Summary
Målet med detta förfarande är att enkelt och snabbt producera en mikroflödessystem enhet med anpassningsbar geometri och motstånd till svullnad av organiska vätskor för olja återvinning studier. Ett Polydimetylsiloxan mögel först genereras, och sedan används för att kasta den epoxi-baserad enheten. En representativ deplacement studie rapporteras.
Abstract
Mikroflödessystem enheter är mångsidiga verktyg för att studera processer på en mikroskopisk skala. Finns det en efterfrågan för mikroflödessystem enheter som är resistenta mot låg molekylvikt olja komponenter, till skillnad från traditionella Polydimetylsiloxan (PDMS) enheter. Här visar vi en lättköpt metod för att göra en enhet med detta boende, och vi använder produkten av detta protokoll för att pröva de por-skala mekanismerna genom vilka skum återvinner råolja. Ett mönster är först utformad med datorstödd konstruktion (CAD) programvara och tryckta på en öppenhet med en skrivare för högupplöst utskrift. Detta mönster överförs sedan till en fotoresist via en litografi. PDMS är gjutna på mönstret, härdas i ugn och bort för att få en mögel. En tiol-ene crosslinking polymer, vanligen används som en optisk adhesiv (OA), sedan hälls på mögel och botas under UV-ljus. PDMS mögel är skalade bort från den optiska självhäftande gjuten. En glass substrate tillreds, och de två halvorna av enheten är sammanbundna. Optiska lim-baserade enheter är robustare än traditionella PDMS mikroflödessystem enheter. Epoxi strukturen är resistent mot svullnad av många organiska lösningsmedel, som öppnar nya möjligheter för experiment med ljus organiska vätskor. Dessutom är ytan Vätbarheten uppförandet av dessa enheter mer stabil än PDMS. Byggandet av optiska självhäftande mikroflödessystem enheter är enkel, men kräver stegvis mer ansträngning än tillverkningen av PDMS-baserade enheter. Också, även om optiska självhäftande enheter är stabil i organiska vätskor, kan de uppvisar nedsatt bond-styrka efter en lång tid. Optiska självhäftande mikroflödessystem enheter kan göras i geometrier som fungerar som 2-D mikromodeller för porösa medier. Dessa enheter används i studien av olja förskjutning att förbättra vår förståelse av de por-skala mekanismerna som är involverade i förbättrad olja återvinning och akvifer reparation.
Introduction
Syftet med denna metod är att visualisera och analysera flerfas, multi-komponent vätska interaktioner och komplexa pore-skala dynamics i porösa medier. Vätskeflöde och transport i porösa medier varit av intresse i många år eftersom dessa system är tillämpliga på flera subsurface processer såsom oljeutvinning, akvifer sanering och hydraulisk spräckning1,2, 3 , 4 , 5. använda mikromodeller för att efterlikna dessa komplexa pore-strukturer, unika insikter är vunnits genom att visualisera pore-nivå dynamiska händelser mellan olika flytande faser och den media6,7,8 ,9,10,11.
Tillverkning av traditionella kiselbaserade mikromodeller är dyrt, tidskrävande och utmanande, men att konstruera mikromodeller från optiska självhäftande erbjuder en relativt billig, snabb och lätt alternativa12,13, 14,15. Jämfört med andra polymerbaserade mikromodeller, uppvisar optisk självhäftande mer stabil yta vätning egenskaper. Till exempel blir Polydimetylsiloxan (PDMS) micromodel ytor snabbt hydrofoba under en typisk deplacement experiment16. Dessutom är de Youngs modulus av PDMS 2,5 MPa som optiska lim är 325 MPa13,17,18. Således, optisk lim är mindre benägna att pressa inducerad deformation och kanal misslyckande. Viktigt, är härdade optiska lim mycket mer resistenta mot svullnad av lågmolekylära organiska komponenter, vilket gör experiment med råolja och ljus lösningsmedel vara genomfört18. Övergripande, optisk lim är ett överlägset alternativ till PDMS för förskjutning studier där råolja när kiseldioxid-baserade mikromodeller är oöverkomligt komplex eller dyr och hög temperatur och tryck studier krävs inte.
Protokollet beskrivs i denna publikation finns stegvisa fabrication instruktioner för optisk självhäftande mikromodeller och rapporterar subtila knep som garanterar framgång i manipulering av små mängder vätskor. Design och tillverkning av optiska självhäftande baserat mikromodeller med mjuk litografi beskrivs först. Sedan ges vätska deplacement strategin för extremt låga flöden som är vanligen ouppnåelig med massflödet styrenheter. Nästa, en representativ experimentella resultat ges som exempel. Detta experiment avslöjar skum destabilisering och förökning beteende i närvaro av råolja och heterogena porösa medier. Slutligen redovisas typisk bild bearbetning och dataanalys.
Metoden som anges här är lämpligt för visualisering tillämpningar som involverar flerfas flöde och interaktioner i trånga microchannel utrymmen. Specifikt, denna metod är optimerad för karakteristiska mikro-funktionen upplösningar större än 5 och 700 µm. typiska flöden är storleksordningen 0,1 till 1 mL/h. I studier av råolja eller ljus lösningsmedel förskjutning av vattenlösning eller gasformiga fluider på order av dessa optimerade parametrar på omgivningsförhållanden, bör detta protokoll vara lämpliga.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Varning: Detta protokoll innebär hantering av en hög temperatur ugn, giftiga kemikalier och UV-ljus. Läs alla säkerhetsdatablad noggrant och följ din institutets kemiska säkerhetsanvisningar.
1. enheten Design
- Designa en photomasken i ett CAD-program.
- Rita en rektangulär kanal som är 3 cm lång och 0,5 cm bred (figur 1b-överst till höger).
- Skapa en array av slutna figurer som representerar kornen av porösa media.
Obs: Dessa former benämns inlägg eftersom de kommer att bli tredimensionella strukturer under processen mjuk litografi. Formen och storleken av inlägg bör vara i storleksordningen tiotals µm, och har ett avstånd på tio till hundra mikrometer. Flera inlägg storlekar kan användas för att skapa heterogenitet, och en del kan vara kvar bare inlägg att simulera en fraktur i media. - Rita in- och utlopp kanaler som är ungefär en tredjedel så bred som porös media-sektionen. Rita en kanal som härrör från den inloppsport att agera som ett avlopp.
- Rita en markeringsram runt hela konstruktionen med ett minimum av 1,0 cm av clearance från design.
Obs: Området mellan begränsningsramen och gränsar av design, liksom inlägg, är göras genomskinlig på fotomask.
- Skicka den CAD-fil till ett företag för högupplösta CAD utskrift
Obs: Valfritt: för en skum deplacement experiment, designa en mikroflödessystem skum generator (figur 1a). Upprepa steg 1, utelämna design heterogenitet och begränsningsram. En flow-fokus geometri rekommenderas vid inloppet innan den porösa media designen. Flöde utrymmen bör vara öppna om fotomask.
2. PDMS mögel tillverkning
- Skapa en fotoresist-mönstrad kisel wafer herre mögel i renrum
- Spinn-rocken ett 20 µm skikt av fotoresist på en ny silicon wafer vid 2.000 rpm för 30 s.
- Baka mjuk rånet på en värmeplatta i två steg: 65 ° C i 1 min följt av 95 ° C i 3 min.
- Använda en mask-aligner för att mönstret fotoresist lagret med CAD design med en konstant dos på 150 mJ/cm2.
- Utföra en efter exponering baka på en värmeplatta i två steg: 65 ° C i 1 min följt av 95 ° C i 3 min. Tillåt rånet svalna i 5 min.
- Fördjupa rånet i 100 mL propylen-glykol-metyl-eter-acetat i en glasskål för kristallisering. Skaka försiktigt för hand i ca 10 min att utveckla mönstret fotoresist. Skölj med isopropanol och torka rånet under en ström av torr luft.
- Grädda hårt rånet på en värmeplatta i två steg: 120 ° C under 5 minuter följt av 150 ° C i 10 min. Tillåt rånet svalna under 15 min.
- Cast PDMS på kisel wafer master mögel
- Blanda totalt 30 g av PDMS elastomer och härdare i förhållandet 5:1 i en dammfri disponibla behållare.
- Avlufta PDMS i vakuum exsickator för 30 min.
- Häll PDMS på fotoresist-mönstrad kisel wafer master mögel i ett 150 mm glas petriskål.
- Placera petriskål som innehåller wafer och PDMS i ugn 80 ° C för 1 h.
- Avlägsna petriskål från ugnen och låt innehållet nå rumstemperatur.
Obs: Förfarandet kan pausas vid denna punkt.
- Förbereda PDMS mögel för mönster överföring till optiska lim
- Försiktigt skära PDMS mögel med en skalpell och skala mögel från rånet.
- Rengör och skydda PDMS mögel med tydliga tejp.
Obs: Förfarandet kan pausas vid denna punkt. - Placera PDMS mögel, mönster-sidan uppåt, i botten av en dammfri 60 mm plast petriskål. Ge 10 s för PDMS att hålla sig till plast.
- Skydda ytan av PDMS med klar plast tejp tills steg 3.1.1.
Obs: Valfritt: för att göra skumgeneratorn, upprepa steg 2.1. genom 2.3.2. för skumgeneratorn design.
3. optisk självhäftande enhet Fabrication
- Cast optiska limmet på PDMS mögel
- Ta bort tejpen från PDMS mönstrad yta, och häll optiska lim i den 150 mm petriskål till ett djup av ca 0.9 cm ovanför den övre ytan av PDMS mögel. Ta försiktigt bort eventuella bubblor med någon typ av bomullspinne.
- Bota optiska limmet under UV-ljus för totalt 40 min som beskrivs i steg 3.2.1 - 3.2.5 i ett PSD-UV-system.
Försiktighet: Använd lämpligt skydd när du arbetar med UV-ljus.- Exponera petriskål för UV-ljus (254 nm) för 5 min.
- Invertera petriskål så att botten står nu inför den UV-källan och exponera under-sidan för UV-ljus för 5 min.
- Invertera petriskål, returnera den till upprätt och åter exponera ovansidan till UV-ljus för 5 min.
- Invertera Petri skålen upp och ner igen, och åter exponera undersidan till UV-ljus i 10 min.
- Invertera petriskål tillbaka till upprätt, och åter utsätta ovansidan till UV-ljus för 15 min.
Obs: Bota förfarandet i steg 3.2.1 genom 3.2.5 är endast tillämpliga när den angivna PSD-UV-apparaten används (Tabell för material). Bota Nedladdningstiden varierar beroende på den specifika lampa som används och det optiska självhäftande skiktet exakta tjocklek.
- Ta bort härdad optiska limmet från PDMS mögel
- Använd en låda fräs försiktigt bryta optiska limmet ur petriskål formen.
Försiktighet: Box cutter knivarna är mycket vassa och kan lätt skära köttet. Var försiktig när du arbetar runt skarpa kanter brutna petriskålar. - Använd en robust sax att ta bort överflödig optiska lim från kanten av designen.
- Långsamt skala PDMS mögel från optiska självhäftande pucken. Skydda de mönstrade delarna av optiska självhäftande ytan och PDMS ytan med genomskinlig tape.
- Använd en 1,0 mm biopsi punch för att skapa inlopp, utlopp och avlopp hål. Skydda den mönstrade optiska lim med genomskinlig tape.
- Använd en låda fräs försiktigt bryta optiska limmet ur petriskål formen.
- Förbereda underlaget
- Fördela 1 mL av optiska limmet på en ny glasskiva och spinn-rocken på bilden i två steg: 500 rpm för 5 s då 4000 rpm för 20 s.
- Snabbt överföra underlaget till UV ljus behandling och delvis bota det tunn optisk självhäftande skiktet under UV-ljus för 30 s.
- Bond optiska limmet casta till substratet
- Placera den optiska självhäftande gjuten, mönstrad sida upp och substratet, belagd sida uppåt, i en O2 plasma renare. Plasma rengör ytan för 20 s på 540 mTorr.
- Tryck fast de två behandlade ytorna tillsammans tills alla oönskade luftfickor har minimerat eller flyttats.
- Helt bota enheten under UV-ljus i 20 min.
Försiktighet: För UV-ljus, bära lämpliga skydd såsom skyddsglasögon, laboratorierock, handskar, etc. - Placera enheten på en värmeplatta vid 50 ° C för 18 h.
- Infoga ett 6-tums långa segment av 0,58 mm lågdensitetspolyeten ID slangar (PE/3) i var och en av portarna på enheten.
- Använda en 5 min quick-set epoxy för att skydda slangen på plats.
Obs: Valfritt: för att slutföra skumgeneratorn, upprepa steg 3.5.1, 3.5.2, 3.6 och 3.7. med hjälp av skum-generator PDMS Skjut cast och ett nytt glas, istället för optisk självhäftande gjutna och preparerade underlag, respektive.
4. olja deplacement Experiment
- Förbereda mikroflödessystem enheten avbildas på ett inverterat Mikroskop utrustat med en höghastighetskamera. Fäst enheten på Mikroskop scenen med tejp. Använda ett 4 X-objektiv, fokusera på området av intresse (AOI).
- Förbereda vätskorna som injektion
Obs: För tre-fas system, ett färgämne kan tilläggas för att rensa tränger vätska för att ge färgkontrast för bildanalys.- Load 3 mL av råolja eller modell olja provet i en 10 mL spruta av glas med en 23 gauge industriella tubens spets. Säkra sprutan i sprutan pump innehavaren och ange lämplig diameter värdet på sprutan pump inställningar.
- Ladda 1 mL av tränger vätska in i en 3 mL Plastspruta utrustad med en 23 gauge industriella tubens spets. Säkra sprutan i sprutan pump innehavaren och ange lämplig diameter värdet på sprutan pump inställningar.
Obs: Valfritt: skum generation experiment, ansluta en 10 m lång 25 µm diameter glas kapillärrör till en N2 gastank och ange gastrycket till önskat värde för krävs gasflödet som erhålls från en kalibreringskurva. Låt 10 min för gasflödet temperera.
- Mätta den optiska självhäftande modell porösa medieenheten med olja
- Anslut den tränger vätskan till öppningen av enheten genom att infoga kanylspetsen i PE/3 slangen.
Obs: Valfritt: när skum används som fasen tränger, Anslut tränger vätska sprutan till skumgeneratorn inlopp. Anslut gas kapillären till den andra inloppsport på skumgeneratorn genom att infoga kapillärröret i ett 23-gauge industriella tubens spets och försegla annulus med quick-set epoxi. Skumgeneratorn utlopp ansluts sedan till öppningen av den optiska självhäftande enhet som använder en 23-gauge-kontakt. - Anslut sprutan oljefylld till öppningen av enheten genom att infoga kanylspetsen i PE/3 slangen.
- Börja flöda oljan i outlet port optisk självhäftande enheten på 2 mL/h medan samtidigt flyter den tränger vätskan i inlopp porten på 0,8 mL/h så att de två vätskorna båda flöda ut genom avloppet porten. Den tränger vätskan bör inte ange porösa media. Samla avloppsvattnet i en 20 mL injektionsflaska av glas.
- Anslut den tränger vätskan till öppningen av enheten genom att infoga kanylspetsen i PE/3 slangen.
- Börja filma AOI på porösa medieenheten vid en bildhastighet tillräckligt snabbt för att fånga de önska fenomen. En typisk bildfrekvensen är 50 fps. Ta en stillbild av 100% olja-mättade området.
- Snabbt och samtidigt skär PE/3 slangen som flödar i oljan med sax medan fastspänning avlopp röret med en 5 cm binder klämma.
- Låta den tränger vätskan att invadera enheten tills antingen olja förskjutningen når steady state eller kameran får slut på minne.
5. bilden och dataanalys
- Använda en gratis bild analys programvara såsom bild J eller använda verktygslådan bild analys i MATLAB för att analysera materialet från experimentet.
- Använda bilden av 100% olja-mättade kanalen, beräkna porositeten i andelar i procent för porösa medier AOI.
- Beräkna den porvolym som med hjälp av följande ekvation:
- Använda bild analys programvara för att avgöra olja mättnad, som en bråkdel av det totala flöde utrymmet, i varje bildruta i videomaterialet från experimentet. För två fas förskjutningen experiment, kan tränger fas mättnaden i varje bildruta beräknas som:
- Förbereda en tomt på olja mättnad i procent vs pore volymer injicerade vätska
Obs: Valfritt: för trefas system såsom de av skum deplacement experiment, använda MATLAB bild analys verktygslådan för att kategorisera varje tränger fas av färg med karakteristiska RGB intervallet för varje fas. Förbereda en tomt som visar saturations alla tre faser med injicerade pore volymer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
I detta exempel experiment används vattenhaltigt skum att förskjuta Mellanöstern råolja med (en viskositet på 5,4 cP) och API gravitation på 40 ° i en heterogen porösa medier med skiktad permeabilitet kontrast. En PDMS skum generator är ansluten till en optisk självhäftande micromodel som tidigare var helt mättad med råolja. Figur 1a visar CAD design för photomasken för PDMS skum generator, fotoresist-mönstrad kisel rånet och avslutade skumgeneratorn med inlopp och utlopp rör insatt. Figur 1b visar motsvarande bilder för heterogena optiska självhäftande modell porösa medier med skiktad permeabilitet kontrast. Observera de respektiva genomskinliga och ogenomskinliga delarna av photomasken design. Som visas i figur 2, genereras grovt skum av en flow-fokus geometri som gas och vätska är samtidig injicerade. Det totala flödet som valts för denna demonstration är 0,8 mL/h med ett kväve gas fraktionerad flöde av cirka 90%. Den tensid lösning som används är förhållandet 1:1 av alfa olefin sulfonat C14-16 till lauryl betain vid en koncentration på 1 wt %. En 1 wt % koncentration av blå livsmedelsfärgämne grad används i vattenfasen till stöd i att skilja denna fas från enheten inlägg. En finare skum konsistens produceras som skum från avsnittet flöde-fokus fortplantas genom den homogena skum-generator micromodel. Mindre bubblor observeras vanligtvis avsluta mönstrade matrisen än de som görs av flow-fokus geometri ensam. När stadig skum generation uppnås, omdirigeras skum flödet sedan till den optiska självhäftande micromodel att tränga undan råolja. Videor av deplacement processen fångades på 50 fps av en höghastighetskamera, vilket möjliggjorde för bildruta för bildruta bearbetning av materialet. I figur 3, var mättnad profiler för varje vätska fas ritas som en funktion av totala injicerade vätska pore volymer.
Bild bearbetning tekniker också möjligt att kvantifiera den flytande avledning och skum fasseparation i olika lager. Kapillära krafterna mellan olika faser kommer köra mer av vätskan till regionen lägre permeabilitet och mer av gasen till högre permeabilitet regionen. Figur 4 visar de mättnad förändringar som skett under råolja förskjutningen experimentera som en funktion av totala injicerade vätskan pore volymer. Som förutspått, vid steady state var gas mättnad betydligt högre i regionen hög permeabilitet jämfört med regionen låg permeabilitet.
Förutom att analysera förändringens mättnad under olja deplacement experimentet, kunde en serie av por-nivå händelser såsom skum destabilisering, bubbla generation, olja lamellerna bildandet och råolja emulgering också lätt identifieras. I figur 5visas några av dessa skum dynamics i närvaro av råolja. I denna figur, är bubblor av intresse färgat grönt. Skum är thermodynamically metastabila och coalesces i porösa medier av mekanismer, såsom kapillär sug (bild 5 c), gasdiffusion (figur 5e), termiska eller mekaniska svängningar. Råolja har också en negativ inverkan på skum (Figur 5b och figur5 d). Framgången för skum översvämningar beror på olika mekanismer för bubbla regenerering. Vi identifierar in situ - skum generation mekanismen gillar bubble nypa-off (figur 5a) och lamellen division (figur 5f).
Figur 1: tillverkning av porösa medieenheter micromodel. (a) PDMS-baserade skum Generator: CAD design, fotoresist mögel på en kiseldioxid wafer och den färdiga enheten. (b) optisk lim-baserade heterogena porösa medier micromodel med skiktad permeabilitet kontrast: CAD design, fotoresist mögel, PDMS mögel och den färdiga enheten. Skala staplarna visar ungefär en tum. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: skum generation i PDMS baserat homogena micromodel. Grova skum genereras genom flödet fokuserar enhet som blir finare skum passerar genom enheten. Skalstapeln anger 1 mm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 3: karakterisera råolja förskjutning av skum. (a) inledande tillstånd: 100% olja mättnad (råolja i brunt, inlägg i vitt); (b) binärt bakgrundsbild för micromodel; (c) en prov bildruta från råolja förskjutningen video; (d) konverteras bilden efter Matlab bearbetning att skilja olika faser där grön = gas, blå = vattenfasen, röd = olja fas; (e) mättnad historia (svart pil indikerar tiden när (c) ). Skalstapeln anger 400 µm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Figur 4: mättnad historia vid olika regioner att Visa vätska avledning och skum fasseparation. (a) hög permeabilitet regionen. (b) låg permeabilitet regionen. (c) fraktur regionen. Etiketten på de lodräta axlarna står för mättnad för varje fas (%).
Figur 5: skum dynamics i närvaro av råolja. (a) skum generation av bubbla nypa-off mekanism; (b) bubbla återförening i närvaro av råolja; (c) bubbla återförening av kapillär sug; (d) skum förstörelse i regionen fraktur; (e) skum förgrovning av gasdiffusion; (f) skum generation av lamell-division. Gasbubblor av intresse är färgat grönt. Skalstapeln anger 400 µm. vänligen klicka här för att visa en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Detta protokoll för att studera olja återvinningsprocesser i optiska självhäftande mikromodeller balans en mellan robustheten av icke-polymera mikromodeller – såsom glas eller kisel – och lättköpt tillverkning av PDMS mikroflödessystem enheter. Till skillnad från mikromodeller gjord av glas eller optiska lim, saknar PDMS enheter motståndskraft mot lätta organiska arter. PDMS mikromodeller är inte heller perfekt för många experiment eftersom ytbehandlar av dessa enheter har instabil vätning boenden och polymermatrisen är genomsläppliga för gas19. Däremot optiska lim har visat mycket stabilare Vätbarheten än PDMS, och det är mycket mindre genomsläpplig gas20,21,22. Specifikt, vatten kontakt vinkel optisk självhäftande är stabil i dagar efter O2 plasmabehandling, jämfört med timmar för PDMS21. Därför, med minimal extra ansträngning, att konstruera mikromodeller optiska lim, snarare än PDMS, beviljar bättre beständighet mot lösningsmedel, stabilare vätning egenskaper och lägre permeabilitet till gas. optiska limmet ersätter varken glas eller silicon mikromodeller, dock, eftersom dessa material klarar mycket högre temperaturer och tryck. Dessutom kan optiska självhäftande mikroflödessystem enheter uppvisar bond nedbrytning under långsiktiga experiment14. Med tanke på svårigheten och kostnaden för att bygga glas och kisel mikromodeller, är optisk lim fortfarande materialet i valet för kortsiktiga omgivande deplacement experiment med ljus organiska ämnen. Därför är sysselsätter optiska självhäftande mikromodeller för att studera olja återvinningsprocesser med råolja en lättköpt och kostnadseffektivt alternativ till att använda arbetsintensiva glas och kisel mikromodeller.
Noggrann uppmärksamhet bör ägnas flera kritiska aspekter av fotoresist-mönstrad kisel wafer master-mögel förberedelse del av protokollet att undvika misslyckade resultat. Första, bästa öva dikterar rampning temperaturerna långsamt (5 ° C per minut) under alla bakning steg. Snabb uppvärmning kan orsaka termisk stress frakturer i rånet. Det andra bör fotoresist vidhäftning till kisel rånet främjas vid behov. När du använder en ny wafer, separation incidenter sker sällan, men om separation av de härdade fotoresist från rånet är ett problem, sedan förebyggande åtgärder kan vidtas. En snabb isopropylalkohol sköljning följt av ett pre baka steg vid 110 ° C i ca 10 min kan resultera i bättre fotoresist affinitet för ytan av rånet. Tredje, Observera att parametrarna ges i förfarandet för UV dos, bakning gånger, bakning temperaturer och utveckla gånger kan vara känslig för förändringar i miljöförhållanden, instrumentet varumärke och kemiska batchnummer. Således bör resurser anslås för flera prövningar för att finjustera dessa viktiga parametrar för att eliminera problem som alltför polymerisation, underutvecklade funktioner, olösta funktioner eller dålig vidhäftning till rånet. Förutsatt dessa tips beaktas, bör kiselskivor vara framgångsrikt mönstrade med relativ lätthet.
Senare i protokollet, kan flera nyanser av enheten tillverkning och experimentella stegen i proceduren bidra avsevärt till framgångsrika resultat. Icke-standardmappningar PDMS komponent förhållandet erbjuder till exempel ett par fördelar. Vanligen används en 10:1 elastomer att bota baserat på agent för PDMS bryggbindningen, dock tillåter förhållandet 5:1 för en tuffare polymer som härdar snabbare och kan återanvändas flera gånger. För faktiska optiska självhäftande enheten beredning, bör man notera att bota stegen är alla exakt justerade för att undvika eventuella fallgropar. Som sådan, är delvis härdning det tunna lagret av optiska limmet på substratet för enheten avgörande för en extra stark bond den gjutna delen. Dessutom är optiska limmet botad från båda sidor att se till att även bota hela. Om optiska limmet inte har helt botad, kunde sedan PDMS mögel rivas under borttagning från rösterna. Omvänt, om optiska limmet är botad för länge, då materialet blir unfavorably tuff. Över härdad epoxi kan eventuellt bryta stansning verktyget används för att göra port hål. Om rösterna är alltför gravad, kan portar vara sand blasted eller borras med en 1 mm diameter borr på en drill press. Samtidigt genomför deplacement experimenten, bör slutligen tränger vätskan inte tillåtas att ange micromodel innan råolja. Vätbarheten hos preparat av mikro-kanalerna görs initialt olja-vått av första att kontakta råolja, men tillåter komponenter av tränger vätska att förändra de micromodel ytorna kan ändra prestanda för strategin förskjutning. Efter dessa steg noggrant i ultrakalla konstruktion och deplacement experiment hjälper till att säkerställa resurser inte går till spillo.
I framtiden, kommer att optisk självhäftande mikromodeller fortsätta att vara ett värdefullt verktyg för mikrofluidik forskning. Dessa enheter kan fungera som en robust screening plattform för injektion vätskor skräddarsys efter specifika råoljor. Dessutom kan dessa verktyg användas för att studera grundläggande mekanismer för oljeutvinning, rörlighet kontroll, skum flöde eller anaerob mikrobiell förbättrade olja utvinningsförsök (ESO). Den kostnadseffektivitet och gynnsamma egenskaper för optisk självhäftande mikromodeller naturligtvis låna dessa verktyg en fördel i fältet mikroflödessystem olja återvinning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Vi erkänner det finansiella stödet från Rice University Consortium for processer i porösa medier (Houston, TX, USA).
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. Microfluidic stickers. Lab Chip. 8 (2), 274-279 (2008).
- 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).
