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Chemistry

저비용 통합 모듈형 펠티에 장치를 사용하여 오일-워터 인터페이스에서 수화물 결정화에 대한 계면활성제 효과 연구

doi: 10.3791/60391 Published: March 18, 2020

Summary

우리는 사이클로펜탄에 잠긴 물방울의 계면에 대한 요온 계면 활성제의 존재에서 수화물의 형성을 연구하는 프로토콜을 제시한다. 이 프로토콜은 저비용, 프로그래밍 가능한 온도 조절기 구축으로 구성됩니다. 온도 제어 시스템은 시각화 기술 및 내부 압력 측정과 결합됩니다.

Abstract

우리는 난오 계면 활성제의 영향으로 수화물의 형성과 성장을 연구하는 접근 법을 소개합니다. 실험 시스템에는 온도 조절기, 시각화 기술 및 내부 압력 측정이 포함됩니다. 온도 제어 시스템에는 고체 펠티에 부품으로 제작된 저비용의 프로그래밍 가능한 온도 조절기가 포함되어 있습니다. 온도 제어 시스템과 함께, 우리는 비주얼리제이션 계면활성제의 존재에 수화물 형성 및 억제를 연구하기 위해 시각화 기술과 내부 압력 측정을 통합했습니다. 우리는 낮은 (즉, 0.1 CMC), 중간 (즉, CMC), 및 높은 (즉, 10 CMC) 농도에서 난오 계면 활성제 (소르비탄 모노 라우 레이트, 소르비탄 모노 올레이트, PEG-PPG-PEG 및 폴리 옥시에틸렌 레스코비탄 트리스테아레이트)의 수화물 억제 능력을 연구했다. 결정의 두 가지 유형이 형성되었다 : 평면과 원두. 평면 결정은 일반 물과 낮은 계면 활성제 농도에서 형성되었다. 원뿔형 결정은 높은 계면 활성제 농도로 형성되었다. 연구 결과는 원유질 결정이 수화물 억제의 관점에서 가장 효과적이다는 것을 보여줍니다. 원유결정은 특정 크기를 초과하여 성장할 수 없기 때문에 원엽 결정으로서 수화물 성장 속도는 평면 결정으로서 수화물 성장 속도보다 느립니다. 따라서 원유질 결정을 형성하기 위해 수분을 공급하는 계면활성제가 가장 효율적입니다. 프로토콜의 목적은 계면활성제 분자의 존재에 물방울의 표면에 사이클로펜탄 수화 결정화 공정을 조사 할 수있는 실험 시스템의 상세한 설명을 제공하는 것입니다.

Introduction

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수화물 결정화 및 억제 메커니즘을 이해하는 인센티브는 수화물이 석유 파이프 라인에서 자연적으로 발생하고 흐름 보증에 어려움을 초래할 수 있다는 사실에서 비롯됩니다. 예를 들어, 2010년 멕시코 만 오일 유출1은 수중 오일 배관 시스템에 수화물이 축적되어 환경에 오염을 일으킨 결과입니다. 따라서 미래의 환경 재해를 예방하기 위해서는 수화물 형성과 억제를 이해하는 것이 중요합니다. 지난 몇 년 동안 수화물 결정화 연구를 위한 원동력의 대부분은 수화물 플러그 응집 및 후속 흐름 막힘을 방지하기 위한 석유 산업의 노력입니다. 수화물이 연결 된 유동선에 대한 책임이 있음을 결정하는 첫 번째 연구는 1934 년 Hammerschmidt에 의해 수행되었다2. 오늘날까지, 석유 생산자는 흐름 보증3을이해하고 수화물 형성을 억제하는 것이 매우 중요하다고 합니다.

수화물 형성을 방지하는 한 가지 방법은 얼음이 형성되지 않도록 깊은 물 파이프 라인을 절연하는 것입니다. 그러나 파이프 라인을 적절하게 절연하는 것은 비용이 많이 들며 추가 비용은 $ 1 백만 / km3의순서일 수 있습니다. 메탄올과 같은 열역학적 억제제는 수화물 형성을 방지하기 위해 유정에 주입 될 수 있습니다. 그러나, 알코올에 대한 물의 큰 부피 비율은, 1:1만큼 큰, 적절하게 수화물의 형성을 방지하기 위해 필요하다4. 최근, 수분 공급 예방을 위해 메탄올을 사용하는 전 세계 비용은 연간 2억 2천만 달러로 보고되었습니다. 이것은 알코올 사용의 지속 가능한금액이아니다 5 . 또한, 메탄올의 사용은 환경적으로 위험하기 때문에 문제가 되며, 대규모 운송에 사용할 수 없다5. 대안적으로, 계면활성제와 같은 운동 억제제는, 최대 20°C6의소량 및 온도에서 수화물 성장을 억제할 수 있다. 따라서, 계면 활성제 존재는 수화물 예방에 필요한 많은 양의 알코올을 줄일 수 있습니다.

계면활성제는 두 가지 주요 이유로 인해 수화물 결정화를위한 좋은 억제제로 간주됩니다 :

1) 그들은 표면 속성 변화를 통해 수화물 형성을 억제 할 수 있습니다; 및 2) 그들은 처음에 수화물 세포의 형성을 돕지만 파이프 라인7아래로 결정의 추가 성장 및 응집을 방지합니다. 계면활성제는 효율적인 억제제임이 입증되었지만 계면활성제가 있는 경우 결정화 공정에 관한 많은 정보가 누락되어 있습니다. 일부 연구는 계면 활성제의 사용이 특정 서브 쿨링에서 초기 수화물 결정화 시간을 연장 할 수 있음을 보여주었지만, 다른 연구는 낮은 계면 활성제 농도에서 예외를 발견했다. 낮은 계면 활성제 농도에서, 물방울은 유착하고 수화물 형성의 과정을 가속화하는 경향이8. 억제 과정은 계면 활성제 분자가 평면 수화물 성장을 방해하여 수화물을 중공 원뿔 형 결정 형성으로 강요하여 설명되었습니다. 원두질 결정은 결정 성장을 위한 기계적 장벽을형성하고 9,따라서 성장을 억제한다.

이 연구에서 우리는 수화물 시각화 셀과 함께 저비용의 통합 모듈형 펠티에 장치 (IMPd)를 설계및 구현했으며, 이를 사용하여 nonionic 계면 활성제가 있는 경우 사이클로펜탄 수화물 형성을 연구했습니다. 일반적으로 깊은 바다 저수지에서 수화물을 형성하는 낮은 분자가스 (예 : CH4CO2)대신 사이클로펜탄을 사용하는 이유는 이러한 가스가 안정적인 수화물을 형성하기 위해 더 높은 압력과 낮은 온도를 필요로하기 때문입니다. 사이클로펜탄은 주위 압력 및 온도에서 최대 ~7.5°C의 수화물을 형성하기 때문에, 수화물형성(10)을위한 모델 재료로 자주 사용된다.

통합 모듈형 펠티에 장치(IMPd)는 오픈 소스 마이크로 컨트롤러, 펠티에 플레이트, CPU 쿨러(방열판) 및 방수 디지털 온도 센서로 구성됩니다. 이 장치는 68 °C의 최대 온도 차이를 제공 할 수 있습니다. 최소 온도 분해능은 1/16°C입니다. 전기 회로 및 하드웨어를 포함한 전체 시스템을 $200 미만으로 구성할 수 있습니다. 온도 센서는 마이크로 컨트롤러에 보고하여 트랜지스터에 출력 신호를 보냅니다. 트랜지스터는 DC 전원에서 펠티에 원소를 통해 전류를 전달합니다. 방열판은 펠티에의 뜨거운 면에서 주변 공기로 들어오는 열을 대류하여 펠티에 원소를 냉각하는 데 도움이 됩니다. IMPd 시스템의 조립된 하드웨어 구성 요소는 그림 1a,b에나와 있습니다. 도 1c는 제어 루프(비례-적분 유도체[PID] 제어기)와 핀아웃의 모든 구성요소와 함께 배선 회로도를 나타낸다. 마이크로 컨트롤러의 출력 전류는 게이트 저항기 R1을 최대 전류 23 mA(I = 5 V/220 W)로 제한하였다. 그림 1c의 풀다운 저항기R2를 사용하면 게이트 전하가 소멸되고 시스템을 끌 수 있습니다. PID 컨트롤러를 조정하기 위해 반복 프로세스와 결합된 Ziegler-Nichols 기반 메서드가11을사용합니다. 마이크로 컨트롤러 통합 개발 환경(IDE) 소프트웨어는 온도 조절을 위해 마이크로 컨트롤러에 명령을 모니터링하고 전송하는 데 사용됩니다.

IMPd와 함께 시각화 기술과 내부 압력 측정을 사용하여 새로운 접근 방식을 적용했습니다. IMPd 위에 배치되는 수화물 시각화 셀은 두 개의 이중 관측 창이 장착된 황동 셀로 구성됩니다. 창문을 통해 사이클로펜탄의 물방울에 수화물 형성 과정을 비디오로 녹화할 수 있습니다. 상보적 금속 산화물 반도체(CMOS) 카메라는 창 외부에 배치되고 압력 트랜스듀서는 낙하의 내부 압력 측정을 얻기 위해 물 분사 라인에 연결됩니다. 디지털 트랜스듀서 애플리케이션은 압력 트랜스듀서에서 판독값을 얻는 데 사용됩니다. 카메라 뷰어는 CMOS 카메라에서 비디오및 이미지를 캡처하는 데 사용됩니다. 이 소프트웨어는 노출 및 스냅샷 빈도를 제어합니다. 이미지 프로세싱 소프트웨어 프로그램은 수화물의 성장을 추적하는 데 사용됩니다. 도 2는a 수화물 시각화 셀에 대한 개략적 설명을 나타내고 도 2b는 전체 실험 시스템의 개요를 나타낸다. 종자 수화물(도2a)은수화물 성장 속도의 일관된 핵 형성 및 추적을 위해 요구된다. 종수화물은 수화물 셀의 바닥에 증착된 순수한 물의 작은 부피(예를 들어, 50-100 μL)이다. 온도가 낮아지면 낙하가 얼음을 형성하고 온도가 증가함에 따라 수분 공급이 됩니다. 씨앗 의 작은 조각은 물방울에 접촉 다음 수화. 이 프로세스는 침수된 물방울에서 수화물의 개시를 제어합니다. 실리카 데시칸트는 두 개의 유리 슬라이드 사이의간격(그림2c)에삽입되어 윈도우를 보는 역할을 한다. 실리카 건조제는 창문에 프로스팅과 안개가 되는 양을 줄이는 데 도움이 됩니다. 김서림 방지는 김서림을 줄이기 위해 외부 창에도 적용됩니다. CMOS 카메라와 28~90mm 렌즈로 이미지를 캡처합니다. 조명에는 150W 광섬유 거위 넥 램프가 사용됩니다. 아크릴 커버는 사이클로펜탄의 증발을 제한하기 위해 황동 셀 의 상단에 배치됩니다. 배관은 유연한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 튜브와 견고한 황동 튜브의 조합으로 구성됩니다. 1 mL 유리 주사기와 19G 바늘이있는 주사기 펌프는 물과 계면 활성제 용액의 흐름을 제어합니다. 압력 트랜스듀서는 수중 계면활성제 액상 물방울 내부의 압력 변화를 모니터링합니다. 19 G PTFE 튜브는 주사기를 T 피팅에 연결하고 1/16 인치 (1.588 mm) 황동 튜브는 트랜스듀서와 황동 후크를 T 피팅에 연결합니다(그림 2d). 180° 굽힘이 있는 길이 약 5cm의 황동 후크는 물/계면활성제 액적을 생성합니다. 굽힘은 주사기에 의해 생성된 물방울이 실험 전반에 걸쳐 튜브 위에 놓이도록 합니다. PTFE 크러시 페룰 및 PTFE 나사 테이프 테이프와 함께 1/16 인치 스테인리스 스틸 T 피팅이 피팅을 밀봉합니다.

이 장치를 사용하여, 우리는 석유 산업에서 일반적으로 사용되는 다른 친수성 - 친혈 성 균형 (HLB)을 가진 4 개의 다른 난온 계면활성제를 조사했습니다 : 소르비안 모노 라우 레이트, 소르비안 모노 올레트, PEG-PPG-PEG 및 폴리 옥시에틸렌 트리스테아테.

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Protocol

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1. 사이클로펜탄의 물방울에 수화물 형성

참고: 아래에 기술된 실험 절차는 소개에 기재된 IMPd 및 수화물 시각화 세포를 사용하여 사이클로펜탄의 물방울 에 수화물 형성을 연구하기 위한 것이다.

  1. 1mL 유리 주사기에 19G 바늘을 부착하십시오(그림 2b, C).
  2. DI 물로 1 mL 유리 주사기와 19G 바늘 3x를 헹구다.
  3. 주사기를 DI 물로 채웁니다.
  4. 수화물 시각화 셀(그림 2b, E)을사이클로펜탄 25 mL로 채웁니다.
  5. 주사기를 사용하여 수화물 시각화 셀의 하단에 DI 물방울(즉, 50-100 μL)을 삽입합니다. 이 물방울은 씨앗 수화물입니다.
    참고: 드롭은 수화물 시각화 셀의 맨 아래에 배치해야 합니다. 종자 수화물의 목적은 수화물의 형성을 개시하고 성장 속도의 일관된 핵 형성 및 추적을 형성하는 것이다.
  6. 온도 센서를 수화물 시각화 셀 내부에 놓고 셀 하단에 가까이 놓습니다.
  7. 사이클로펜탄의 증발을 방지하기 위해 수화물 시각화 셀에 아크릴 커버를 놓습니다. 나사를 사용하여 덮개를 제자리에 고정하십시오.
  8. 조명과 카메라를 조정하여 초점을 맞춥니다. 시드 수화물에 초점을 조정합니다.
  9. 온도 제어 장치에서 펠티에 플레이트의 온도를 -5 °C로 설정합니다.
  10. 온도 센서에서 읽은 온도 값을 확인합니다.
  11. 온도가 -5 °C에 도달하면 바닥의 액적 (종자 수화물)이 얼음으로 바뀌는지 확인하십시오.
  12. 펠티에 플레이트의 온도를 0.5°C 단위로 2°C로 설정합니다.
  13. 온도가 2 °C에 도달하면 주사기를 사용하여 배관을 물로 채우고 황동 후크를 사이클로펜탄으로 낮추어 5 분 동안 평형화하십시오.
    참고 : 이 온도는 시스템이 얼음의 융점 위에 있지만 사이클로펜탄 수화물11보다낮기 때문에 고체 얼음이 수화물로 변환되도록합니다.
  14. 카메라로 녹화를 시작합니다.
  15. 압력 변환기 소프트웨어에서 측정 시작을 눌러 디지털 트랜스듀서 레코딩을 시작합니다.
  16. 주사기를 주사기 펌프에 연결합니다.
  17. 주사기 펌프를 2 μL의 부피를 주입하고 활성화하도록 설정합니다. 주사기는 침수 된 물방울을 형성하기 위해 사이클로 펜탄 욕조에 물을 급락합니다.
  18. 바늘 팁을 사용하여 씨앗 수화물의 작은 조각을 제거하십시오.
  19. 바늘 팁을 종자 수화물조각(그림 3a)과함께 물방울과 짧게 접촉(그림3b)하여물방울 위에 수화물의 형성을 개시한다.
  20. 카메라 캡처 소프트웨어의 레코드를 누릅니다. 1Hz에서 카메라에서 액적 반구의 결정화 공정 이미지를 기록합니다.

2. 사이클로펜탄의 수계활성제 액적에 수화물 형성

참고: 계면활성제를 사용하여 수화물 결정화 실험은 순수와 동일한 방식으로 수행됩니다. 그러나, 계면활성제를 사용하여 수화물 결정화에 대한 계면활성제 효과를 연구하는 경우 각 계면활성제의 중요한 미셀 농도(CMC)를 찾을 필요가 있다. CMC는 문헌9에서 또는 아래에 설명된 방법을 사용하여 찾을 수 있다.

  1. 소르비탄 모노라우레이트, PEG-PPG-PEG 및 폴리옥시에틸렌레스트리스테아산트의 표준 용액 50 mL을 각 계면활성제의 측정질량을 이온화된 물에 용해시켜 각 계면활성제의 12가지 용액을 각각10-4 g/100 mL-10mL/10mL의 다른 농도를 나타내는 제조한다.
  2. 다른 농도에서 사이클로펜탄에서 소르비탄 모노올레아의 솔루션을 준비하십시오.
    참고 : 사이클로 펜 탄은 소수성의 높은 수준과 물에서 소르비탄 모노 올레산염의 낮은 용해도로 인해 사용됩니다. 소르비탄 모노올레에이트에도 동일한 농도가 사용됩니다.
  3. 석순모법 방법을 사용하여 각 계면활성제 용액의 표면 장력을 측정합니다.
    1. 떨어지는 방울을 계산하기 위해 그림 4와 같이 주사기 펌프와 주사기를 수직으로 놓습니다.
    2. 펌프를 프로그래밍하여 용액 1mL을 0.5 mL/min의 속도로 배출하고 낙하를 공중으로 방출합니다.
    3. 1 mL를V관찰된 낙하 수로 나누어 평균적으로 낙하량(V)을 구한다.
    4. 각 솔루션을 3x 이상 테스트합니다.
    5. 를 사용하여 계면 장력 계산
      Equation 1
      여기서 g는 중력에 의한 가속도, Δp는 인터페이스에서의 밀도 변화(즉, 계면활성제 용액과 공기 사이의 밀도 차이), V는 액적 부피, F는 12에 의해 주어진 경험적 보정이다.
      Equation 2
      참고: 또는 일부 계면활성제 용액의 표면 장력은 문헌9에서찾을 수 있습니다.
    6. 표면 장력을 농도 함수로 플로팅합니다. 표면 장력은 평평해지고 일정해질 때까지 계면활성제 농도가 증가하면 감소합니다.
    7. 각 계면활성제(즉, 표면 장력이 평평해지는 농도)에 대한 CMC를 찾아 실험에 사용합니다.
      참고: 계면활성제 농도를 증가시키면 표면 장력이 변하지 않습니다.
  4. 섹션 1에서 실험 절차를 반복하지만, CMC에 비해 다양한 농도에서 수분 사용 계면활성제 용액 대신(즉, 0.1x CMC, 1x CMC, 및 10x CMC).

3. 이미지 처리 및 간면 응력 측정

참고: 원추형 및 평면 수화물 증가를 추적하는 것은 시각적 분석 방법으로 수행됩니다. 사용되는 소프트웨어 프로그램은 재료 표에설명되어 있습니다. 윤곽선 감지 및 착색의 예는 그림 5에서찾을 수 있습니다. 카메라는 구면 액적의 2D 투영만 캡처하므로 3D 재구성을 만들어야 합니다.

  1. 수화물 성장 추적
    1. 이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 이미지 시퀀스의 첫 번째 이미지를 엽니다.
    2. 소프트웨어의 길이 도구를 사용하여 이미지의 황동 튜브 길이를 측정합니다.
    3. 1/16in(1.588mm)의 알려진 직경을 기준으로 이미지에서 황동 튜브의 배율을 설정합니다.
    4. 각 시퀀스에서 동등하게 간격이 있는 스냅샷 10개(간격을 두는 스냅샷)를 선택합니다. 스냅샷은 핵 형성 지점에서 전체 액적 변환에 이르는 전체 프로세스를 캡처해야 합니다.
    5. 선택한 10개의 스냅숏에 대해 배율 설정(3.1.1-3.1.3 단계)을 반복합니다.
    6. 소프트웨어를 사용하여 모든 프레임에서 드롭의 윤곽을 수동으로 감지합니다. 윤곽선을 빨간색으로 표시합니다(그림5b).Figure 5
    7. 소프트웨어를 사용하여 모든 프레임에서 수화물의 윤곽을 수동으로 감지합니다. 수화물의 전체 영역전체를 검은색으로 색상을 채색합니다(그림Figure 55b).
    8. 수학적 모델링 소프트웨어를 사용하여 표면적보정으로 낙하의 3D 재구성을 형성합니다.
      참고 : 3D 표면적의 구성에 대한 자세한 내용은 Dann 외13에설명되어 있습니다.
  2. 명백한 평균 간면 응력 측정
    참고: 겉보기 평균 계면 응력은 압력 변환기에서 수집된 내부 압력 데이터를 사용하여 계산됩니다.
    1. 압력 변환기(ΔP)에서기록된 데이터를 사용합니다.
    2. 모든 데이터 포인트에 대해 영-라플라스 관계14를 사용하여 명백한 평균 계면 응력(y)을 결정합니다.y
      Equation 3
      여기서R1과 R2는 곡률의 액적 반경이며 ΔP는 t = 0을 기준으로 액적 내의 압력 변화입니다. R
      참고: 액적 형성 다음의 초기 기간에, 두 반경은 거의 동일하며, 따라서 영 라플라스 방정식에서 R1R2는 R = 782 μm에해당하는 소정의 2 μL 드롭의 반경으로 대체될 수 있다.

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Representative Results

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이 실험 시스템을 사용하여 오일-워터 인터페이스에서 수화물 형성을 조사하고 결정화 공정과 관련된 계면 응압을 측정할 수 있습니다. 도 6은 결정 형성 및 계면 응력 모두를 포함하는 대표적인 결과 세트를 나타낸다. 평면 껍질 성장(그림 6a)에서,결정은 적도를 향해 두 극에서 성장했다. 이러한 이유로 평면 결정에서 수화물 쉘은 끊임없이 증가했습니다. 도 6a에서볼 수 있는 바와 같이 순수한 물과 낮은 계면활성제 농도에서 수화물이 평면 쉘 형태를 형성했다.a 도 6b에 도시된 시간에 따른 압력 및 명백한 평균 계면 응력의 변화는 평면 쉘 형태에 대해 수화물 성장이 진행됨에 따라 명백한 평균 안면 응력의 점진적인 감소를 보였다. 수화물이 증가하고 표면을 덮으면서 계면 활성제 분자에 대한 사용 가능한 영역이 적어졌고, 따라서 동일한 수의 계면 활성제 분자가 더 작은 표면적을 차지하여 명백한 평균 안면 응력감소를 초래했습니다. 원유모(도6c)는높은 계면활성제 농도에서 관찰되었다. 여기서 수화물은 원유결정으로 성장했다. 원뿔 형 결정이 충분히 커졌을 때 원뿔의 일부가 물방울 표면에서 끊어졌습니다. 이 성장 패턴은 진동 방식으로 반복해서 일어났습니다. 크리스탈은 임계 크기에 도달 할 때까지 성장하기 시작했고, 그 후 파산하고 그 과정은 다시 시작되었습니다. 명백한 평균 계면 응력 측정(그림 6d)원유결정이 성장하기 시작하면서 계면 응력의 초기 감소를 보였다. 성장 과정의 초기 단계에서 계면활성제 분자에 대한 사용 가능한 표면적의 감소가 있었다. 원유 결정은 자라었고 어느 시점에서 임계 크기에 도달했습니다. 결정의 추가 성장은 물방울의 표면에서 분리 귀착되었다. 표면으로부터의 원뿔 분열은 계면활성제 분자에 대한 사용 가능한 표면의 급격한 증가와 계면 응력의 증가를 초래했다. 그런 다음 크리스탈이 다시 자라기 시작하여 명백한 평균 안면 응력의 진동 거동을 초래했습니다. 이러한 진동 동작은 그림 6d에서볼 수 있습니다.

수화물 성장을 추적함으로써, 우리는 수화물 형성을 억제하는 계면 활성제의 능력에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 모든 계면활성제 솔루션의 집단 증가율은 낮은(즉, 0.1 CMC), 중간(즉, CMC) 및 높은(즉, 10CMC) 농도에 제시된다. 모든 계면활성제 농도의 3가지 독립적인 측정 중 표준 편차가 <5%이기 때문에, 오차 막대는 제시되지 않는다. 일반적으로 계면활성제용액은 순수한 물에 비해 수화물 성장을 억제합니다. 수화물 형성을 억제하는 데 가장 효과적인 계면활성제는 고농도(즉, 10 CMC)에서 폴리옥시에틸렌세비탄 트리스테아레이트였다. 이러한 계면활성제로 형성된 수화물은 다음으로 좋은 계면활성제(즉, 10 CMC에서 소르비안 모노라우레이트)로 형성된 수화물보다 거의 3배 느린 성장속도를 가졌다. 우리는 또한 수화물 억제의 관점에서 가장 효율적인 결정 형성이 원유질 결정이었다는 것을 것을을 발견했습니다. 우리는 또한 원류 결정이 수화물 억제에 가장 효과적이었다는 것을 것을을 발견했습니다. 원유질 결정은 특정 크기를 지나서 자랄 수 없기 때문에 수화물은 평면 결정보다 느리게 자랍니다. 따라서 원유액을 강제로 형성하는 계면활성제가 가장 효율적이되었습니다.

Figure 1
그림 1: 통합 모듈형 펠티에 장치(IMPd)의 하드웨어 어셈블리. (a)A) 전원 공급 장치, B) 방열판에 펠티에, C) 온도 프로브 및 D) 마이크로 컨트롤러의 배열을 보여주는 조립 된 온도 제어 시스템. (b)IMPd 시스템의 다른 구성 요소에 대한 개략적 설명. (c)컨트롤 루프의 모든 구성 요소와 표시된 핀아웃이 있는 배선 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: 하이드레이트 시각화 셀. (a)수화물 시각화 셀에 대한 개략적 설명. (b)장착 하드웨어 및 장비 레이아웃 : A) 전원 공급 장치, B) 펌프, C) 주사기, D) 방열판, E) 황동 시각화 셀, F) 카메라 렌즈, G) 트랜스듀서, H) 마이크로 컨트롤러, I) 조명. (c)커버와 실리카 건조제가 있는 황동 시각화 셀. (d)PTFE 튜브 및 T 피팅을 통해 트랜스듀서 및 황동 후크에 주사기 펌프에서 배관 경로. Dann 등의 허가를 받아 전재(적응).13 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: 종자 수화물에 의한 핵 형성. (a)종자 수화물은 바늘의 끝을 사용하여 수화물 시각화 셀의 바닥에서 따졌다. (b)종자 수화물은 수화물 결정화 과정을 개시하기 위해 물방울과 접촉하게 된다. Dann 등의 허가를 받아 전재(적응).13 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4: 표면 장력 측정을 위한 드롭 카운트 실험 설정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5: 표면적 분석을 위한 수화물 영역을 예로 들 수 있습니다. (a)하이드레이트에 수화물의 원시 이미지. (b)드롭 윤곽이 빨간색으로 표시되고 수화물 영역이 검은색으로 표시됩니다. 길이 스케일은 이미지 하단에 있는 황동 튜브의 알려진 직경의 측정으로부터 결정됩니다. Dann 등의 허가를 받아 전재(적응).13 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: 다양한 결정 유형에 대한 시간 경과 및 명백한 평균 계면 응력 측정. (a)낮은 계면활성제 농도에 대한 평면 성장의 시간 경과. (b)압력 변환기판독내의 압력차. 명백한 평균 계면 응력 값은 Dann et al.13에기재된 바와 같이 영-라플라스 방정식을 사용하여 평가하였다. (c)높은 계면 활성제 농도에 대한 원뿔 수화물 성장의 시간 경과. (d)t=0에 대한 액적 t 내 압력의 변화는 원유수화물의 수화물 성장 과정 동안시간의 함수로서 해당 명백한 평균 계면 응력 값이다. Dann 등의 허가를 받아 전재(적응).13 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 7
그림 7: 낮은(0.1 CMC), 중간(CMC) 및 높은(10CMC) 농도에서 모든 계면활성제 용액에 대한 수화물 증가율. Dann 등의 허가를 받아 전재(적응).13 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

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이 기사에서는 난오계면활성제가 있는 오일-워터 인터페이스에서 수화물 결정화를 연구하는 실험 기술을 설명합니다. 이 장치는 온도 제어 시스템과 창문이 있는 황동 챔버, CMOS 카메라 및 압력 변환기가 포함된 시각화 셀로 구성됩니다. 온도 제어 시스템은 마이크로 컨트롤러, 강력한 펠티에 플레이트, 방열판으로 120mm CPU 쿨러, 방수 디지털 온도 센서로 구성됩니다. 수화물 시각화 황동 셀은 창에 고정 된 카메라와 한 방울 내부의 압력을 측정 할 수있는 압력 센서로 설계되었습니다. 장치로 시험된 계면활성제는 소르비탄 모노라우레이트, 소르비탄 모노올레이트, PEG-PPG-PEG 및 폴리옥시에틸렌아비안 트리스테아레이트였으며, 이는 석유 산업에서 일반적으로 사용된다. 이 장치는 수화물 결정화를 거치면서 방울 내부의 내부 압력 변화뿐만 아니라 수화물 결정의 성장 속도를 측정할 수 있습니다. 압력 변화로부터 하나는 수화물 결정의 형상을 나타낼 수 있는 명백한 평균 계면 응을 추출할 수 있다.

이 방법은 시각화 기술과 내부 압력 측정을 결합하여 명백한 평균 계면 응력생성을 합니다. 이는 계면활성제의 군집 패턴과 수화물 결정의 형상의 조합을 초래한다.

프로토콜의 중요한 단계는 다음과 같습니다: (1) 시클로펜탄(25 mL)으로 채운 후 세포에 덮개를 씌우고, (2) 주사기를 사용하여 세포의 바닥에 물방울을 삽입하여 종자 수화물로서 작용하고, (3) 세포의 온도를 -5 °C로 낮추고 종자가 얼음으로 변하는지 확인하고, (4) 0.5 °C 단위로 온도를 2 °C로 증가시키고, (5) 배관을 물 /계면 활성제 용액으로 채우고 황동 후크를 사이클로 하여 5 분 동안 평형화하십시오. 2 °C에 도달, (6) 카메라 및 압력 트랜스듀서 기록을 시작, (7) 주사기 펌프를 사용하여 황동 튜브에서 물 / 계면 활성제 방울을 생성하고, (8) 이전에 세포의 바닥에 형성 된 수화물의 소량을 긁어 물방울과 짧은 접촉에 가져, 이는 수화물 형성 과정을 시작합니다.

제시된 장치 및 실험 기술은 액체 계면에서 결정의 형성및 결정화 공정의 유형 및 억제에 대한 계면활성제의 효과를 연구하는데 사용될 수 있다.

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Disclosures

저자는 공개 할 것이 없다.

Acknowledgments

저자는 미국 화학 협회 - 석유 연구 기금 (ACS - PFR), 보조금 번호 감사합니다 : PRF # 57216-UNI9, 재정 지원을 위해.

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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저비용 통합 모듈형 펠티에 장치를 사용하여 오일-워터 인터페이스에서 수화물 결정화에 대한 계면활성제 효과 연구
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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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