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Chemistry

कम लागत वाले एकीकृत मॉड्यूलर पेल्टियर डिवाइस का उपयोग करके तेल-जल इंटरफेस पर हाइड्रेट क्रिस्टलाइजेशन पर सर्फेक्टेंट प्रभावों का अध्ययन करना

Published: March 18, 2020 doi: 10.3791/60391
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Chemical Engineering, San José State University

Summary

हम साइक्लोपेंटाने में डूबे पानी की बूंद के इंटरफेस पर एनप्याजिक सर्फेक्टेंट की उपस्थिति में हाइड्रेट के गठन का अध्ययन करने के लिए एक प्रोटोकॉल पेश करते हैं। प्रोटोकॉल में कम लागत, प्रोग्राम करने योग्य, तापमान नियामक का निर्माण होता है। तापमान नियंत्रण प्रणाली दृश्य तकनीकों और आंतरिक दबाव माप के साथ संयुक्त है।

Abstract

हम एनप्याजिक सर्फेक्टेंट के प्रभाव में हाइड्रेट्स के गठन और विकास का अध्ययन करने के लिए एक दृष्टिकोण पेश करते हैं। प्रायोगिक प्रणाली में एक तापमान नियामक, दृश्य तकनीक और आंतरिक दबाव माप शामिल हैं। तापमान नियंत्रण प्रणाली में ठोस-राज्य पेल्टियर घटकों के साथ बनाया गया कम लागत वाला, प्रोग्रामेबल तापमान नियामक होता है। तापमान नियंत्रण प्रणाली के साथ, हमने एनप्याजिक सरफेसेंट की उपस्थिति में हाइड्रेट गठन और अवरोध का अध्ययन करने के लिए दृश्य तकनीकों और आंतरिक दबाव मापन को शामिल किया। हमने एनप्याजिक सर्फेक्टेंट (सोऑर्बिटन मोनोलॉरेट, सोऑर्बिटन मोनोओलेट, खूंटी-पीपीजी-खूंटी, और पॉलीऑक्सीथीथिलीनऑर्बिटन ट्राइस्टेरेट) की हाइड्रेट-अवरोधक क्षमता का अध्ययन कम (यानी 0.1 सीएमसी), मध्यम (यानी सीएमसी), और उच्च (यानी 10 सीएमसी) एकाग्रता पर किया। दो प्रकार के क्रिस्टल बनाए गए थे: प्लानर और शंकु। प्लेनर क्रिस्टल सादे पानी और कम सर्फेक्टेंट सांद्रता में बनते थे। उच्च सर्फेक्टेंट सांद्रता में शंकुक्रिस्टल बनाए गए थे। अध्ययन के परिणाम बताते हैं कि हाइड्रेट अवरोध के मामले में शंकुक्रिस्टल सबसे प्रभावी होते हैं। क्योंकि शंकुक्रिस्टल एक निश्चित आकार पिछले विकसित नहीं कर सकते, एक शंकुक्रिस्टल के रूप में हाइड्रेट विकास दर planar क्रिस्टल के रूप में हाइड्रेट वृद्धि दर से धीमी है । इसलिए, सर्फेक्टेंट जो हाइड्रेट्स को शंकुक्रिस्टल बनाने के लिए मजबूर करते हैं, सबसे कुशल हैं। प्रोटोकॉल का लक्ष्य एक प्रायोगिक प्रणाली का विस्तृत विवरण प्रदान करना है जो सर्फेक्टेंट अणुओं की उपस्थिति में पानी की बूंद की सतह पर साइक्लोपेंटाने हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया की जांच करने में सक्षम है।

Introduction

हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण और अवरोध के तंत्र को समझने के लिए प्रोत्साहन इस तथ्य से आता है कि हाइड्रेट्स तेल पाइपलाइनों में स्वाभाविक रूप से होते हैं और इसके परिणामस्वरूप प्रवाह आश्वासन में कठिनाइयां हो सकती हैं । उदाहरण के लिए, मेक्सिको तेल फैल1 की २०१० खाड़ी एक पानी के नीचे तेल पाइपिंग प्रणाली में हाइड्रेट संचय का परिणाम था, पर्यावरण के लिए संदूषण के कारण । इसलिए, भविष्य में पर्यावरणीय आपदाओं को रोकने के लिए हाइड्रेट गठन और अवरोध को समझना महत्वपूर्ण है। पिछले वर्षों में हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण के अध्ययन के लिए ड्राइविंग बल के अधिकांश तेल उद्योग के लिए हाइड्रेट प्लग समूह और प्रवाह के बाद रुकावट को रोकने के प्रयास है । यह निर्धारित करने के लिए पहला अध्ययन कि हाइड्रेट प्लग किए गए फ्लोलाइन के लिए जिम्मेदार थे , 19342में हैमरश्मिट द्वारा किया गया था। इस दिन के लिए, तेल उत्पादकों को प्रवाह आश्वासन3के लिए हाइड्रेट गठन को समझना और रोकना बेहद महत्वपूर्ण लगता है ।

हाइड्रेट गठन को रोकने का एक तरीका गहरे पानी की पाइपलाइनों को बचाना है ताकि बर्फ न बन सके। हालांकि, पाइपलाइनों को पर्याप्त रूप से बचाना महंगा है, और अतिरिक्त लागत $ 1 मिलियन/किमी3के क्रम में हो सकती है। थर्मोडायनामिक अवरोधक, जैसे मेथनॉल, हाइड्रेट के गठन को रोकने के लिए वेलहेड्स में इंजेक्ट किया जा सकता है। हालांकि, पानी के बड़े वॉल्यूमेट्रिक अनुपात, 1:1 के रूप में महान के रूप में, पर्याप्त रूप से हाइड्रेट4के गठन को रोकने के लिए की जरूरत है । हाल ही में, हाइड्रेट रोकथाम के लिए मेथनॉल का उपयोग करने के लिए वैश्विक लागत $२२०,०००,०००/वर्ष के रूप में सूचित किया गया है । यह शराब के उपयोग की एक टिकाऊ मात्रा नहीं है5। इसके अलावा, मेथनॉल का उपयोग समस्याग्रस्त है क्योंकि यह पर्यावरण की दृष्टि से खतरनाक है, और बड़े पैमाने पर परिवहन5के लिए इस्तेमाल नहीं किया जा सकता है । वैकल्पिक रूप से, काइनेटिक अवरोधक, जैसे सर्फेक्टेंट, कम मात्रा में हाइड्रेट विकास और 20 डिग्री सेल्सियस6तक के तापमान को दबा सकते हैं। इसलिए, सर्फेक्टेंट उपस्थिति हाइड्रेट रोकथाम के लिए आवश्यक बड़ी मात्रा में अल्कोहल को कम कर सकती है।

सर्फेक्टेंट को दो मुख्य कारणों से हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण के लिए अच्छा अवरोधक माना जाता है:

1) वे सतह संपत्ति में परिवर्तन के माध्यम से हाइड्रेट गठन को बाधित कर सकते हैं; और 2) वे शुरू में हाइड्रेट कोशिकाओं के गठन में मदद लेकिन आगे विकास और पाइपलाइन7नीचे क्रिस्टल के समूह को रोकने । हालांकि सर्फेक्टेंट कुशल अवरोधक साबित हुए हैं, फिर भी सर्फेक्टेंट की उपस्थिति में क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया के बारे में बड़ी मात्रा में जानकारी गायब है। हालांकि कुछ अध्ययनों से पता चला है कि सर्फेक्टेंट का उपयोग कुछ सबकूलिंग ्स में प्रारंभिक हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण समय का विस्तार कर सकता है, अन्य अध्ययनों में कम सर्फेक्टेंट सांद्रता पर अपवाद पाए गए हैं। कम सर्फेक्टेंट सांद्रता पर, पानी की बूंदें जल्दर गठन8की प्रक्रिया को एकजुट और तेज करती हैं। अवरोध प्रक्रिया को प्लैनार हाइड्रेट विकास में बाधा डालने वाले सर्फेक्टेंट अणुओं द्वारा समझाया गया है, जो हाइड्रेट को खोखले-शंकुक्रिस्टल गठन में मजबूर करते हैं। शंकुक्रिस्टल क्रिस्टल विकास9के लिए एक यांत्रिक बाधा बनाते हैं, और इस प्रकार विकास को रोकते हैं।

इस अध्ययन में हमने हाइड्रेट विज़ुअलाइज़ेशन सेल के साथ कम लागत वाले, एकीकृत मॉड्यूलर पेल्टियर डिवाइस (आईएमडीडी) को डिजाइन और लागू किया और उन्हें एनप्याजिक सर्फेक्टेंट की उपस्थिति में साइक्लोपेंटाने हाइड्रेट गठन का अध्ययन करने के लिए इस्तेमाल किया। कम आणविक वजन वाली गैसों (जैसे, सीएच4 और सीओ2)के बजाय साइक्लोपेंटान का उपयोग करने का कारण यह है कि आमतौर पर गहरे समुद्र जलाशयों में हाइड्रेट बनाते हैं, यह है कि इन गैसों को स्थिर हाइड्रेट बनाने के लिए उच्च दबाव और कम तापमान की आवश्यकता होती है। क्योंकि साइक्लोपेंटेन परिवेश के दबाव और तापमान पर हाइड्रेट्स को ~ 7.5 डिग्री सेल्सियस तक बनाता है, इसलिए इसे अक्सर हाइड्रेट गठन10के लिए मॉडल सामग्री के रूप में उपयोग किया जाता है।

एकीकृत मॉड्यूलर पेल्टियर डिवाइस (आईएमडीडी) में एक ओपन-सोर्स माइक्रोकंट्रोलर, पेल्टियर प्लेट, सीपीयू कूलर (हीट सिंक), और वाटरप्रूफ डिजिटल तापमान सेंसर शामिल हैं। यह डिवाइस अधिकतम तापमान अंतर 68 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचा सकता है। न्यूनतम तापमान का संकल्प 1/16 डिग्री सेल्सियस है। इलेक्ट्रिकल सर्किटरी और हार्डवेयर सहित पूरी प्रणाली का निर्माण $ 200 से कम किया जा सकता है। तापमान सेंसर माइक्रोकंट्रोलर को रिपोर्ट करता है, जो ट्रांजिस्टर को आउटपुट सिग्नल भेजता है । ट्रांजिस्टर तो पेल्टियर तत्व के माध्यम से डीसी पावर सोर्स से करंट गुजरता है । गर्मी सिंक पेल्टियर के गर्म पक्ष से परिवेश ी हवा में आने वाली गर्मी को संविलियन करके पेल्टियर तत्व को ठंडा करने में मदद करता है। आईएमडी प्रणाली के इकट्ठे हार्डवेयर घटकों को चित्रा 1ए, बीमें दिखाया गया है। चित्रा 1सी नियंत्रण लूप (आनुपातिक-अभिन्न-व्युत्पन्न [पीआईडी] नियंत्रक) और पिन-आउट के सभी घटकों के साथ तारों की योजनाबद्ध दिखाता है। माइक्रोकंट्रोलर का आउटपुट वर्तमान गेट प्रतिरोधक आर1 के साथ 23 एमए (I = 5 V/220 W) के अधिकतम वर्तमान तक सीमित था। फिगर 1सी में पुल-डाउन प्रतिरोधक आर2 गेट चार्ज को नष्ट करने और सिस्टम को बंद करने की अनुमति देता है। पीआईडी नियंत्रक को ट्यून करने के लिए, एक पुनरावर्तक प्रक्रिया के साथ संयुक्त Ziegler-निकोल्स आधारित तरीकों का उपयोग11किया जाता है। माइक्रोकंट्रोलर एकीकृत विकास पर्यावरण (आईडीई) सॉफ्टवेयर का उपयोग तापमान विनियमन के लिए माइक्रोकंट्रोलर को कमांड की निगरानी और भेजने के लिए किया जाता है।

आईएमडीके के साथ, हमने दृश्य तकनीकों और आंतरिक दबाव मापन का उपयोग करके एक उपन्यास दृष्टिकोण लागू किया। हाइड्रेट विज़ुअलाइज़ेशन सेल, जिसे आईएमडी डी के शीर्ष पर रखा गया है, में दो डबल-पैन अवलोकन खिड़कियों से लैस पीतल की कोशिका शामिल है। खिड़कियां साइक्लोपेंटाने में पानी की बूंद पर हाइड्रेट गठन प्रक्रिया की वीडियो रिकॉर्डिंग की अनुमति देती हैं। पूरक धातु ऑक्साइड सेमीकंडक्टर (सीएमओएस) कैमरा खिड़की के बाहर रखा गया है और ड्रॉप के आंतरिक दबाव माप प्राप्त करने के लिए प्रेशर ट्रांसड्यूसर पानी इंजेक्शन लाइन से जुड़ा हुआ है। प्रेशर ट्रांसड्यूसर से रीडिंग पाने के लिए डिजिटल ट्रांसड्यूसर एप्लीकेशन का इस्तेमाल किया जाता है । सीएमओएस कैमरे से वीडियो और छवियों को कैप्चर करने के लिए एक कैमरा दर्शक का उपयोग किया जाता है। सॉफ्टवेयर एक्सपोजर और स्नैपशॉट फ्रीक्वेंसी को नियंत्रित करता है। इमेज प्रोसेसिंग सॉफ्टवेयर प्रोग्राम का इस्तेमाल हाइड्रेट की ग्रोथ को ट्रैक करने के लिए किया जाता है। चित्रा 2एक हाइड्रेट विज़ुअलाइजेशन सेल का एक योजनाबद्ध विवरण दिखाता है और चित्रा 2बी पूरे प्रायोगिक प्रणाली का अवलोकन दिखाता है। हाइड्रेट वृद्धि दर के लगातार नाभिकीकरण और ट्रैकिंग के लिए बीज हाइड्रेट(चित्रा 2ए)की आवश्यकता होती है। बीज हाइड्रेट हाइड्रेट सेल के फर्श पर जमा शुद्ध पानी की एक छोटी मात्रा (जैसे, 50-100 माइक्रोन) है। जैसे-जैसे तापमान कम होता है, बूंद बर्फ बनाती है, जो तब तापमान बढ़ने के साथ हाइड्रेट हो जाती है। बीज हाइड्रेट का छोटा टुकड़ा फिर पानी की बूंद से संपर्क करता है। यह प्रक्रिया जलमग्न पानी की बूंद में हाइड्रेट की दीक्षा को नियंत्रित करती है। सिलिका डेसिस्टेंट को दो ग्लास स्लाइड(चित्रा 2सी)के बीच के अंतर में डाला जाता है, जो खिड़कियों को देखने के रूप में काम करता है। सिलिका डेसीक्रेंट खिड़कियों पर फ्रॉस्टिंग और फॉगिंग की मात्रा को कम करने में मदद करता है। फॉगिंग कम करने के लिए बाहरी खिड़की पर भी एंटी फॉग लगाया जाता है। छवियों को सीएमओएस कैमरे और 28-90 मिमी लेंस के साथ कैप्चर किया जाता है। रोशनी के लिए 150 डब्ल्यू फाइबर ऑप्टिक हंस-नेक लैंप का उपयोग किया जाता है। साइक्लोपेंटाने के वाष्पीकरण को सीमित करने के लिए पीतल की कोशिका के शीर्ष पर एक ऐक्रेलिक कवर रखा जाता है। नलसाजी में लचीला पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (पीटीएफई) ट्यूबिंग और कठोर पीतल की टयूबिंग का संयोजन होता है। 1 एमएल ग्लास सिरिंज और 19 जी सुई के साथ एक सिरिंज पंप पानी और सर्फेक्टेंट समाधान के प्रवाह को नियंत्रित करता है। एक प्रेशर ट्रांसड्यूसर पानी सर्फेक्टेंट समाधान बूंद के अंदर दबाव परिवर्तन पर नज़र रखता है। 19 जी पीटीएफई ट्यूबिंग सिरिंज को टी-फिटिंग और 1/16 इंच (1.588 मिमी) पीतल की टयूबिंग से जोड़ता है ट्रांसड्यूसर और पीतल के हुक को टी-फिटिंग(फिगर 2डी)से जोड़ता है। एक पीतल हुक, 180 डिग्री मोड़ के साथ लंबाई में लगभग 5 सेमी, पानी/सर्फेक्टेंट समाधान बूंद उत्पन्न करता है। मोड़ यह सुनिश्चित करता है कि सिरिंज द्वारा उत्पन्न बूंद पूरे प्रयोग में ट्यूब के शीर्ष पर बैठती है। पीटीएफई क्रश फेरनियमों और पीटीएफई थ्रेड टेप के साथ मिलकर स्टेनलेस स्टील टी-फिटिंग में 1/16 फिटिंग सील करते हैं ।

इस उपकरण का उपयोग करते हुए, हमने विभिन्न हाइड्रोफिलिक-लिपोफिलिक बैलेंस (एचएलबी) के साथ चार अलग-अलग एनप्याजिक सर्फेक्टेंट की जांच की जो आमतौर पर तेल उद्योग में उपयोग किए जाते हैं: ऑर्बिटान मोनोलॉरेट, ऑर्बिटान मोनोओलेट, खूंटी-पीपीजी-खूंटी, और पॉलीथोक्सिलीन्सऑर्बिटन ट्रिस्टेरेट।

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Protocol

1. साइक्लोपेंटाने में पानी की बूंद पर हाइड्रेट गठन

नोट: नीचे वर्णित प्रायोगिक प्रक्रिया आईएमडी और हाइड्रेट विज़ुअलाइज़ेशन सेल का उपयोग करके साइक्लोपेंटाने में पानी की बूंद पर हाइड्रेट गठन के अध्ययन के लिए है।

  1. 1 mL ग्लास सिरिंज(चित्रा 2बी, सी)के लिए एक 19 जी सुई संलग्न करते हैं ।
  2. डीआई पानी के साथ 1 मिली ग्लास सिरिंज और 19 जी सुई 3x कुल्ला।
  3. डीआई पानी से सिरिंज भरें।
  4. साइक्लोपेंटाने के 25 mL के साथ हाइड्रेट विजुअलाइजेशन सेल(चित्रा 2बी, ई)भरें।
  5. सिरिंज का उपयोग करके, हाइड्रेट विज़ुअलाइजेशन सेल के नीचे डीआई वॉटर (यानी, 50−100 माइक्रोन) की एक बूंद डालें। यह पानी की बूंद बीज हाइड्रेट है।
    नोट: ड्रॉप हाइड्रेट विज़ुअलाइज़ेशन सेल के नीचे रखा जाना चाहिए। बीज हाइड्रेट का उद्देश्य हाइड्रेट के गठन की शुरुआत करना और विकास दर की लगातार नाभिकीकरण और ट्रैकिंग बनाना है।
  6. कोशिका के नीचे के करीब, हाइड्रेट विज़ुअलाइज़ेशन सेल के अंदर तापमान सेंसर रखें।
  7. साइक्लोपेंटाने के वाष्पीकरण को रोकने के लिए हाइड्रेट विज़ुअलाइज़ेशन सेल पर एक्रेलिक कवर डालें। कवर को जगह में रखने के लिए शिकंजा का उपयोग करें।
  8. ध्यान केंद्रित करने के लिए रोशनी और कैमरे को समायोजित करें। बीज हाइड्रेट पर ध्यान समायोजित करें।
  9. पेल्टियर प्लेट का तापमान -5 डिग्री सेल्सियस तापमान नियंत्रण उपकरण में सेट करें।
  10. तापमान सेंसर द्वारा पढ़े गए तापमान मूल्यों की जांच करें।
  11. एक बार तापमान -5 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाता है, सुनिश्चित करें कि नीचे (बीज हाइड्रेट) पर बूंद बर्फ में बदल जाता है।
  12. पेल्टियर प्लेट का तापमान 05 डिग्री सेल्सियस वेतन वृद्धि में 2 डिग्री सेल्सियस तक सेट करें।
  13. जब तापमान 2 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच जाता है, तो सिरिंज का उपयोग करके नलसाजी को पानी से भरें, और पीतल के हुक को साइक्लोपेंटान में कम करने के लिए 5 न्यूनतम के लिए समतुल्य करें।
    नोट: यह तापमान सुनिश्चित करता है ठोस बर्फ हाइड्रेट में परिवर्तित हो जाती है, क्योंकि सिस्टम बर्फ के पिघलने के बिंदु से ऊपर है, फिर भी साइक्लोपेंटाने हाइड्रेट11से नीचे है।
  14. कैमरे से रिकॉर्डिंग शुरू करें।
  15. डिजिटल ट्रांसड्यूसर रिकॉर्डिंग शुरू करने के लिए दबाव ट्रांसड्यूसर सॉफ्टवेयर पर स्टार्ट मेजरमेंट द प्रेस करें।
  16. सिरिंज पंप से सिरिंज को कनेक्ट करें।
  17. सिरिंज पंप सेट करने के लिए 2 μL की मात्रा सुई और सक्रिय। सिरिंज जलमग्न बूंद बनाने के लिए साइक्लोपेंटाने स्नान में पानी डुबकी लगा देगी।
  18. बीज हाइड्रेट के एक छोटे से टुकड़े को हटाने के लिए सुई की नोक का उपयोग करें।
  19. पानी की बूंद पर हाइड्रेट के गठन की शुरुआत करने के लिए पानी की बूंद(चित्रा 3बी) के साथ संक्षिप्त संपर्क में बीज हाइड्रेट(चित्रा 3ए)के टुकड़े के साथ सुई टिप लाएं।b
  20. कैमरा कैप्चर सॉफ्टवेयर पर प्रेस रिकॉर्ड। 1 हर्ट्ज पर कैमरे से बूंद गोलार्द्ध की क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया की रिकॉर्ड छवियां।

2. साइक्लोपेंटाने में वॉटर सर्फेक्टेंट ड्रॉपलेट पर हाइड्रेट गठन

नोट: सर्फेक्टेंट समाधान के साथ हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण प्रयोग शुद्ध पानी के समान ही किए जाते हैं। हालांकि, हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण पर सर्फेक्टेंट प्रभाव का अध्ययन करने के लिए एक सर्फेक्टेंट समाधान का उपयोग करते समय प्रत्येक सर्फेक्टेंट की महत्वपूर्ण मिसेल एकाग्रता (सीएमसी) खोजने की आवश्यकता होती है। सीएमसी या तो साहित्य9 में पाया जा सकता है या नीचे वर्णित विधि का उपयोग कर सकता है।

  1. प्रत्येक सर्फेक्टेंट के 12 समाधानों की एक श्रृंखला तैयार करने के लिए प्रत्येक सर्फेक्टाइज्ड पानी में प्रत्येक सर्फेक्टेंट के मापा द्रव्यमान को भंग करके सोर्बियन मोनोलॉरेट, खूंटी-पीपीजी-खूंटी, और पॉलीऑक्सीएथिलीनऑर्बिटन ट्राइस्टेटके मानक के 50 मिलील तैयार करें, प्रत्येक10-4 जी/100 मीटर-1 जी/100 मीटर से लेकर एक अलग एकाग्रता का प्रतिनिधित्व करते हैं।
  2. विभिन्न सांद्रता पर साइक्लोपेंटाने में सोर्बियन मोनोओलेट के समाधान तैयार करें।
    नोट: साइक्लोपेंटाने का उपयोग हाइड्रोफोबीसिटी के उच्च स्तर और पानी में सोर्बाने मोनोओलेट की कम घुलनशीलता के कारण किया जाता है। एक ही सांद्रता का उपयोग सार्बाइन मोनोओलेट के लिए भी किया जाता है।
  3. स्टैलाग्मोमेट्री विधि का उपयोग करके प्रत्येक सर्फेक्टेंट समाधान की सतह तनाव को मापें।
    1. गिरने की बूंदों को गिनने के लिए चित्रा 4 में दिखाया गया सिरिंज पंप और सिरिंज को लंबवत रखें।
    2. कार्यक्रम पंप 0.5 mL/
    3. मनाया बूंदों की संख्या से 1 मिलीकर विभाजित करके औसत के रूप में ड्रॉप वॉल्यूम(V)प्राप्त करें।
    4. प्रत्येक समाधान का परीक्षण कम से कम 3x करें।
    5. उपयोग कर के अंतरचेहरे तनाव की गणना करें
      Equation 1
      जहां जी गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण है,वह इंटरफ़ेस में घनत्व परिवर्तन है (यानी, सर्फेक्टेंट समाधान और हवा के बीच घनत्व अंतर), वी ड्रॉपलेट वॉल्यूम है, एफ 12 द्वारा दिया गया एक अनुभवजन्य सुधार है
      Equation 2
      नोट: वैकल्पिक रूप से, कुछ सर्फेक्टेंट समाधानों की सतह तनावसाहित्य 9में पाया जा सकता है।
    6. एकाग्रता के एक समारोह के रूप में सतह तनाव साजिश। सतह तनाव बढ़ते हुए सर्फेक्टेंट एकाग्रता के साथ तब तक कम हो जाएगा जब तक कि यह सपाट न हो जाए और स्थिर न हो जाए।
    7. प्रत्येक सर्फेक्टेंट (यानी, एकाग्रता जहां सतह तनाव सपाट होता है) के लिए सीएमसी का पता लगाएं और प्रयोगों में इसका उपयोग करें।
      नोट: सर्फेक्टेंट एकाग्रता बढ़ाने से सतह तनाव नहीं बदलेगा।
  4. धारा 1 में प्रयोगात्मक प्रक्रिया दोहराएं, लेकिन पानी के बजाय सीएमसी (यानी 0.1x सीएमसी, 1x सीएमसी और 10x सीएमसी) की तुलना में विभिन्न सांद्रता पर सर्फेक्टेंट समाधान का उपयोग करें।

3. इमेज प्रोसेसिंग और इंटरफेशियल स्ट्रेस मेजरमेंट

नोट: शंकु और प्लानर हाइड्रेट विकास पर नज़र रखने दृश्य विश्लेषण विधियों के साथ किया जाता है। उपयोग किए जाने वाले सॉफ्टवेयर प्रोग्राम सामग्री की तालिकामें वर्णित हैं। आकृति का पता लगाने और रंग का एक उदाहरण चित्र 5में पाया जा सकता है। क्योंकि कैमरा केवल गोलाकार बूंद के 2डी प्रक्षेपण को कैप्चर करता है, इसलिए 3डी पुनर्निर्माण की आवश्यकता है।

  1. हाइड्रेट विकास पर नज़र रखने
    1. इमेज प्रोसेसिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करके इमेज सीक्वेंस की पहली इमेज खोलें।
    2. छवि में पीतल ट्यूब की लंबाई को मापने के लिए सॉफ्टवेयर में लंबाई उपकरण का उपयोग करें।
    3. 1/16 इन (1.588 मिमी) के ज्ञात व्यास के आधार पर छवि में पीतल की ट्यूब का पैमाना सेट करें।
    4. प्रत्येक अनुक्रम से 10 समान रूप से दूरी वाले स्नैपशॉट चुनें। स्नैपशॉट्स को पूरी प्रक्रिया पर कब्जा करना चाहिए, नाभिक के बिंदु से पूर्ण बूंद रूपांतरण तक।
    5. 10 चुने गए स्नैपशॉट के लिए स्केल सेटिंग (चरण 3.1.1−3.1.3) दोहराएं।
    6. हर फ्रेम में ड्रॉप की समोच्च का मैन्युअल रूप से पता लगाने के लिए सॉफ्टवेयर का उपयोग करें। लाल रंग में समोच्च चिह्नित(चित्रा 5बी)।
    7. हर फ्रेम में हाइड्रेट की समोच्च का मैन्युअल रूप से पता लगाने के लिए सॉफ्टवेयर का उपयोग करें। काले रंग में हाइड्रेट के पूरे क्षेत्र के पूरे क्षेत्र रंग(चित्र5बी)।
    8. सतह क्षेत्र में सुधार के रूप में ड्रॉप के 3डी पुनर्निर्माण बनाने के लिए गणितीय मॉडलिंग सॉफ्टवेयर का उपयोग करें।
      नोट: 3 डी सतह क्षेत्र के निर्माण पर पूरा विवरण डैन एट अल13में वर्णित है ।
  2. स्पष्ट औसत अंतरचेहरे तनाव माप
    नोट: स्पष्ट औसत इंटरफेशियल तनाव की गणना दबाव ट्रांसड्यूसर से एकत्र किए गए आंतरिक दबाव डेटा का उपयोग करके की जाती है।
    1. प्रेशर ट्रांसड्यूसर(पी)से रिकॉर्ड किए गए डेटा का उपयोग करें।
    2. हर डेटा बिंदु के लिए, स्पष्ट औसत इंटरफेशियल तनाव(y)निर्धारित करने के लिए युवा-लैप्लेस रिलेशन14 का उपयोग करें,
      Equation 3
      जहां आर1 और आर2 वक्रता की बूंद रेडी हैं औरटी = t 0 के सापेक्ष बूंद के भीतर दबाव में परिवर्तन है।
      नोट: बूंद गठन के बाद प्रारंभिक अवधि में, दो रेडी लगभग बराबर हैं, इसलिए युवा-लैप्लेस समीकरण में आर1 और आर2 को आर = 782 माइक्रोन के बराबर पूर्व निर्धारित 2 माइक्रोन ड्रॉप के त्रिज्या के साथ प्रतिस्थापित किया जा सकता है।

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Representative Results

इस प्रयोगात्मक प्रणाली का उपयोग करके तेल-पानी इंटरफेस पर हाइड्रेट गठन की जांच कर सकते हैं और क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया से जुड़े इंटरफेशियल तनाव को माप सकते हैं। चित्रा 6 परिणामों का एक प्रतिनिधि सेट दिखाता है जिसमें क्रिस्टल गठन और इंटरफेशियल तनाव दोनों शामिल हैं। प्लैपर शेल ग्रोथ(चित्रा 6ए)में क्रिस्टल दो ध्रुवों से भूमध्य रेखा की ओर बढ़ता गया। इसी वजह से प्लानर क्रिस्टल में हाइड्रेट शेल लगातार बढ़ता गया। शुद्ध पानी और कम सर्फेक्टेंट सांद्रता में हाइड्रेट ने एक प्लानर शेल आकृति विज्ञान का गठन किया, जैसा कि चित्र6एमें देखा जा सकता है। आंकड़ा 6बी में दिखाया समय के साथ दबाव और स्पष्ट औसत अंतरफेशियल तनाव में परिवर्तन स्पष्ट औसत इंटरफेशियल तनाव में एक क्रमिक कमी के रूप में हाइड्रेट विकास planar खोल आकृति विज्ञान के लिए प्रगति दिखाई । जैसे-जैसे हाइड्रेट बढ़ता गया और सतह को कवर किया गया, सर्फेक्टेंट अणुओं के लिए कम उपलब्ध क्षेत्र था, इसलिए सर्फेक्टेंट अणुओं की एक ही संख्या ने एक छोटे सतह क्षेत्र पर कब्जा कर लिया, जिसके परिणामस्वरूप स्पष्ट औसत अंतरफेशियल तनाव में कमी आई। उच्च सर्फेक्टेंट सांद्रता में शंकु आकृति विज्ञान(चित्रा 6सी)मनाया गया था। यहां हाइड्रेट एक शंकु क्रिस्टल के रूप में बढ़ा। जब शंकुक्रिस्टल काफी बड़ा हो गया, शंकु का एक हिस्सा बूंद सतह से मुक्त तोड़ दिया । यह विकास पैटर्न बार-बार एक आदोलनवादी तरीके से हुआ । क्रिस्टल विकसित करने के लिए जब तक यह एक महत्वपूर्ण आकार तक पहुंच शुरू कर दिया है, तो यह तोड़ दिया और प्रक्रिया सब फिर से शुरू कर दिया । स्पष्ट औसत इंटरफेशियल तनाव माप(चित्रा 6डी)ने इंटरफेशियल तनाव में प्रारंभिक कमी दिखाई क्योंकि शंकुक्रिस्टल बढ़ने लगा। विकास प्रक्रिया के प्रारंभिक चरणों में सर्फेक्टेंट अणुओं के लिए उपलब्ध सतह क्षेत्र में कमी आई थी। शंकुक्रिस्टल बढ़ा और कुछ बिंदु पर अपने महत्वपूर्ण आकार तक पहुंच गया। क्रिस्टल के आगे के विकास के परिणामस्वरूप बूंद की सतह से टुकड़ी हुई। सतह से शंकु गोलमाल के परिणामस्वरूप सर्फेक्टेंट अणुओं के लिए उपलब्ध सतह में अचानक वृद्धि हुई और इंटरफेशियल तनाव में वृद्धि हुई। एक क्रिस्टल तो फिर से बढ़ रहा है, जो स्पष्ट औसत अंतरफेशियल तनाव का एक दोलन व्यवहार के परिणामस्वरूप शुरू कर दिया । यह आदोलनकारी व्यवहार चित्र6डीमें देखा जा सकता है ।

हाइड्रेट ग्रोथ को ट्रैक करके हम हाइड्रेट फॉर्मेशन को बाधित करने के लिए सर्फेक्टेंट की क्षमता के बारे में जानकारी प्राप्त कर सकते हैं । सभी सर्फेक्टेंट समाधानों की सामूहिक वृद्धि दर कम (यानी, 0.1 सीएमसी), मध्यम (यानी, सीएमसी), और उच्च (यानी, 10 सीएमसी) सांद्रता को चित्रा 7में प्रस्तुत किया जाता है। क्योंकि हर सर्फेक्टेंट एकाग्रता के तीन स्वतंत्र मापन के बीच मानक विचलन <5%था, त्रुटि बार प्रस्तुत नहीं किए जाते हैं। सामान्य तौर पर, सर्फेक्टेंट समाधान शुद्ध पानी की तुलना में हाइड्रेट विकास को रोकता है। हाइड्रेट गठन को बाधित करने में सबसे प्रभावी सर्फेक्टेंट उच्च एकाग्रता (यानी, 10 सीएमसी) पर पॉलीऑक्सीएथिलीनऑर्बिटन ट्राइस्टेरेट था। इस सर्फेक्टेंट के साथ बनने वाले हाइड्रेट्स में अगले बेस्ट सर्फेक्टेंट (यानी 10 सीएमसी पर स्ऑर्बिटन मोनोलॉरेट) के साथ बनने वाले हाइड्रेट्स की तुलना में लगभग 3x धीमी वृद्धि दर थी। हमने यह भी पाया कि हाइड्रेट अवरोध के मामले में सबसे कुशल क्रिस्टल गठन शंकु क्रिस्टल था। हमने यह भी पाया कि कोनिकल क्रिस्टल हाइड्रेट अवरोध के लिए सबसे प्रभावी थे। क्योंकि एक शंकुक्रिस्टल एक निश्चित आकार पिछले विकसित नहीं कर सकते हैं, हाइड्रेट एक प्लानर क्रिस्टल की तुलना में धीमा बढ़ता है। इसलिए, हाइड्रेट को शंकु क्रिस्टल बनाने के लिए मजबूर करने वाले सर्फेक्टेंट सबसे कुशल थे।

Figure 1
चित्रा 1: एकीकृत मॉड्यूलर पेल्टियर डिवाइस (आईएमडीडी) की हार्डवेयर असेंबली। (क)इकट्ठे तापमान नियंत्रण प्रणाली ए की व्यवस्था दिखा) बिजली की आपूर्ति, बी) हेटसिंक पर पेल्टियर, सी) तापमान जांच, और डी) माइक्रोकंट्रोलर । (ख)आईएमडी प्रणाली के विभिन्न घटकों का योजनाबद्ध विवरण। (ग)नियंत्रण लूप के सभी घटकों और दिखाए गए पिनआउट के साथ तारों की योजनाबद्ध । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: हाइड्रेट विज़ुअलाइज़ेशन सेल। (क)हाइड्रेट विज़ुअलाइजेशन सेल का योजनाबद्ध विवरण। (ख)बढ़ते हार्डवेयर और उपकरण लेआउट: ए) बिजली आपूर्ति, बी) पंप, सी) सिरिंज, डी) हीटसिंक, ई) पीतल दृश्य सेल, एफ) कैमरा लेंस, जी) ट्रांसड्यूसर, एच) माइक्रोकंट्रोलर, मैं) रोशनी । (ग)कवर और सिलिका डेसीडेंट के साथ पीतल विज़ुअलाइज़ेशन सेल। (d)सिरिंज पंप से पीटीएफई ट्यूबिंग और टी-फिटिंग के माध्यम से ट्रांसड्यूसर और पीतल के हुक तक नलसाजी मार्ग । डैन एट अल13से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित (अनुकूलित) । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3: बीज हाइड्रेट द्वारा नाभिक। (क)सुई की नोक का उपयोग करके बीज हाइड्रेट को हाइड्रेट विज़ुअलाइज़ेशन सेल के नीचे से उठाया गया था। (ख)हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया शुरू करने के लिए बीज हाइड्रेट को पानी की बूंद के संपर्क में लाया जाता है। डैन एट अल13से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित (अनुकूलित) । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: सतह तनाव माप के लिए प्रयोगात्मक सेटअप की गिनती ड्रॉप करें। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5: सतह क्षेत्र विश्लेषण के लिए उदाहरण हाइड्रेट क्षेत्र। (क)ड्रॉप पर हाइड्रेट की कच्ची छवि। (ख)ड्रॉप कंटूर लाल रंग में चिह्नित है, हाइड्रेट क्षेत्र काले रंग में चिह्नित है । लंबाई पैमाने छवि के तल पर पीतल ट्यूब के ज्ञात व्यास के माप से निर्धारित किया जाता है। डैन एट अल13से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित (अनुकूलित) । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 6
चित्रा 6: समय खामियों और विभिन्न क्रिस्टल प्रकार के लिए स्पष्ट औसत अंतरफेशियल तनाव माप। (क)कम सर्फेक्टेंट एकाग्रता के लिए प्लैपर वृद्धि का समय चूक। (ख)प्रेशर ट्रांसड्यूसर द्वारा पढ़ी गई ड्रॉप के अंदर दबाव का अंतर । स्पष्ट औसत इंटरफेशियल तनाव मूल्यों का मूल्यांकन युवा-लैप्लेस समीकरण का उपयोग करके किया गया था जैसा कि डैन एट अल13में वर्णित है। (ग)उच्च सर्फेक्टेंट एकाग्रता के लिए शंकुहाइड्रेट विकास का समय चूक। (घ) टी = 0 के सापेक्ष बूंद के भीतर दबाव में परिवर्तन और शंकु हाइड्रेट की हाइड्रेट विकास प्रक्रिया के दौरान समय के एक समारोह के रूप में इसी स्पष्ट औसत अंतरफेशियल तनाव मूल्यों । डैन एट अल13से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित (अनुकूलित) । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 7
चित्रा 7: कम (0.1 सीएमसी), मध्यम (सीएमसी), और उच्च (10 सीएमसी) सांद्रता पर सभी सर्फेक्टेंट समाधानों के लिए हाइड्रेट वृद्धि दर। डैन एट अल13से अनुमति के साथ पुनर्मुद्रित (अनुकूलित) । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Discussion

इस लेख में हम एनप्याजिक सर्फेक्टेंट की उपस्थिति में तेल-पानी इंटरफेस पर हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण का अध्ययन करने के लिए एक प्रयोगात्मक तकनीक का वर्णन करते हैं। उपकरण में एक तापमान नियंत्रण प्रणाली और एक दृश्य कोशिका शामिल है जिसमें खिड़कियां, सीएमओएस कैमरा और दबाव ट्रांसड्यूसर के साथ एक पीतल कक्ष शामिल है। तापमान नियंत्रण प्रणाली में माइक्रोकंट्रोलर, शक्तिशाली पेल्टियर प्लेट, हीटसिंक के रूप में 120 मिमी सीपीयू कूलर और वाटरप्रूफ डिजिटल तापमान सेंसर शामिल है। एक हाइड्रेट विज़ुअलाइज़ेशन पीतल सेल एक खिड़की पर तय कैमरे और एक बूंद के अंदर दबाव को मापने में सक्षम एक दबाव सेंसर के साथ डिजाइन किया गया था । उपकरण के साथ परीक्षण किए गए सर्फेक्टेंट में ऑर्बिटान मोनोलॉरेट, ऑर्बिटान मोनोओलेट, खूंटी-पीपीजी-खूंटी और पॉलीऑक्सीथेथिलीनऑर्बिटन ट्राइस्टेरेट थे, जिनका उपयोग आमतौर पर तेल उद्योग में किया जाता है। उपकरण हाइड्रेट क्रिस्टल की वृद्धि दर के माप के साथ-साथ बूंदों के अंदर आंतरिक दबाव परिवर्तन की अनुमति देता है क्योंकि वे हाइड्रेट क्रिस्टलीकरण से गुजरते हैं। दबाव परिवर्तन से कोई स्पष्ट औसत इंटरफेशियल तनाव निकाल सकता है, जो हाइड्रेट क्रिस्टल के आकार को इंगित कर सकता है।

यह विधि स्पष्ट औसत अंतरफेशियल तनाव का उत्पादन करने के लिए दृश्य तकनीकों और आंतरिक दबाव माप को जोड़ती है। इसके परिणामस्वरूप इंटरफ़ेस पर सर्फेक्टेंट के क्राउडिंग पैटर्न के साथ हाइड्रेट क्रिस्टल के आकार का संयोजन होता है।

प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण कदम हैं: (1) साइक्लोपेंटाने (25 मिलील) से भरने के बाद सेल पर कवर डालना, (2) बीज हाइड्रेट के रूप में सेवा करने के लिए सिरिंज का उपयोग करके कोशिका के नीचे पानी की बूंद डालने, (3) कोशिका के तापमान को -5 डिग्री सेल्सियस तक कम करना और यह सुनिश्चित करना कि बीज हाइड्रेट बर्फ में बदल जाता है, (4) 05 डिग्री सेल्सियस वेतन वृद्धि में तापमान को 2 डिग्री सेल्सियस तक बढ़ाता है, (5) पानी/सर्फेक्टेंट समाधान से नलसाजी भरना और कोशिका में तापमान होने पर 5 न्यूनतम तापमान के लिए संतुलन बनाने के लिए साइक्लोपेंटान में पीतल के हुक को कम करना 2 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचता है, (6) कैमरा और दबाव ट्रांसड्यूसर रिकॉर्डिंग शुरू, (7) सिरिंज पंप का उपयोग कर पीतल ट्यूब से पानी/surfactant बूंद पैदा, और (8) पहले सेल के नीचे पर गठित हाइड्रेट की एक छोटी राशि खुरचन और यह बूंद है, जो हाइड्रेट गठन की प्रक्रिया शुरू के साथ संक्षिप्त संपर्क में लाने ।

प्रस्तुत उपकरण और प्रयोगात्मक तकनीकों का उपयोग तरल इंटरफेस पर क्रिस्टल के गठन और क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया के प्रकारों और अवरोध पर सर्फेक्टेंट के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखक अमेरिकन केमिकल सोसायटी-पेट्रोलियम रिसर्च फंड (एसीएस-पीएफआर), ग्रांट नंबर: पीआरएफ # 57216-UNI9, वित्तीय सहायता के लिए धन्यवाद देते हैं ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
1/16 in. Swagelok 316 stainless steel T-fitting Swagelok
19 gauge PTFE tubing Scientific Commodities, Inc.
19-gauge needle (model: 1001 LTSN SYR)
1-Wire DS18B20 - waterproof digital temperature sensor
Anti fog RainX
Arduino Leonardo open-source microcontroller
Brass tubing 1/16 in. K&S Precision Metals
Chemyx Fusion 100 Infusion Pump Chemyx
cMOS camera acA640-750um Basler
Cyclopentane 98% extra pure ACROS organics AC111481000
Fiber optic goose-neck lamp 150W AmScope
Fotodiox macro extension tubes, 35 mm
Hamilton glass syringe 1 mL Hamilton
ImageJ software
Kipon EOS to C-mount adapter Kipon
Lens 28-90 mm Canon
Mathematica software Mathematica
OMEGA PX409-10WGUSBH pressure transducer OMEGA
Peltier plate TEC1-12715 Amazon
Pluronic L31 (PEG-PPG-PEG) Sigma Aldrich 9003-11-6
Pylon Viewer v5.0.0.6150 Basler
Span 20 (Sorbitan laurate, Sorbitan monolaurate) Sigma Aldrich 1338-39-2
Span 80 (Sorbitan Monooteate) Sigma Aldrich 1338-43-8
Thermaltake NiC C4 120mm CPU cooler Thermaltake
Tween 65 (Polyoxyethylenesorbitan Tristearate) Sigma Aldrich 9005-71-4
variable Tooluxe DC power supply

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References

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रसायन विज्ञान अंक 157 क्रिस्टलीकरण साइक्लोपेंटाने हाइड्रेट आकृति विज्ञान रीलॉजी सर्फेक्टेंट तापमान नियंत्रण प्रणाली
कम लागत वाले एकीकृत मॉड्यूलर पेल्टियर डिवाइस का उपयोग करके तेल-जल इंटरफेस पर हाइड्रेट क्रिस्टलाइजेशन पर सर्फेक्टेंट प्रभावों का अध्ययन करना
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Ko, H. Y., Dann, K., Rosenfeld, L.… More

Ko, H. Y., Dann, K., Rosenfeld, L. Studying Surfactant Effects on Hydrate Crystallization at Oil-Water Interfaces Using a Low-Cost Integrated Modular Peltier Device. J. Vis. Exp. (157), e60391, doi:10.3791/60391 (2020).

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