्रयोगों के लिए पसंद की सामग्री है । इसलिए, कच्चे तेल के साथ तेल की वसूली की प्रक्रिया का अध्ययन करने के लिए ऑप्टिकल चिपकने वाला micromodels को रोजगार एक सतही और लागत प्रभावी श्रम का उपयोग कर-गहन ग्लास और सिलिकॉन micromodels का विकल्प है ।

सावधान ध्यान photoresist के कई महत्वपूर्ण पहलुओं के लिए भुगतान किया जाना चाहिए-नमूनों सिलिकॉन वेफर मास्टर-प्रोटोकॉल के मोल्ड तैयारी भाग असफल परिणामों से बचने के लिए । सबसे पहले, सबसे अच्छा अभ्यास सभी पाक चरणों के दौरान तापमान धीरे (प्रति मिनट 5 डिग्री सेल्सियस) रैंप पर हुक्म । तेजी से हीटिंग वेफर में थर्मल तनाव फ्रैक्चर पैदा कर सकता है । दूसरा, सिलिकॉन वेफर के लिए photoresist आसंजन के रूप में आवश्यक पदोंनत किया जाना चाहिए । जब एक नया वेफर का उपयोग कर, जुदाई घटनाओं अक्सर हो जाना चाहिए, लेकिन अगर वेफर से ठीक photoresist की जुदाई एक समस्या है, तो preventative उपायों लिया जा सकता है । एक त्वरित isopropyl शराब कुल्ला ११० डिग्री सेल्सियस पर 10 मिनट के लिए एक पूर्व सेंकना कदम के बाद वेफर की सतह के लिए बेहतर photoresist संबध में परिणाम कर सकते हैं । तीसरा, ध्यान दें कि यूवी खुराक के लिए प्रक्रिया में दिए गए मापदंडों, बेकिंग बार, पकाना तापमान, और विकासशील समय पर्यावरण की स्थिति, साधन ब्रांड, और रासायनिक बैच संख्या में परिवर्तन के प्रति संवेदनशील हो सकता है. इस प्रकार, संसाधनों कई परीक्षणों के लिए आवंटित किया जाना चाहिए इन महत्वपूर्ण मापदंडों धुन को खत्म करने के लिए जैसे मुद्दों पर बहुलकीकरण, के तहत विकसित सुविधाओं, अनसुलझे सुविधाओं, या वेफर के लिए गरीब आसंजन । बशर्ते इन सुझावों को ध्यान में रखा जाता है, सिलिकॉन वेफर्स को सफलतापूर्वक सापेक्षिक सरलता के साथ नमूनों में उतारा जाना चाहिए.

बाद में प्रोटोकॉल, डिवाइस निर्माण और इस प्रक्रिया के प्रयोगात्मक कदम के कई बारीकियों सफल परिणामों के लिए महत्वपूर्ण योगदान कर सकते हैं । उदाहरण के लिए, अमानक PDMS घटक अनुपात कुछ लाभ प्रदान करता है । सामांयतः PDMS पार से जोड़ने के लिए, एक 10:1 elastomer एजेंट के अनुपात के इलाज के लिए प्रयोग किया जाता है; हालांकि, एक 5:1 अनुपात एक मुश्किल बहुलक के लिए अनुमति देता है कि इलाज तेजी से और अधिक बार इस्तेमाल किया जा सकता है । वास्तविक ऑप्टिकल चिपकने वाला डिवाइस तैयारी के लिए, एक ध्यान दें कि इलाज के कदम सभी ठीक संभावित नुकसान से बचने के लिए देखते हैं चाहिए । इस तरह, आंशिक रूप से उपकरण के लिए सब्सट्रेट पर ऑप्टिकल चिपकने की पतली परत के इलाज के कलाकारों के हिस्से के लिए एक अतिरिक्त मजबूत बंधन के लिए महत्वपूर्ण है । इसके अलावा, ऑप्टिकल चिपकने वाला दोनों पक्षों से ठीक भी भर में इलाज सुनिश्चित करने के लिए है । यदि ऑप्टिकल चिपकने वाला पूरी तरह से ठीक नहीं है, तो कलाकारों से हटाने के दौरान PDMS मोल्ड फाड़ा जा सकता है । इसके विपरीत, अगर ऑप्टिकल चिपकने वाला भी लंबे समय के लिए ठीक है, तो सामग्री प्रतिकूल कठिन हो जाता है । पर ठीक epoxy संभवतः छिद्रण उपकरण बंदरगाह छेद बनाने के लिए इस्तेमाल तोड़ सकते हैं । यदि कास्ट खत्म हो गया है ठीक है, बंदरगाहों रेत विस्फोट हो सकता है या एक ड्रिल प्रेस पर एक 1 मिमी व्यास ड्रिल बिट के साथ drilled । अन्त में, विस्थापन प्रयोगों का संचालन करते समय, कच्चे तेल से पहले micromodel में प्रवेश करने की अनुमति नहीं दी जानी चाहिए । माइक्रो चैनल की गीला शुरू में कच्चे तेल से संपर्क पहले से तेल गीला किया जाता है, लेकिन micromodel को बदलने के लिए तरल पदार्थ की अनुमति के घटकों को बदलने के लिए विस्थापन रणनीति का प्रदर्शन बदल सकता है । microfluidic डिवाइस निर्माण और विस्थापन प्रयोग में ध्यान से इन चरणों का पालन सुनिश्चित करने में मदद मिलेगी संसाधनों बर्बाद करने के लिए जाना नहीं है ।

भविष्य में, ऑप्टिकल चिपकने वाला micromodels microfluidics अनुसंधान के लिए एक मूल्यवान उपकरण होना जारी रहेगा । इन उपकरणों के विशिष्ट कच्चे तेल के लिए सिलवाया इंजेक्शन तरल पदार्थ के लिए एक मजबूत स्क्रीनिंग मंच के रूप में सेवा कर सकते हैं । इसके अतिरिक्त, इन उपकरणों के लिए तेल वसूली, गतिशीलता नियंत्रण, फोम प्रवाह, या anaerobic माइक्रोबियल बढ़ाया तेल वसूली (EOR) प्रयोगों के मौलिक तंत्र का अध्ययन किया जा सकता है । लागत प्रभावशीलता और ऑप्टिकल चिपकने micromodels के अनुकूल गुण स्वाभाविक रूप से इन उपकरणों microfluidic तेल वसूली क्षेत्र में एक फायदा उधार दे ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

हम (ह्यूस्टन, TX, संयुक्त राज्य अमेरिका) छिद्रित मीडिया में प्रक्रियाओं के लिए चावल विश्वविद्यालय कंसोर्टियम से वित्तीय सहायता स्वीकार करते हैं ।

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

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References

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