Summary
אנו מציגים פרוטוקול ללמוד את היווצרות של הידרטים בנוכחות של מפעילי nonionic על הממשק של droplet מים שקוע ב ציקלופנטאן. הפרוטוקול כולל בניית וסת. בעלות נמוכה, ניתן לתיכנות ומווסת טמפרטורה מערכת בקרת הטמפרטורה משולבת עם טכניקות ויזואליזציה ומדידות לחץ פנימי.
Abstract
אנו מציגים גישה כדי ללמוד את היווצרות וצמיחה של הידרטים תחת השפעה של מפעילי nonionic. המערכת הניסיונית כוללת וסת טמפרטורה, טכניקות ויזואליזציה ומדידות לחץ פנימי. מערכת בקרת הטמפרטורה מכילה מווסת טמפרטורה בעלות נמוכה וניתנת לתיכנות העשוי מרכיבים מוצקים של המדינה. יחד עם מערכת בקרת טמפרטורה, אנו משולבים טכניקות ויזואליזציה ומדידות לחץ פנימי כדי ללמוד היווצרות מימה ועיכוב בנוכחות של מפעילי nonionic. למדנו את היכולת המממנת-מעכבים של nonionic הגולש (sorbitane monolaurate, בריכת שייט, יתד-PPG-יתד, ופוליוקסריםביריאורביריבינטאנייטה בזול (כלומר, 0.1 CMC), בינוני (כלומר, CMC) וגבוה (כלומר, 10 CMC) ריכוזי. נוצרו שני סוגי גבישים: מישורי וחרותיים. קריסטלים מישורי נוצרו במים פשוטים ובריכוזים נמוכים של חומרים. גבישים חרוטיים נוצרו בריכוזים גבוהים של חומרים. תוצאות המחקר מראים כי גבישים חרוטיים הם היעילים ביותר במונחים של עכבות מימה. מכיוון שקריסטלים חרוטיים אינם יכולים לצמוח מעבר לגודל מסוים, שיעור הצמיחה המימיים כגביש חרוט איטי יותר מקצב הגידול המימיים כגביש מישורי. לפיכך, החומרים האלה שכוח הידרוטים ליצירת קריסטלים חרוטיים הם היעילים ביותר. מטרת הפרוטוקול היא לספק תיאור מפורט של מערכת ניסיונית המסוגלת לחקור את תהליך התגבשות הציקלופנטאן על פני השטח של droplet מים בנוכחות של מולקולות הסורסטנט.
Introduction
התמריץ להבין את המנגנון של התגבשות מימה ועיכוב נובע מהעובדה כי הידרטים מתרחשים באופן טבעי בצינורות הנפט יכול לגרום לקשיים באבטחת הזרימה. לדוגמה, 2010 מפרץ של מקסיקו שמן לשפוך1 היה תוצאה של הצטברות מימה במערכת צנרת שמן מתחת למים, גרימת זיהום לסביבה. מכאן, הבנת היווצרות מימה ועיכוב היא חיונית כדי למנוע אסונות סביבתיים עתידיים. רוב הכוח המניע למחקר של התגבשות מימה בשנים האחרונות הוא מאמץ של תעשיית הנפט כדי למנוע הזרמת מייבשים וסתימת הזרימה הבאה. המחקר הראשון כדי לקבוע כי הידרטים היו אחראים לצינורות מחוברים שנעשו על ידי האמרשמידט ב 19342. עד היום, יצרני הנפט מוצאים את זה חשוב מאוד להבין ולעכב היווצרות מימה עבור ביטחון הזרימה3.
דרך אחת למנוע היווצרות מימה היא לבודד צינורות מים עמוקים, כך קרח אינו מגבש. עם זאת, זה יקר לבודד כראוי את הצינורות, ואת העלויות הנוספות יכול להיות בסדר של $1 מיליון/km3. מעכבי תרמודינמיים, כגון מתנול, יכולים להיות מוזרק לתוך הראש כדי למנוע היווצרות של הידרטים. עם זאת, יחסי נפח גדול של מים לאלכוהול, כמו גדול 1:1, נחוצים על מנת למנוע כראוי את היווצרות של הידרטים4. לאחרונה, העלות הגלובלית לשימוש מתנול עבור מניעה מימה דווחה כ $220 מיליון/שנה. זה לא כמות בת קיימא של שימוש באלכוהול5. בנוסף, השימוש במתנול הוא בעייתי משום שהוא מסוכן לסביבה ואינו יכול לשמש להובלה בקנה מידה גדול5. לחילופין, מעכבי קינטי, כגון surfactants, יכול לדכא צמיחה מימה בכמויות קטנות וטמפרטורות של עד 20 ° c6. מכאן, נוכחות הגולש יכול להפחית את כמות גדולה של אלכוהול הדרושים למניעה מימה.
פעילי החומרים נחשבים מעכבי טובה עבור התגבשות מימה בשל שתי סיבות עיקריות:
1) הם יכולים לעכב את היווצרות המים באמצעות שינויי רכוש המשטח; ו 2) הם בתחילה לעזור היווצרות של תאים מימה, אך למנוע צמיחה נוספת והנפת הגביש במורד צינור7. למרות פיתחה הוכיחו להיות יעיל מעכבי, יש עדיין כמות גדולה של מידע חסר לגבי תהליך התגבשות בנוכחות של מפעילי. בעוד מחקרים מסוימים הראו כי השימוש של הגולש יכול להאריך את הזמן הראשוני התגבשות מימה ב subcoolings מסוימים, מחקרים אחרים מצאו חריגים בריכוזי החומרים הנמוכים. בריכוזים נמוכים של חומרים, טיפות המים נוטות למזג ולהאיץ את תהליך היווצרות מימה8. תהליך העיכוב הוסבר על ידי מולקולות חומרים פעילי שטח מפריעה צמיחה מימה מישורי, כפיית מימה לתוך היווצרות גביש חלול-חרוט. גבישי החרוט מהווים מחסום מכני לגידול גביש9, וכך מעכבים את הצמיחה.
במחקר זה עיצבנו ומיושם בעלות נמוכה, משולב מכשיר Peltier מודולרי (IMPd) יחד עם תא הדמיה מימה והשתמשו בהם כדי לחקור היווצרות ציקלופנטאן מימה בנוכחות של הגולש nonionic. הסיבה לשימוש ציקלופנטאן במקום גזים במשקל מולקולרי נמוך (למשל, CH4 ו-CO2) כי בדרך כלל טופס הידרוטים בתוך מאגרי מים עמוקים, הוא כי גזים אלה דורשים לחצים גבוהים יותר טמפרטורות נמוכות כדי ליצור הידרטים יציבים. מכיוון שהציקלופנטאן יוצרת הידרטים בלחץ סביבתי ובטמפרטורות של עד ~ 7.5 ° c, הוא משמש לעתים קרובות כחומר מודל עבור היווצרות מימה10.
המכשיר המשולב מודולרי פלוייה (IMPd) מורכב מיקרובקר מקור פתוח, לוחית פלטייר, מצנן מעבד (כיור חום), וחיישן טמפרטורה דיגיטלית עמיד למים. המכשיר יכול לספק טמפרטורה מקסימלית דיפרנציאלי של 68 ° c. רזולוציית הטמפרטורה המינימלית היא 1/16 ° c. המערכת כולה, כולל המעגלים החשמליים והחומרה, ניתן לבנות עבור פחות מ $200. חיישן הטמפרטורה מדווח למיקרו-בקר, השולח אותות פלט לטרנזיסטור. הטרנזיסטור מעביר את הזרם ממקור הכוח הDC דרך האלמנט פלטייר. כיור החום מסייע לצנן את האלמנט של פלטייר על ידי הבאת החום המגיע מהצד החם של הפלטייר לאוויר הסביבתי. רכיבי החומרה המורכבים של מערכת IMPd מוצגים באיור 1, b. איור 1ג מציג את סכימטי החיווט עם כל הרכיבים של לולאת הבקרה (אינטגרלי-אינטגרל-בקרי נגזרות) ומספר הפינים. זרם הפלט של המיקרובקר היה מוגבל עם השער השערים R1 לזרם המקסימלי של 23 mA (I = 5 V/220 W). מאפשר למטען השער להתפזר. Figure 1c ולכבות את המערכת כדי לכוונן את בקר ה-PID, שיטות המבוססות על זיגלר-ניקולס בשילוב עם תהליך איטרטיבי משמשות11. סביבת פיתוח משולבת של מיקרובקר (IDE) תוכנה משמשת לניטור ושליחה של פקודות למיקרו-בקר עבור רגולציה בטמפרטורה.
יחד עם IMPd, אנו להחיל גישה הרומן באמצעות טכניקות ויזואליזציה ומדידות לחץ פנימי. תא הדמיה מימה, אשר ממוקם על גבי IMPd, מורכב תא פליז מצויד שני חלונות צפייה פעמיים. החלונות מאפשרים הקלטת וידאו של תהליך היווצרות מימה על droplet המים ב ציקלופנטאן. מצלמה משלימה תחמוצת המתכת (CMOS) ממוקם מחוץ לחלון ומתמר הלחץ מחובר לקו הזרקת מים כדי לקבל את מדידות הלחץ הפנימי של הירידה. יישום מתמר דיגיטלי משמש כדי לקבל את הקריאות של מתמר הלחץ. מציג מצלמה משמש ללכידת סרטי הווידאו והתמונות ממצלמת ה-CMOS. התוכנה שולטת בתדר החשיפה והתמונה. עיבוד תמונה תוכנות משמשות כדי לעקוב אחר התפתחותם של המיים. איור 2a מראה תיאור סכמטי של התא הדמיה מימה ואיור 2ב מראה סקירה של המערכת הניסיונית כולה. הזרע מימה (איור 2א) נדרש לצורך התגררות עקבית ומעקב אחר שיעור הצמיחה המיימה. הזרע מימה הוא כרך קטן (למשל, 50-100 μL) של מים טהורים הופקד על רצפת התא מימה. כאשר הטמפרטורה פוחתת, צורות הירידה קרח, אשר לאחר מכן פונה מימה כמו הטמפרטורה עולה. החלק הקטן של הזרע מימה ואז לקשר את droplet המים. תהליך זה שולט בתחילתן של המים הזורמים בתוך ה-droplet של מי התהום. התייבשות סיליקה צביעות מוכנס לפער בין שתי שקופיות זכוכית (איור 2ג), המשמשים כחלונות צפייה. החומר לייבוש סיליקה מסייע להפחית את כמות הציפוי והערפול על החלונות. האנטי-ערפל מוחל גם על החלון החיצוני כדי להפחית את הערפול. תמונות נלכדים עם מצלמת CMOS ו 28-90 מ"מ עדשה. מנורה 150 W סיבים אופטיים אווז משמש לתאורה. כיסוי אקרילי מונח על גבי תא הפליז כדי להגביל את האידוי של ציקלופנטאן. הצנרת מורכבת משילוב של צינורות פוליטפלואורואתילן גמישים וצינורות פליז קשיחים. משאבת מזרק עם מזרק זכוכית 1 mL ו 19 המחט G שליטה זרימת המים ופתרון החומרים. מתמר לחץ מפקחת על שינויי הלחץ. בתוך התמיסה של המים, droplet 19 G מצוכי אבובים מחבר את המזרק ל T-התאמה ו-1/16. (1.588 מ"מ) פליז אבובים מחבר את מתמר ומפליז לחבר T-התאמה (איור 2ד). קרס פליז, כ 5 ס מ אורך עם עיקול 180 מעלות, מייצר את המים/הפתרון החומרים droplet. העיקול מבטיח כי ה-droplet שנוצר על-ידי המזרק, מונח על גבי הצינורית במהלך הניסוי. 1/16 בתוך. פלדת אל-חלד המתאימה בשילוב עם כללי המרמוס והדבק הנייר חותם את האביזרים.
באמצעות מכשיר זה, בדקנו ארבעה מפעילי nonionic שונים עם יתרות שונות הידרופיפילית ליפופילית (HLB) כי הם משמשים בדרך כלל בתעשיית הנפט: sorbitane monolaurate, sorbitane monolaurate, יתד-PPG-יתד, ו polyoxyethyאורביניםבית . זה מאוד מהנה
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. היווצרות מימה על droplet מים בתוך ציקלופנטאן
הערה: ההליך הניסיוני המתואר להלן הוא לחקר היווצרות מימה על droplet מים ב ציקלופנטאן באמצעות הנייד IMPd והדמיה מימה תיאר במבוא.
- הצמד המחט G 19 על מזרק זכוכית 1 mL (איור 2ב, ג).
- לשטוף את מזרק זכוכית 1 mL ו 19 גרם מחט 3x עם מים DI.
- ממלאים את המזרק במים די.
- מלא את תא ההדמיה המימה (איור 2ב', י) עם 25 מ ל של ציקלופנטאן.
- באמצעות מזרק, להוסיף droplet של מים DI (כלומר, 50-100 μL) בחלק התחתון של התא הדמיה מימה. . המים האלה הם הזרע
הערה: יש למקם את הטיפה בתחתית תא ההדמיה הימה. מטרת הזרע מימה היא ליזום את היווצרות המיים וליצור התגררות עקבית ומעקב אחר קצב הצמיחה. - הצב את חיישן הטמפרטורה בתוך תא ההדמיה המיים, קרוב לתחתית התא.
- שים את העטיפה אקריליק על תא הדמיה מימה כדי למנוע אידוי של ציקלופנטאן. השתמש בברגים כדי לשמור על הכיסוי במקומו.
- כוונן את האורות והמצלמה להתמקדות. להתאים את המוקד על הזרע מימה.
- הגדר את טמפרטורת הלוח ל-5 ° c בהתקן בקרת הטמפרטורה.
- בדוק את ערכי הטמפרטורה שנקראו על-ידי חיישן הטמפרטורה.
- לאחר הטמפרטורה מגיע-5 ° צ', ודא את ה-droplet בתחתית (זרע מימה) פונה לקרח.
- הגדר את טמפרטורת הלוח עד 2 ° c בהפרשים של 0.5 ° c.
- כאשר הטמפרטורה מגיעה ל-2 ° c, ממלאים את הצנרת עם מים בעזרת המזרק, ומוריד את הקרס לתוך הציקלופנטאן עד 5 דקות.
הערה: טמפרטורה זו מבטיחה את הקרח המוצק מומר למים, כי המערכת מעל נקודת התכה של קרח, אך מתחת לזה של ציקלופנטאן הידרטים11. - . תתחיל להקליט עם המצלמה
- לחץ על התחל מדידה על תוכנת מתמר לחץ כדי להתחיל את ההקלטות מתמר דיגיטלי.
- . חבר את המזרק למשאבת המזרק
- הגדר את משאבת המזרק כדי להזריק נפח של 2 μL ולהפעיל. המזרק יספוג את המים לתוך אמבט ציקלופנטאן כדי ליצור את ה-droplet השקוע.
- השתמש בעצת מחט כדי להסיר חלק קטן של הזרע מימה.
- הביאו את עצת המחט עם פיסת הזרע מימה (איור 3א) לתוך מגע קצר עם Droplet המים (איור 3ב) כדי ליזום את היווצרות של מימה על droplet מים.
- לחץ על הרשומה בתוכנת לכידת המצלמה. הקלטת תמונות של תהליך התגבשות של חצי הכדור של droplet מהמצלמה ב-1 Hz.
2. מייבשים את המערך על משטח המים droplet בתוך ציקלופנטאן
הערה: ניסויים התגבשות מימה עם פתרונות מפעילי חומרים מבוצעים באותו אופן כמו מים טהורים. עם זאת, כאשר משתמשים בפתרון מפעילי האתר כדי ללמוד את האפקט הסורפסטנט על התגבשות מימה יש צורך למצוא את הריכוז מיצלה קריטי (CMC) של כל מבקר. ניתן למצוא את ה-CMC בספרות9 או באמצעות השיטה המתוארת להלן.
- הכינו 50 מ ל של פתרונות סטנדרטיים של sorbitane monolaurate, יתד-PPG-יתד, ופוליוקסייטהריאורםהמאלף על ידי המסת מסה מוערכת של כל מפעילי הארגון לתוך המים המיוטים כדי להכין סדרה של 12 פתרונות של כל מפעילי הארגון, כל אחד מייצג ריכוז שונה הנע בין 10-4 g/100 מ"ל – 1 g/100 ml.
- הכינו פתרונות של סורביאן monooleate ב ציקלופנטאן בריכוזים שונים.
הערה: ציקלופנטאן משמש עקב רמה גבוהה של הידרופוביניטי ומסיסות נמוכה של sorbitane monooleate במים. באותו ריכוזים משמשים גם לסורביאן monooleate. - למדוד את המתח פני השטח של כל פתרון הסקר באמצעות שיטת זקיף.
- מניחים את משאבת מזרק מזרק אנכית כפי שמוצג באיור 4 כדי לספור טיפות נפילה.
- התוכנית המשאבה לגרש 1 mL של הפתרון בשיעור של 0.5 mL/min ולשחרר את הטיפות לאוויר.
- השג את אמצעי האחסון הצונח (V) כממוצע על-ידי חילוק של 1 mL במספר הטיפות הצפות.
- מבחן כל פתרון לפחות 3x.
- חישוב מתח בין הפנים באמצעות
כאשר g היא ההאצה בשל הכבידה, Δp הוא שינוי הצפיפות בממשק (כלומר, ההבדל הצפיפות בין הפתרון הגולש והאוויר), V הוא נפח droplet, F הוא תיקון ניסיוני שניתנה על ידי12
הערה: לחילופין, ניתן למצוא מתח מפני השטח של מספר פתרונות מפעילי הרכב בספרות9. - מתווה את המתח הפני-שטח כפונקציה של ריכוז. המתח מפני השטח יקטן בריכוז הולך וגובר עד שהוא משטע והופך לקבוע.
- מצא את CMC עבור כל שאיפה (כלומר, את הריכוז שבו מתח פני השטח משטחת) ולהשתמש בו בניסויים.
הערה: הגברת הריכוז הגולש לא תשנה את המתח של פני השטח.
- חזור על ההליך הניסיוני בסעיף 1, אבל במקום המים להשתמש בפתרון החומרים בריכוזים שונים לעומת CMC (כלומר, 0.1 x CMC, 1x CMC, ו 10x CMC).
3. עיבוד תמונה ומדידות לחץ פנים
הערה: מעקב אחר צמיחת המיים החרופית והמיאלית מבוצעת באמצעות שיטות ניתוח חזותי. התוכנות המשמשות לשימוש מתוארות בטבלת החומרים. דוגמה לזיהוי מתאר וצביעה ניתן למצוא באיור 5. בגלל המצלמה רק לוכדת הקרנה דו-ממדית של ה-droplet כדורית, שחזור תלת-ממד צריך להיווצר.
- מעקב אחר הצמיחה המיימה
- פתחו את התמונה הראשונה של רצף התמונות באמצעות תוכנת עיבוד תמונה.
- השתמשו בכלי אורך בתוכנה כדי למדוד את אורך צינור הפליז בתמונה.
- קבעו את קנה המידה של צינור הפליז בתמונה המבוססת על הקוטר הידוע של 1/16 בתוך. (1.588 מ"מ).
- בחר באפשרות 10 תמונות מרווחים באופן שווה מכל רצף. התמונות אמורות ללכוד את התהליך המלא, מנקודת התגררות להמרת droplet מלאה.
- חזור על הגדרת קנה המידה (שלבים 3.1.1-3.1.3) עבור 10 התמונות הנבחרות.
- השתמש בתוכנה כדי לזהות ידנית את מתאר הפתיח בכל מסגרת. סמן את המתאר באדום (איור 5ב).
- השתמש בתוכנה כדי לזהות באופן ידני את המתאר של הימה בכל מסגרת. צבע את כל האזור של האזור כולו של הימה בשחור (איור 5ב).
- השתמש בתוכנת דוגמנות מתמטית כדי ליצור שחזור תלת-ממדי של הירידה כתיקון לאזור פני השטח.
הערה: פרטים מלאים על בניית שטח המשטח התלת-ממדי מתוארים ב-Dann et al.13.
- מדידות הפנים הממוצעת לכאורה
הערה: לחץ הפנים הממוצע לכאורה מחושב באמצעות נתוני הלחץ הפנימי שנאסף מתוך מתמר הלחץ.- השתמש בנתונים המוקלטת מתוך מתמר הלחץ (ΔP).
- עבור כל נקודת נתונים, השתמש בקשר היאנג-לפלס14 כדי לקבוע את המתח הפנימי הממוצע לכאורה (y),
כאשר r1 ו- r2 הם ה-droplet של עקמומיות ו-ΔP הוא השינוי בלחץ בתוך ה-droplet יחסית ל- t = 0.
הערה: בתקופה ההתחלתית שלאחר היווצרות droplet, שני הרדינים הם שווים בערך, ולכן r1 ו- r2 במשוואה לפלס צעיר ניתן להחליף עם רדיוס של שחרור מראש 2 μl שווה ל-R = 782 יקרומטר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
באמצעות מערכת ניסיונית זו ניתן לבחון את היווצרות מימה על ממשק מים שמן ולמדוד את המתח הפנימי הקשור לתהליך התגבשות. איור 6 מציג קבוצה ייצוגית של תוצאות הכוללות היווצרות גביש ומתח פנים. בצמיחה פגז מישורי (איור 6א), הגביש גדל משני הקטבים לכיוון המשווה. מסיבה זו, בגביש מישורי, הפגז מימה גדל ללא הרף. במים טהורים וריכוזי החומרים הנמוכים שיצרו מבנה מישורי של מעטפת, כפי שניתן לראות באיור 6א. השינוי בלחץ והמתח הפנימי הממוצע לכאורה לאורך זמן המוצג באיור 6ב' הראה ירידה הדרגתית במתח הפנים הממוצע לכאורה כאשר הצמיחה המאצות התקדמה למבנה המעטפת המישורי. כמו מימה גדל וכיסו את פני השטח, היה שטח פנוי פחות עבור מולקולות הסורפלסטנט, ומכאן אותו מספר מולקולות של סורפסטנט כבשו שטח שטח קטן יותר, שגרם לירידה במתח הפנים הממוצע לכאורה. מורפולוגיה של החרוט (איור 6ג) נצפתה בריכוזים גבוהים של חומרים. כאן גדלה הימה כגביש חרוט. כאשר הגביש החרוט הפך גדול מספיק, חלק של חרוט התקלקלה ממשטח droplet. דפוס גדילה זה קרה שוב ושוב באופן מנדנוד. הגביש התחיל לצמוח עד שהוא הגיע לגודל קריטי, ואז הוא נשבר והתהליך התחיל מחדש. מדידות הפנים הממוצעת למראית עין (איור 6d) הראו ירידה ראשונית במתח הפנים כאשר גביש החרוט החל לצמוח. בשלבים הראשוניים של תהליך הצמיחה הייתה ירידה של שטח השטח הזמין למולקולות הסורפסטנט. הגביש החרוט גדל ובשלב מסוים הגיע לגודלו הקריטי. גידול נוסף של הגביש הביא לניתוק מפני ה-droplet. הפרידה חרוט מפני השטח הביאו לעלייה פתאומית במשטח הפנוי של מולקולות הסורפסטנט ועליה במתח הפנים. הקריסטל התחיל לצמוח שוב, מה שגרם להתנהגות מועלת של המתח הפנימי הממוצע לכאורה. התנהגות מנדנוד זו ניתן לראות באיור 6d.
באמצעות מעקב אחר הצמיחה המיימה, אנו יכולים לקבל מידע על היכולת של הגולש לעכב את היווצרות מימה. שיעורי הצמיחה הקולקטיבית של כל הפתרונות הקיבוציים בנמוך (כלומר, 0.1 CMC), בינוני (כלומר, CMC), וגבוה (כלומר, 10 CMC) ריכוזי מוצגים באיור 7. מכיוון שסטיית התקן בין שלושת המדידות העצמאיות של כל ריכוז הסורסטנט הייתה < 5%, לא יוצגו קווי שגיאה. באופן כללי, פתרון החומרים הפעילי עכבות את הצמיחה המיימה בהשוואה למים טהורים. הארגון שהיה היעיל ביותר לעכב את היווצרות המיים היה פוליוקסאבריאורםהדרבהגדול בריכוז גבוה (כלומר, 10 CMC). הידרטים שנוצרו עם הגולש הזה היה שיעור הצמיחה כמעט 3x איטי יותר מאשר הידרטים נוצר עם הטוב ביותר הגולש הקרוב (כלומר, sorbitane monolaurate ב 10 CMC). מצאנו גם כי היווצרות הגביש היעיל ביותר במונחים של עיכוב מימה היה גביש חרוט. כמו כן גילינו שקריסטלים של חרוט הם היעילים ביותר לעיכוב מימה. כיוון שגביש חרוט לא יכול לצמוח מעבר לגודל מסוים, המיים מתעצם לאט יותר מגביש מישורי. מכאן, החומרים האלה הכוח המיים ליצור גבישים חרוטיים היו היעילים ביותר.
איור 1: הרכבת חומרה של ההתקן המשולב מודולרי משולב (IMPd). (a) התאספו מערכת בקרת טמפרטורה המציגה את ההסדר של a) אספקת החשמל, B) על הקירור, C) הטמפרטורה בדיקה, ו D) מיקרו-בקר. (ב) תיאור סכמטי של הרכיבים השונים של מערכת impd. (ג) חיווט סכימטי עם כל הרכיבים של לולאת השליטה והפיטים המוצגים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: תא חזותי מימה. (א) תיאור סכמטי של תא ההדמיה המימה. (ב) הרכבה של חומרה וציוד: A) אספקת חשמל, b) משאבה, C) מזרק, D) גוף קירור, E) הדמיית פליז תא, F) עדשת המצלמה, G) מתמר, H) מיקרו-בקר, אני) תאורה. (ג) תא הדמיית פליז עם כיסוי וחומר לייבוש סיליקה. (ד) מסלול אינסטלציה ממשאבת המזרק ועד לקרס מתמר ופליז באמצעות צינורות ומדידות T. הודפסה מודפס (מותאם) באישור Dann et al.13. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: התגררות באמצעות זרע מימה. (א) הזרע מימה נבחר מהחלק התחתון של התא הדמיה מימה באמצעות קצה של מחט. (ב) הזרע מימה מובא במגע עם droplet המים כדי ליזום את תהליך התגבשות מימה. הודפסה מודפס (מותאם) באישור Dann et al.13. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: שחרור ספירת התקנה ניסיונית עבור מדידות מתח פני השטח. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: האזור המים לדוגמה לניתוח שטח פני השטח. (א) התמונה הגולמית של החומר הגולמי על הטיפה. (ב) מתאר השחרור מסומן באדום, אזור המיים מסומן בשחור. גודל האורך נקבע ממדידת הקוטר הידוע של צינור הפליז בתחתית התמונה. הודפסה מודפס (מותאם) באישור Dann et al.13. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: הזמן הכשלים והממוצע לכאורה מדידות הפנים לסוגי גבישים שונים. (א) זמן הכשלים בצמיחה מישורי לריכוז נמוך של חומרים מקצועיים. (ב) הבדל הלחץ בתוך הירידה שנקראה על ידי מתמר הלחץ. ערכי לחץ הפנים הממוצעים לכאורה הוערכו באמצעות משוואת יאנג-לפלס כמתואר Dann et al.13. (ג) מעידה בזמן של צמיחה מימה של חרוט לריכוז רב-חומרים. (ד) השינוי בלחץ בתוך ה-droplet יחסית ל- t = 0 והערכים המקבילים הממוצעים לכאורה של הפנים כפונקציה של זמן במהלך הגידול המתכלה של החצי החרוט. הודפסה מודפס (מותאם) באישור Dann et al.13. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: שיעור הצמיחה המיימי עבור כל הפתרונות הרב ביותר ברמה נמוכה (0.1 CMC), בינוני (CMC) ובריכוזים גבוהים (10 CMC). הודפסה מודפס (מותאם) באישור Dann et al.13. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
במאמר זה אנו מתארים טכניקה ניסיונית לחקר התגבשות מימה בממשק מים הנפט בנוכחות של מפעילי nonionic. המנגנון מורכב מערכת בקרת טמפרטורה תא חזותי הכולל תא פליז עם חלונות, מצלמת CMOS, ומתמר הלחץ. מערכת בקרת הטמפרטורה מורכבת של מיקרובקר, צלחת פלאטייר רב עוצמה, 120 מ"מ מיקרו ממדי מעבד כמו גוף הקירור, ו חיישן טמפרטורה דיגיטלית עמיד למים. תא פליז חזותי מימה תוכנן עם מצלמה קבועה בחלון וחיישן הלחץ מסוגל למדוד את הלחץ בתוך טיפה. החומרים שנבדקו עם המנגנון היו sorbitane monolaurate, הsorbitane monolaurate, יתד-PPG-יתד, ו polyoxyethylena tristearate, אשר משמשים בדרך כלל בתעשיית הנפט. המנגנון מאפשר את המדידה של שיעור הצמיחה של גבישים מימה, כמו גם הלחץ הפנימי שינויים בתוך הטיפות כפי שהם עוברים התגבשות מימה. משינויי הלחץ ניתן לחלץ את המתח הפנימי הממוצע לכאורה, אשר יכול להצביע על צורת הגביש המאצות.
שיטה זו משלבת טכניקות ויזואליזציה ומדידות לחץ פנימי, כדי לייצר מתח ממוצע בין הפנים לעין. התוצאה היא שילוב של צורת הגביש המעוין עם תבנית הצפיפות של הגולש בממשק.
הצעדים הקריטיים בפרוטוקול הם: (1) לשים את העטיפה על התא לאחר מילוי עם ציקלופנטאן (25 mL), (2) החדרת droplet מים לתחתית התא באמצעות מזרק לשמש זרע מימה, (3) הנמכת טמפרטורת התא ל-5 ° c ומוודאים שהזרעים המייבשים את הקרח (4) מגדילים את הטמפרטורה ל-2 ° צ' בהפרשים של 0.5 ° c, (5) ממלאים את הצנרת בתמיסה של מים/חומרים ומורידים את הקרס לתוך הציקלופטן כדי לספק 5 דקות כשהטמפרטורה בתא מגיע 2 ° צ', (6) הפעלת הקלטות מתמר המצלמה והלחץ, (7) הפקת את המים/מבחנה droplet מן הצינור פליז באמצעות משאבת המזרק, ו (8) גירוד כמות קטנה של מימה שנוצר בעבר בתחתית התא ולהביא אותו במגע קצר עם ה-droplet, אשר יוזם את תהליך היווצרות
את המנגנון ואת הטכניקות הנסיוניות ניתן להשתמש כדי ללמוד היווצרות של גבישים בממשקים נוזליים ואת ההשפעה של החומרים המשמשים על סוגי גבישים ועיכוב של תהליך התגבשות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
המחברים מודים לאגודה האמריקנית לכימיה-קרן מחקר נפט (ACS-PFR), מספר גרנט: PRF 57216-UNI9, לתמיכה כספית.
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 |
References
- Graham, B., et al. Deep water: The Gulf Oil disaster and the future of offshore drilling. Report to the President. , (2011).
- Hammerschmidt, E. Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines. Industrial & Engineering Chemistry. 26, 851-855 (1934).
- Sloan, E. D. A changing hydrate paradigm-from apprehension to avoidance to risk management. Fluid Phase Equilibria. 228-229, 67-74 (2005).
- Xiaokai, L., Latifa, N., Abbas, F. Anti-agglomeration in cyclopentane hydrates from bio- and co-surfactants. Energy & Fuels. 24, 4937-4943 (2010).
- Sloan, E. D. Fundamental principles and applications of natural gas hydrates. Nature. 426, 353-363 (2003).
- Sloan, E. D., Koh, C. Clathrate Hydrates of Natural Gases. , CRC Press. Boca Raton, FL. (2007).
- Lee, J. D., Englezos, P. Unusual kinetic inhibitor effects on gas hydrate formation. Chemical Engineering Science. 61, 1368-1376 (2006).
- Daimaru, T., Yamasaki, A., Yanagisawa, Y. Effect of surfactant carbon chain length on hydrate formation kinetics. Journal of Petroleum Science and Engineering. 56, 89-96 (2007).
- Karanjkar, P. U., Lee, J. W., Morris, J. F. Surfactant effects on hydrate crystallization at the water-oil interface: hollow-conical crystals. Crystal Growth & Design. 12, 3817-3824 (2012).
- Leopercio, B. C., de Souza Mendes, P. R., Fuller, G. G. Growth kinetics and mechanics of hydrate films by interfacial rheology. Langmuir. 32, 4203-4209 (2016).
- Karanjkar, P. U., Lee, J. W., Morris, J. F. Calorimetric investigation of cyclopentane hydrate formation in an emulsion. Chemical Engineering Science. 68, 481-491 (2012).
- Mori, Y. H. Harkins-brown correction factor for drop formation. AIChE Journal. 36, 1272-1274 (1990).
- Dann, K., Rosenfeld, L. Surfactant effect on hydrate crystallization at oil-water interface. Langmuir. 34 (21), 6085-6094 (2018).
- Ibach, H. Physics of Surfaces and Interfaces. , Springer Science & Business Media. Berlin, Germany. (2006).
