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Chemistry

Studiare gli effetti dei surfactant sulla cristallizzazione idratata nelle interfacce olio-acqua utilizzando un dispositivo Modular EStier integrato a basso costo

doi: 10.3791/60391 Published: March 18, 2020

Summary

Vi presentiamo un protocollo per studiare la formazione di idrati in presenza di surfactants nonionici sull'interfaccia di una gocciolina d'acqua sommersa in cicline. Il protocollo consiste nel costruire un regolatore di temperatura a basso costo, programmabile. Il sistema di controllo della temperatura è combinato con tecniche di visualizzazione e misurazioni della pressione interna.

Abstract

Introduciamo un approccio per studiare la formazione e la crescita degli idrati sotto l'influenza di surfactants nonionici. Il sistema sperimentale include un regolatore di temperatura, tecniche di visualizzazione e misurazioni della pressione interna. Il sistema di controllo della temperatura contiene un regolatore di temperatura programmabile a basso costo realizzato con componenti Peltier allo stato solido. Insieme al sistema di controllo della temperatura, abbiamo incorporato tecniche di visualizzazione e misurazioni della pressione interna per studiare la formazione e l'inibizione dell'idrato in presenza di surfactants nonionici. Abbiamo studiato la capacità di idrare i surfactanti nonionici (monolaurate sorbitane, monooleate sorbitane, PEG-PPG-PEG e poliooxyethylenesorbitan tristearate) a basse (cioè 0,1 CMC), medie (cioè CMC) e alte (cioè 10 CMC). Si formarono due tipi di cristalli: planare e conico. I cristalli planari si sono formati in acqua piana e basse concentrazioni surfactant. Cristalli conici si sono formati in alte concentrazioni di surfactant. I risultati dello studio mostrano che i cristalli conici sono i più efficaci in termini di inibizione idratata. Poiché i cristalli conici non possono crescere oltre una certa dimensione, il tasso di crescita idrata come cristallo conico è più lento del tasso di crescita dell'idrato come cristallo planare. Quindi, i surfactants che costringono gli idrati a formare cristalli conici sono i più efficienti. L'obiettivo del protocollo è quello di fornire una descrizione dettagliata di un sistema sperimentale in grado di studiare il processo di cristallizzazione idratata di cicloliani sulla superficie di una goccia d'acqua in presenza di molecole di surfactant.

Introduction

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L'incentivo a comprendere il meccanismo di cristallizzazione e inibizione idratate deriva dal fatto che gli idrati si verificano naturalmente nelle tubazioni dell'olio e possono causare difficoltà nella garanzia del flusso. Ad esempio, la fuoriuscita di petrolio1 del Golfo del Messico del 2010 è stata il risultato dell'accumulo di idrati in un sistema di tubazioni petrolifere sottomarine, causando contaminazione all'ambiente. Pertanto, comprendere la formazione e l'inibizione dell'idrato è fondamentale per prevenire futuri disastri ambientali. Gran parte della forza motrice per lo studio della cristallizzazione idratata negli ultimi anni è lo sforzo dell'industria petrolifera per prevenire l'agglomerazione della spina idratata e il conseguente blocco del flusso. Il primo studio per determinare che gli idrati erano responsabili delle linee di flusso collegate è stato fatto da Hammerschmidt nel 19342. Fino ad oggi, i produttori di olio trovano molto importante capire e inibire la formazione idratata per la garanzia del flusso3.

Un modo per prevenire la formazione di idrati è quello di isolare le condutture di acque profonde in modo che il ghiaccio non si formi. Tuttavia, è costoso isolare adeguatamente le condutture e i costi aggiuntivi possono essere nell'ordine di 1 milione di dollari/km3. Gli inibitori termodinamici, come il metanolo, possono essere iniettati nelle teste di pozzo per prevenire la formazione di idrati. Tuttavia, sono necessari grandi rapporti volumetrici di acqua all'alcool, grande come 1:1, al fine di prevenire adeguatamente la formazione di idrati4. Recentemente, il costo globale per l'uso del metanolo per la prevenzione dell'idrato è stato segnalato come 220 milioni di dollari all'anno. Questa non è una quantità sostenibile di consumo di alcol5. Inoltre, l'uso del metanolo è problematico perché è pericoloso per l'ambiente e non può essere utilizzato per il trasporto su larga scala5. In alternativa, gli inibitori cinetici, come i surfactants, possono sopprimere la crescita idratata a piccole quantità e temperature fino a 20 .6 Quindi, presenza surfactant può ridurre la grande quantità di alcoli necessari per la prevenzione dell'idrato.

I surfactants sono considerati buoni inibitori per la cristallizzazione idratata a causa di due motivi principali:

1) Possono inibire la formazione di idrati attraverso cambiamenti di proprietà superficiale; e 2) Inizialmente aiutano la formazione di cellule idratanti, ma impediscono ulteriore crescita e agglomerazione del cristallo lungo il gasdotto7. Anche se i surfactanti hanno dimostrato di essere efficienti inibitori, c'è ancora una grande quantità di informazioni mancanti per quanto riguarda il processo di cristallizzazione in presenza di surfactants. Mentre alcuni studi hanno dimostrato che l'uso di surfactants può estendere il tempo iniziale di cristallizzazione idratata a determinati sottoraffreddament, altri studi hanno trovato eccezioni a basse concentrazioni di surfactant. A basse concentrazioni surfactant, le goccioline d'acqua tendono a fondersi e accelerare il processo di formazioneidratita 8. Il processo di inibizione è stato spiegato da molecole surfactant che interrompono la crescita dell'idrato planare, costringendo l'idrato alla formazione di cristalli conici cava. I cristalli conici formano una barriera meccanica per la crescita dei cristalli9, e quindi inibiscono la crescita.

In questo studio abbiamo progettato e implementato un dispositivo Peltier modulare integrato a basso costo (IMPd) insieme a una cella di visualizzazione idratata e li abbiamo utilizzati per studiare la formazione di idrati cicliani in presenza di surfactants nonionici. La ragione per l'utilizzo di cicliani invece di gas a basso peso molecolare (ad esempio, CH4 e CO2) che di solito formano idrati nei serbatoi di acque profonde, è che questi gas richiedono pressioni più elevate e temperature più basse per formare idrati stabili. Poiché la forma di ciclolane si idrata a pressione ambiente e temperature fino a 7,5 gradi centigradi, viene spesso utilizzata come materiale modello per la formazione idratata10.

Il dispositivo ModularE Peltier (IMPd) integrato è costituito da un microcontrollore open source, piastra Peltier, dispositivo di raffreddamento CPU (dissipatore di calore) e sensore di temperatura digitale impermeabile. Il dispositivo è in grado di fornire un differenziale di temperatura massima di 68 gradi centigradi. La risoluzione minima della temperatura è di 1/16 gradi centigradi. L'intero sistema, compresi i circuiti elettrici e l'hardware, può essere costruito per meno di 200 dollari. Il sensore di temperatura segnala al microcontrollore, che invia segnali di uscita al transistor. Il transistor passa quindi corrente dalla fonte di alimentazione DC attraverso l'elemento Peltier. Il dissipatore di calore aiuta a raffreddare l'elemento Peltier convegando il calore proveniente dal lato caldo del Peltier all'aria ambiente. I componenti hardware assemblati del sistema IMPd sono illustrati nella Figura 1a,b. Figura 1c Mostra lo schema di cablaggio con tutti i componenti del ciclo di controllo (regolatore proporzionale-integral-derivato [PID]) e i pin-out. La corrente di uscita del microcontrollore è stata limitata con il gate resistor R1 ad una corrente massima di 23 mA (I - 5 V/220 W). Il resistore pull-down R2 in Figura 1c consente alla carica del cancello di dissiparsi e di spegnere il sistema. Per ottimizzare il controller PID, vengono utilizzati i metodi basati su .iegler-Nichols combinati con un processo iterativo11. Il software dell'ambiente di sviluppo integrato (IDE) microcontroller viene utilizzato per monitorare e inviare comandi al microcontrollore per la regolazione della temperatura.

Insieme all'IMPd, abbiamo applicato un nuovo approccio utilizzando tecniche di visualizzazione e misurazioni della pressione interne. La cella di visualizzazione idratata, che si trova sopra l'IMPd, è costituita da una cella in ottone dotata di due finestre di osservazione a doppio pannello. Le finestre consentono la registrazione video del processo di formazione idratata sulla goccia d'acqua in ciclite. La telecamera complementare a semiconduttori di ossido di metallo (CMOS) è posizionata all'esterno della finestra e il trasduttore di pressione è collegato alla linea di iniezione dell'acqua per ottenere le misurazioni della pressione interna della caduta. Un'applicazione trasduttore digitale viene utilizzata per ottenere le letture dal trasduttore di pressione. Un visualizzatore di fotocamere viene utilizzato per acquisire i video e le immagini dalla fotocamera CMOS. Il software controlla l'esposizione e la frequenza degli snapshot. I programmi software di elaborazione delle immagini vengono utilizzati per tenere traccia della crescita dell'idrato. Figura 2a Mostra una descrizione schematica della cella di visualizzazione idrata e Figura 2b Mostra una panoramica dell'intero sistema sperimentale. L'idrato dei semi (Figura 2a) è necessario per la nucleazione e il monitoraggio coerenti del tasso di crescita idrata. L'idrato del seme è un piccolo volume (ad esempio, 50-100 - L) di acqua pura depositata sul pavimento della cella idrata. Quando la temperatura diminuisce, la goccia forma ghiaccio, che poi si trasforma in idratazione all'aumentare della temperatura. Il piccolo pezzo del seme idrata contatta quindi la goccia d'acqua. Questo processo controlla l'avvio dell'idrato nella goccia d'acqua sommersa. Desiccant silice è inserito nello spazio tra i due vetrini di vetro (Figura 2c), che servono come finestre di visualizzazione. Il desiccante di silice aiuta a ridurre la quantità di glassa e fogging sulle finestre. L'anti-nebbia viene applicata anche alla finestra esterna per ridurre l'appannamento. Le immagini vengono acquisite con una fotocamera CMOS e un obiettivo da 28-90 mm. Per l'illuminazione viene utilizzata una lampada a collo d'oca in fibra ottica da 150 W. Un coperchio acrilico è posto sopra la cella di ottone al fine di limitare l'evaporazione del ciclopene. L'impianto idraulico consiste in una combinazione di tubi flessibili in politetrafluoroetilene (PTFE) e tubi rigidi in ottone. Una pompa a siringa con una siringa di vetro da 1 mL e un ago da 19 G controllano il flusso di acqua e soluzione surfactant. Un trasduttore di pressione monitora i cambiamenti di pressione all'interno della goccia di soluzione ipotezia dell'acqua. 19 G PTFE tubi collega la siringa al t-fitting e 1/16 in. (1.588 mm) tubo in ottone collega il trasduttore e gancio in ottone al t-fitting (Figura 2d). Un gancio in ottone, di circa 5 cm di lunghezza con una curva di 180 gradi, genera la goccia di soluzione acqua/surfactant. La piega assicura che la goccia generata dalla siringa si sieda sulla parte superiore del tubo durante l'esperimento. Un T-fitting in acciaio inossidabile da 1/16 in combinazione con le ferrulese di frantumazione PTFE e il nastro adesivo PTFE sigillano i raccordi.

Utilizzando questo apparato, abbiamo esaminato quattro diversi surfactants nonionici con diversi saldi idrofili-lipofilici (HLB) comunemente utilizzati nell'industria petrolifera: sorbitane monolaurate, mooleate sorbitane, PEG-PPG-PEG e poloxyethylenesorbitan tristearate.

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Protocol

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1. Formazione idratata sulle goccioline d'acqua in ciclolla

NOTA: La procedura sperimentale descritta di seguito è per lo studio della formazione di idrati su una goccia d'acqua in cicline utilizzando la cella di visualizzazione IMPd e idratata descritta nell'introduzione.

  1. Fissare un ago da 19 G alla siringa di vetro da 1 mL (Figura 2b, C).
  2. Sciacquare la siringa di vetro da 1 mL e l'ago da 19 G 3x con acqua DI.
  3. Riempire la siringa con acqua DI.
  4. Riempire la cella di visualizzazione idratata (Figura 2b, E) con 25 mL di cicloopentane.
  5. Utilizzando la siringa, inserire una goccia d'acqua DI (cioè 50-100 L) nella parte inferiore della cella di visualizzazione idratata. Questa goccia d'acqua è l'idrato del seme.
    NOTA: la goccia deve essere posizionata nella parte inferiore della cella di visualizzazione idratata. Lo scopo dell'idrato del seme è quello di avviare la formazione dell'idrato e di formare una nucleazione e un monitoraggio coerenti del tasso di crescita.
  6. Posizionare il sensore di temperatura all'interno della cella di visualizzazione idratata, vicino alla parte inferiore della cella.
  7. Posizionare il coperchio acrilico sulla cella di visualizzazione idratata per evitare l'evaporazione del cicloopene. Utilizzare viti per mantenere il coperchio in posizione.
  8. Regolare le luci e la fotocamera per mettere a fuoco. Regolare la messa a fuoco sull'idrato del seme.
  9. Impostare la temperatura della piastra Peltier su -5 gradi centigradi nel dispositivo di controllo della temperatura.
  10. Controllare i valori di temperatura letti dal sensore di temperatura.
  11. Una volta che la temperatura raggiunge i -5 gradi centigradi, assicurarsi che la goccia sul fondo (idrato del seme) si trasformi in ghiaccio.
  12. Impostare la temperatura della piastra Peltier su 2 gradi centigradi con incrementi di 0,5 gradi centigradi.
  13. Quando la temperatura raggiunge i 2 gradi centigradi, riempire l'impianto idraulico con acqua usando la siringa e abbassare il gancio di ottone nel ciclolfano per eclacleante per 5 min.
    NOTA: Questa temperatura assicura che il ghiaccio solido venga convertito in idrato, perché il sistema si trova al di sopra del punto di fusione del ghiaccio, ma al di sotto di quello del cicloopene idrata11.
  14. Avviare la registrazione con la fotocamera.
  15. Premere il pulsante Avvia misurazione sul software del trasduttore a pressione per avviare le registrazioni digitali del trasduttore.
  16. Collegare la siringa alla pompa della siringa.
  17. Impostare la pompa della siringa per iniettare un volume di 2 o l e attivare. La siringa immergerà l'acqua nel bagno ciclolfano per formare la goccia sommersa.
  18. Utilizzare una punta dell'ago per rimuovere un piccolo pezzo dell'idrato del seme.
  19. Portare la punta dell'ago con il pezzo di idrato del seme (Figura 3a) a breve contatto con lagocciad'acqua ( Figura 3b) per avviare la formazione dell'idrato sulla goccia d'acqua.
  20. Premere Registra sul software di acquisizione della fotocamera. Registrare le immagini del processo di cristallizzazione dell'emisfero gocciolamento dalla fotocamera a 1 Hz.

2. Formazione idratata sulle goccioline surfactant in ciclolopentane

NOTA: Gli esperimenti di cristallizzazione idratata con soluzioni surfactant vengono eseguiti allo stesso modo dell'acqua pura. Tuttavia, quando si utilizza una soluzione surfactant per studiare l'effetto surfactant sulla cristallizzazione idratata, è necessario trovare la concentrazione critica di micelle (CMC) di ciascun surfactant. La CMC può essere trovata nella letteratura9 o utilizzando il metodo descritto di seguito.

  1. Preparare 50 mL di soluzioni standard di monolaurate sorbitane, PEG-PPG-PEG e perfeto poliooxyethylenesorbitan sciogliendo una massa misurata di ciascun surfactant in acqua deionizzata per preparare una serie di 12 soluzioni di ogni surfactant, ognuna delle quali rappresenta una concentrazione diversa che va da 10-4 g/100 mL-1 g/100 mL.
  2. Preparare soluzioni di monooleato sorbitano in ciclolteleano a diverse concentrazioni.
    NOTA: Cyclopentane viene utilizzato a causa dell'alto livello di idrofobicità e bassa solubilità di monooleate sorbitano nell'acqua. Le stesse concentrazioni sono utilizzate anche per il monooleato sorbitano.
  3. Misurare la tensione superficiale di ogni soluzione surfactant utilizzando il metodo della stalagmometry.
    1. Posizionare la pompa della siringa e la siringa verticalmente come mostrato nella Figura 4 per contare le cadute.
    2. Programmare la pompa per espellere 1 mL di soluzione ad una velocità di 0,5 mL/min e rilasciare le gocce in aria.
    3. Ottenere il volume di caduta (V) come media dividendo 1 mL per il numero di gocce osservate.
    4. Testare ogni soluzione almeno 3x.
    5. Calcolare la tensione interfacciale utilizzando
      Equation 1
      dove g è l'accelerazione dovuta alla gravità,- p è il cambiamento di densità all'interfaccia (cioè, la differenza di densità tra la soluzione surfactant e l'aria), V è il volume delle goccioline, F è una correzione empirica data da12
      Equation 2
      NOTA: In alternativa, la tensione superficiale di alcune soluzioni surfactant può essere trovata nella letteratura9.
    6. Tracciare la tensione superficiale in funzione della concentrazione. La tensione superficiale diminuirà con l'aumentare della concentrazione surfactant fino a quando non si appiattisce e diventa costante.
    7. Trovare la CMC per ogni surfactant (cioè la concentrazione in cui la tensione superficiale si appiattisce) e utilizzarla negli esperimenti.
      NOTA: L'aumento della concentrazione surfactant non cambierà la tensione superficiale.
  4. Ripetere la procedura sperimentale nella sezione 1, ma invece di utilizzare la soluzione surfactant di utilizzo dell'acqua a varie concentrazioni rispetto alla CMC (ad esempio, 0,1x CMC, 1x CMC e 10x CMC).

3. Elaborazione delle immagini e misurazioni dello stress interfacciale

NOTA: il monitoraggio della crescita dell'idrato conico e planare viene eseguito con metodi di analisi visiva. I programmi software utilizzati sono descritti nella Tabella dei Materiali. Un esempio di rilevamento del contorno e colorazione è disponibile nella Figura 5. Poiché la fotocamera acquisisce solo la proiezione 2D della goccia sferica, è necessario creare una ricostruzione 3D.

  1. Monitoraggio della crescita dell'idrato
    1. Aprire la prima immagine della sequenza di immagini utilizzando il software di elaborazione delle immagini.
    2. Utilizzare lo strumento Lunghezza nel software per misurare la lunghezza del tubo di ottone nell'immagine.
    3. Impostare la scala del tubo di ottone nell'immagine in base al diametro noto di 1/16 in. (1.588 mm).
    4. Selezionare 10 istantanee con spaziatura uguale da ogni sequenza. Le istantanee devono acquisire l'intero processo, dal punto di nucleazione alla conversione completa delle goccioline.
    5. Ripetere l'impostazione di scala (passaggi 3.1.1-3.1.3) per le 10 istantanee scelte.
    6. Utilizzare il software per rilevare manualmente il contorno della goccia in ogni fotogramma. Contrassegnare il contorno in rosso (Figura 5b).
    7. Utilizzare il software per rilevare manualmente il contorno dell'idrato in ogni fotogramma. Colorare l'intera area dell'intera area dell'idrato in nero (Figura 5b).
    8. Utilizzare un software di modellazione matematica per formare una ricostruzione 3D della goccia come correzione alla superficie.
      NOTA: I dettagli completi sulla costruzione della superficie 3D sono descritti in Dann etal.
  2. Misurazioni medie dello stress interfacciale apparenti
    NOTA: lo stress interfacciale medio apparente viene calcolato utilizzando i dati di pressione interna raccolti dal trasduttore di pressione.
    1. Utilizzare i dati registrati dal trasduttore di pressione (ZP).
    2. Per ogni punto dati, utilizzare la relazione Young-Laplace14 per determinare l'apparente stress interfacciale medio (y),
      Equation 3
      dove R1 e R2 sono i raggi di gocciolaio di curvatura eP è il cambiamento di pressione all'interno della gocciolatura relativa a t - 0.
      NOTA: Nel periodo iniziale successivo alla formazione delle goccioline, i due raggi sono approssimativamente uguali, quindi R1 e R2 nell'equazione Young-Laplace possono essere sostituiti con il raggio del predeterminato 2 -L goccia uguale a R . µm

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Representative Results

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Utilizzando questo sistema sperimentale si può esaminare la formazione idrata all'interfaccia olio-acqua e misurare lo stress interfacciale associato al processo di cristallizzazione. La figura 6 mostra una serie rappresentativa di risultati che includono sia la formazione di cristalli che lo stress interfacciale. Nella crescita del guscio planare (Figura 6a), il cristallo è cresciuto dai due poli verso l'equatore. Per questo motivo, nel cristallo planare, il guscio idratato cresceva costantemente. In acqua pura e basse concentrazioni surfactant l'idrato ha formato una morfologia del guscio planare, come si può vedere nella Figura 6a. Il cambiamento di pressione e l'apparente stress interfacciale medio nel tempo mostrato nella Figura 6b hanno mostrato una graduale diminuzione dello stress interfacciale medio apparente man mano che la crescita idratata progrediva per la morfologia del guscio planare. Man mano che l'idrato cresceva e copriva la superficie, c'era meno spazio disponibile per le molecole surfactant, da qui lo stesso numero di molecole surfactant occupava una superficie più piccola, il che ha provocato una diminuzione dello stress interfacciale medio. La morfologia conica (Figura 6c) è stata osservata in alte concentrazioni di surfactant. Qui l'idrato crebbe come un cristallo conico. Quando il cristallo conico è diventato abbastanza grande, una parte del cono si è liberata dalla superficie delle goccioline. Questo modello di crescita è accaduto più e più volte in modo oscillatorio. Il cristallo ha iniziato a crescere fino a raggiungere una dimensione critica, poi si è rotto e il processo è ricominciato tutto da capo. Le misurazioni dello stress interfacciale medio apparente (Figura 6d) hanno mostrato una diminuzione iniziale dello stress interfacciale quando il cristallo conico ha iniziato a crescere. Nelle fasi iniziali del processo di crescita si è accresciuta la superficie disponibile per le molecole surfactant. Il cristallo conico crebbe e ad un certo punto raggiunse le sue dimensioni critiche. Un'ulteriore crescita del cristallo ha portato al distacco dalla superficie della gocciolamento. La rottura del cono dalla superficie ha provocato un improvviso aumento della superficie disponibile per le molecole surfactant e un aumento dello stress interfacciale. Un cristallo ha poi iniziato a crescere di nuovo, che ha provocato un comportamento oscillatorio dell'apparente stress interfacciale medio. Questo comportamento oscillatorio può essere visto in Figura 6d.

Monitorando la crescita idrata, possiamo ottenere informazioni sulla capacità del surfactant di inibire la formazione di idrati. I tassi di crescita collettiva di tutte le soluzioni surfactant a basse (cioè 0,1 CMC), i media (cioè cMC) e le concentrazioni elevate (cioè cMC) sono presentati nella Figura 7. Poiché la deviazione standard tra le tre misurazioni indipendenti di ogni concentrazione surfactant era <5%, le barre di errore non vengono presentate. In generale, la soluzione surfactant ha inibito la crescita idratata rispetto all'acqua pura. Il surfactant più efficace nell'inibire la formazione di idrati era il tristearate poliooxyethyleneorbitan ad alta concentrazione (cioè 10 CMC). Gli idrati formati con questo surfactant avevano un tasso di crescita quasi 3 volte più lento rispetto agli idrati formati si sono formati con il successivo miglior surfactant (cioè la monolauratrice sorbitana a 10 CMC). Abbiamo anche scoperto che la formazione di cristalli più efficiente in termini di inibizione dell'idrato era il cristallo conico. Abbiamo anche scoperto che i cristalli conici erano i più efficaci per l'inibizione dell'idrata. Poiché un cristallo conico non può crescere oltre una certa dimensione, l'idrato cresce più lentamente di un cristallo planare. Quindi, i surfactants che costringono l'idrato a formare cristalli conici erano i più efficienti.

Figure 1
Figura 1: assemblaggio hardware del dispositivo Peltier modulare integrato (IMPd). (a) Sistema di controllo della temperatura assemblato che mostra la disposizione di A) l'alimentazione, B) Peltier su dissipatore di calore, C) sonda di temperatura, e D) microcontrollore. (b) Descrizione schematica dei diversi componenti del sistema IMPd. (c) Schema di cablaggio con tutti i componenti del circuito di controllo e dei pinout mostrati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: cella di visualizzazione Idrata. (a) Descrizione schematica della cella di visualizzazione idratata. (b) Montaggio hardware e disposizione attrezzature: A) alimentazione, B) pompa, C) siringa, D) heatsinke, E) cella di visualizzazione ottone, F) lente della fotocamera, G) trasduttore, H) microcontrollore, I) illuminazione. (c) Cella di visualizzazione ottone con copertura e silice desiccant. (d) Percorso idraulico dalla pompa di siringa al trasduttore e gancio in ottone tramite tubi PTFE e T-fitting. Ristampato (adattato) con il permesso di Dann etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: Nucleazione per seme idrato. (a) L'idrato del seme è stato prelevato dal fondo della cella di visualizzazione idrata utilizzando la punta di un ago. (b) L'idrato del seme viene portato a contatto con la goccia d'acqua per avviare il processo di cristallizzazione idratata. Ristampato (adattato) con il permesso di Dann etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: Impostazione sperimentale del conteggio delle gocce per le misurazioni della tensione superficiale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Esempio di area idratata per l'analisi della superficie. (a) Immagine grezza dell'idrato sulla goccia. (b) Il contorno di goccia è contrassegnato in rosso, l'area idratata è contrassegnata in nero. La scala di lunghezza è determinata dalla misura del diametro noto del tubo di ottone nella parte inferiore dell'immagine. Ristampato (adattato) con il permesso di Dann etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 6
Figura 6: Intervalli di tempo e misurazioni di stress interfacciale medio apparenti per i diversi tipi di cristallo. (a) Intervalli di tempo della crescita planare per una bassa concentrazione surfactant. (b) Differenza di pressione all'interno della goccia letta dal trasduttore di pressione. I valori medi di stress interfacciale apparenti sono stati valutati utilizzando l'equazione Young-Laplace come descritto in Dann etal. (c) Intervallo di tempo di crescita idrata conica per alta concentrazione ipotescente. (d) Il cambiamento di pressione all'interno della gocciolaio relativa a t - 0 e i corrispondenti valori medi di sollecitazione interfacciale apparente in funzione del tempo durante il processo di crescita idrata dell'idrato. Ristampato (adattato) con il permesso di Dann etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 7
Figura 7: Tasso di crescita idrato per tutte le soluzioni surfactant a basse concentrazioni (0,1 CMC), medio (CMC) e alto (10 CMC). Ristampato (adattato) con il permesso di Dann etal. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

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In questo articolo viene descritta una tecnica sperimentale per studiare la cristallizzazione idratata nell'interfaccia olio-acqua in presenza di salubri non ionici. L'apparecchio è composto da un sistema di controllo della temperatura e da una cella di visualizzazione che comprende una camera in ottone con finestre, telecamera CMOS e trasduttore di pressione. Il sistema di controllo della temperatura è costituito da un microcontrollore, potente piastra Peltier, 120 mm dispositivo di raffreddamento CPU come il dissipatore di calore, e un sensore di temperatura digitale impermeabile. Una cella in ottone di visualizzazione idratata è stata progettata con una telecamera fissata a una finestra e un sensore di pressione in grado di misurare la pressione all'interno di una caduta. I surfactants che sono stati testati con l'apparato erano monolauratterite sorbitane, monooleate sorbitane, PEG-PPG-PEG e rioacquasta potralleorbitana, che sono comunemente utilizzate nell'industria petrolifera. L'apparato consente la misurazione del tasso di crescita dei cristalli idrati e dei cambiamenti di pressione interna all'interno delle gocce man mano che subiscono la cristallizzazione idratata. Dai cambiamenti di pressione si può estrarre l'apparente stress interfacciale medio, che può indicare la forma del cristallo idratato.

Questo metodo combina tecniche di visualizzazione e misurazioni della pressione interna per produrre uno stress interfacciale medio apparente. Ciò si traduce nella combinazione della forma del cristallo idratato con il modello di affollamento del surfactant all'interfaccia.

I passaggi critici del protocollo sono: (1) mettere il coperchio sulla cella dopo il riempimento con cyclopentane (25 mL), (2) l'inserimento di una goccia d'acqua sul fondo della cella utilizzando una siringa per servire come idrato di semi, (3) abbassando la temperatura della cellula a -5 gradi centigradi e facendo in modo che l'idratazione del seme si trasformi in ghiaccio, (4) aumentando la temperatura a 2 gradi centigradi in incrementi di 0,5 gradi centigradi, (5) riempiendo l'impianto idraulico con acqua / soluzione di rivestimento e abbassando il gancio di ottone nel ciclolopentane equilibrata per 5 min quando la temperatura nella cella raggiunge i 2 oC, (6) avviando le registrazioni dei trasduttori della fotocamera e della pressione, (7) generando l'acqua/gocciolamento di ottone utilizzando la pompa della siringa, e (8) raschiando una piccola quantità dell'idrato formato in precedenza sul fondo della cellula e portandolo in breve contatto con la goccia, che avvia il processo di formazione idratita.

L'apparato e le tecniche sperimentali presentate possono essere utilizzati per studiare la formazione di cristalli alle interfacce liquide e l'effetto dei surfactants sui tipi di cristalli e l'inibizione del processo di cristallizzazione.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Gli autori ringraziano l'American Chemical Society - Petroleum Research Fund (ACS - PFR), numero di sovvenzione: PRF - 57216-UNI9, per il sostegno finanziario.

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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Studiare gli effetti dei surfactant sulla cristallizzazione idratata nelle interfacce olio-acqua utilizzando un dispositivo Modular EStier integrato a basso costo
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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).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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