Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Chemistry

Изучение сюрфактантных эффектов на кристаллизацию гидратов на масляно-водных интерфейсах с использованием низкозатратного интегрированного модульного устройства Peltier

doi: 10.3791/60391 Published: March 18, 2020

Summary

Представляем протокол для изучения образования гидратов в присутствии нонионических сурфактантов на интерфейсе капли воды, погруженной в циклопентан. Протокол состоит из построения недорогого, программируемого, температурного регулятора. Система контроля температуры сочетается с методами визуализации и измерениями внутреннего давления.

Abstract

Мы вводим подход к изучению образования и роста гидратов под воздействием нонионических сурфактантов. Экспериментальная система включает в себя регулятор температуры, методы визуализации и измерения внутреннего давления. Система контроля температуры содержит недорогой, программируемый температурный регулятор, изготовленный из твердотельных компонентов Peltier. Наряду с системой контроля температуры, мы включили методы визуализации и измерения внутреннего давления для изучения образования гидратов и ингибирования в присутствии неионических сурфактантов. Мы изучили увлажняющую способность нонионических сурфактантов (сорбитановый монолаурат, сорбитановый моноолит, PEG-PPG-PEG и полиоксиэтиленореновский тристеарат) при низких (т.е. 0,1 CMC), средних (т.е. CMC) и высоких (т.е. 10 CMC) концентраций. Образовались два типа кристаллов: планарный и конический. Кристаллы планара образовались в простой воде и низких концентрациях сурфактантов. Конические кристаллы образовывались в высоких суровакантных концентрациях. Результаты исследования показывают, что конические кристаллы являются наиболее эффективными с точки зрения ингибирования гидратов. Поскольку конические кристаллы не могут расти мимо определенного размера, темпы роста гидратов как конического кристалла медленнее, чем темпы роста гидратов в виде планарного кристалла. Таким образом, сурфактанты, которые заставляют гидраты образовывать конические кристаллы, являются наиболее эффективными. Цель протокола состоит в том, чтобы дать подробное описание экспериментальной системы, способной исследовать процесс кристаллизации кристаллизатора циклопентана на поверхности капли воды в присутствии молекул сурфактанта.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Стимулом для понимания механизма кристаллизации и торможения гидратов является тот факт, что гидраты естественным образом встречаются в нефтепроводах и могут привести к трудностям в обеспечении потока. Например, разлив нефти в Мексиканском заливев 2010 году произошел в результате накопления гидратов в подводной системе нефтепроводов, что привело к загрязнению окружающей среды. Таким образом, понимание образования и торможения гидратов имеет решающее значение для предотвращения будущих экологических катастроф. Большая часть движущей силы для изучения кристаллизации гидратов в последние годы является усилия нефтяной промышленности, чтобы предотвратить агломерацию гидратов и последующего блокирования потока. Первое исследование, чтобы определить, что гидраты были ответственны за подключенные потоки было сделано Хаммершмидт в 19342. По сей день, производители нефти считают очень важным, чтобы понять и ингибировать образование гидратов для обеспечения потока3.

Одним из способов предотвращения образования гидратов является изоляция глубоководных трубопроводов, чтобы лед не образовывались. Тем не менее, это дорого, чтобы адекватно изолировать трубопроводы, и дополнительные расходы могут быть в порядке $ 1 млн / км3. Термодинамические ингибиторы, такие как метанол, могут быть введены в скважины, чтобы предотвратить образование гидратов. Однако для того, чтобы адекватно предотвратить образование гидратов4,необходимы большие объемные соотношения воды к алкоголю, столь же великие, как 1:1. В последнее время глобальные затраты на использование метанола для профилактики гидратов составили 220 миллионов долларов в год. Это не устойчивое количество употребления алкоголя5. Кроме того, использование метанола является проблематичным, поскольку он является экологически опасным, и не может быть использован для крупномасштабного транспорта5. Кроме того, кинетические ингибиторы, такие как сурфактанты, могут подавлять рост гидратов в небольших количествах и температуре до 20 градусов по Цельсию6. Таким образом, присутствие сурфактанта может уменьшить большое количество спиртов, необходимых для профилактики гидратов.

Сурфактанты считаются хорошими ингибиторами для кристаллизации гидратов по двум основным причинам:

1) Они могут препятствовать образованию гидратов через изменения поверхностного свойства; и 2) Они первоначально помогают образованию клеток гидратов, но предотвратить дальнейший рост и агломерацию кристалла внизтрубопровода 7. Хотя сурфактанты доказали свою эффективность в ингибиторах, по-прежнему отсутствует большой объем информации о процессе кристаллизации в присутствии сурфактантов. Хотя некоторые исследования показали, что использование сурфактантов может продлить начальное время кристаллизации гидратов при определенных переохлаждениях, другие исследования обнаружили исключения при низких концентрациях сурфактантов. При низких концентрациях сурфактантов капли воды имеют тенденцию к слипанию и ускорению процесса образования гидратов8. Процесс ингибирования был объяснен молекулами сурфактанта, прерывающими рост планарных гидратов, заставляя гидрат в полые конические кристаллические образования. Конические кристаллы образуют механический барьер для роста кристалла9,и таким образом препятствуют росту.

В этом исследовании мы разработали и внедрили недорогое, интегрированное модульное устройство Peltier (IMPd) вместе с клеткой визуализации гидратов и использовали их для изучения формирования гидратов циклонана в присутствии нонионических сурфактантов. Причина использования циклопентана вместо газов с низким молекулярным весом (например, CH4 и CO2),которые обычно образуют гидраты в глубоководных резервуарах, заключается в том, что эти газы требуют более высокого давления и более низких температур для формирования стабильных гидратов. Поскольку циклопентан образует гидраты при давлении окружающей среды и температурах до 7,5 градусов по Цельсию, он часто используется в качестве модельного материала для образования гидратов10.

Интегрированное модульное устройство Peltier (IMPd) состоит из микроконтроллера с открытым исходным кодом, пластины Peltier, охладителя процессора (тепловой раковины) и водонепроницаемого цифрового датчика температуры. Устройство может обеспечить максимальную температуру дифференциала в 68 градусов по Цельсию. Минимальное разрешение температуры составляет 1/16 градуса по Цельсию. Вся система, включая электрические схемы и оборудование, может быть построена менее чем за $ 200. Датчик температуры подчиняется микроконтроллеру, который посылает сигналы вывода транзистору. Затем транзистор передает ток из источника питания постоянного тока через элемент Peltier. Теплоотвод помогает охладить элемент Пельтье, выражая тепло, поступающую от горячей стороны Пельтье в окружающий воздух. Собранные аппаратные компоненты системы IMPd показаны на рисунке 1a,b. На рисунке 1c показана схема проводки со всеми компонентами петли управления (пропорционально-интегрально-производный контроллер) и пин-ауты. Выходной ток микроконтроллера был ограничен резистором ворот R1 до максимального тока 23 мА (Я 5 V/220 Вт). Выдвижной резистор R2 на рисунке 1c позволяет заряду ворот рассеиваться и выключать систему. Для настройки контроллера PID используются методы на основе Зиглера-Николса в сочетании с итеративнымпроцессом. Программное обеспечение microcontroller integrated development environment (IDE) используется для мониторинга и отправки команд микроконтроллеру для регулирования температуры.

Наряду с IMPd, мы применили новый подход с использованием методов визуализации и внутренних измерений давления. Клетка визуализации гидратов, которая расположена на верхней части IMPd, состоит из латунной клетки, оснащенной двумя двойными окнами наблюдения. Окна позволяют видеозапись процесса образования гидратов на каплях воды в циклопентане. Дополнительная полупроводниковая камера оксида металла (CMOS) помещается за окном, а преобразователь давления подключается к линии впрыска воды для измерения внутреннего давления капли. Цифровое приложение преобразователя используется для получения показаний от преобразователя давления. Зритель камеры используется для захвата видео и изображений с камеры CMOS. Программное обеспечение контролирует частоту экспозиции и моментального снимка. Программное обеспечение для обработки изображений используется для отслеживания роста гидрата. На рисунке 2показано схематическое описание ячейки визуализации гидратов, а на рисунке 2b показан обзор всей экспериментальной системы. Гидрат семян(рисунок 2a)необходим для последовательного ядра и отслеживания темпов роста гидрата. Гидрат семян представляет собой небольшой объем (например, 50-100 л) чистой воды, отложенной на полу гидратной клетки. По мере понижения температуры, капля образует лед, который затем превращается в гидрат по мере повышения температуры. Небольшой кусочек семенного гидрата затем контактирует с каплей воды. Этот процесс контролирует начало гидрата в погруженной капли воды. Silica desiccant вставляется в зазор между двумя стеклянными слайдами(рисунок 2c),которые служат в качестве смотровых окон. Кремнезем desiccant помогает уменьшить количество глазури и запотевания на окнах. Антитуман также применяется к внешнему окну, чтобы уменьшить запотевание. Изображения запечатлены камерой CMOS и объективом 28-90 мм. Для освещения используется волоконно-оптическая гусиная лампа 150 Вт. Акриловая крышка помещается на верхней части латунной клетки для того, чтобы ограничить испарение циклопентана. Сантехника состоит из сочетания гибких труб политетрафторотилена (PTFE) и жесткой латунной трубки. Шприц насос с 1 мл стеклянный шприц и 19 G иглы контролировать поток воды и сурфактант решение. Преобразователь давления отслеживает изменения давления внутри капли раствора сурфактанта воды. 19 G PTFE трубки соединяет шприц с T-fitting и 1/16 в. (1.588 мм) латунные трубки соединяет преобразователь и латунный крюк к T-фитинг(Рисунок 2г). Латунный крюк, примерно 5 см в длину с 180 "изгиб, генерирует воду / сурфактант раствора капли. Изгиб гарантирует, что капли, генерируемые шприцем, будут сидеть на верхней части трубки на протяжении всего эксперимента. 1/16 в. Из нержавеющей стали T-фитинга в сочетании с PTFE раздавить феррулей и PTFE нить ленты печать фитинги.

Используя этот аппарат, мы изучили четыре различных неионических сурфактантов с различными гидрофильных липофильных остатков (HLB), которые обычно используются в нефтяной промышленности: сорбитана монолаурат, сорбитан моноолет, PEG-PPG-PEG, и полиоксиметиленорбита тристеарат.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Образование гидратов на капле воды в циклопентане

ПРИМЕЧАНИЕ: Экспериментальная процедура, описанная ниже, предназначена для изучения образования гидратов на капле воды в циклопентане с использованием IMPd и клетки визуализации гидратов, описанных во введении.

  1. Прикрепите 19 G иглу к 1 мл стеклянный шприц(Рисунок 2b, C).
  2. Промыть 1 мл стеклянный шприц и 19 G иглы 3x с DI воды.
  3. Заполните шприц с DI воды.
  4. Заполните ячейку визуализации гидратов(рисунок 2b, E) с 25 мл циклопентана.
  5. Используя шприц, вставьте капельку воды DI (т.е. 50–100 л) на дно ячейки визуализации гидратов. Эта капля воды является гидратом семян.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Капля должна быть помещена в нижней части ячейки визуализации гидратов. Цель юрисового гидрата состоит в том, чтобы инициировать образование гидрата и сформировать последовательное нуклеацию и отслеживание темпов роста.
  6. Поместите датчик температуры внутри ячейки визуализации гидратов, близко к нижней части клетки.
  7. Положите акриловую крышку на клетку визуализации гидратов, чтобы предотвратить испарение циклопентана. Используйте винты, чтобы сохранить крышку на месте.
  8. Отрегулируйте свет и камеру, чтобы сосредоточиться. Отрегулируйте фокус на гидрате семян.
  9. Установите температуру пластины Пельтье до -5 градусов в устройстве контроля температуры.
  10. Проверьте значения температуры, считываемые датчиком температуры.
  11. Как только температура достигнет -5 градусов по Цельсию, убедитесь, что капля на дне (гидрат семян) превращается в лед.
  12. Установите температуру пластины Пельтье до 2 градусов Цельсия с шагом 0,5 градуса по Цельсию.
  13. Когда температура достигнет 2 градусов по Цельсию, заполнить сантехнику с водой с помощью шприца, и опустите латунный крюк в циклопентан, чтобы уравновесить в течение 5 минут.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Эта температура обеспечивает твердый лед преобразуется в гидрат, потому что система находится выше точки таяния льда, но ниже, чем циклопентан гидратов11.
  14. Начните запись с камеры.
  15. Нажмите на стартовое измерение на программное обеспечение преобразователя давления, чтобы начать цифровые записи преобразователя.
  16. Подключите шприц к насосу шприца.
  17. Установите шприц насос, чтобы ввести объем 2 Л и активировать. Шприц погрузит воду в ванну циклопентана, чтобы сформировать погруженную капельку.
  18. Используйте кончик иглы, чтобы удалить небольшой кусочек гидрата семян.
  19. Принесите кончик иглы с куском гидрата семян(Рисунок 3a)в краткоконтактный контакт с каплей воды(Рисунок 3b),чтобы инициировать образование гидрата на капле воды.
  20. Запись Record прессы на программное обеспечение захвата камеры. Запись изображений процесса кристаллизации полушария капель с камеры на 1 Гц.

2. Образование гидратов на капле сурастона воды в циклопентане

ПРИМЕЧАНИЕ: Эксперименты по кристаллизации гидратов с сурфактантными растворами выполняются так же, как и чистая вода. Однако при использовании сурфактантного раствора для изучения сурфакантного влияния на кристаллизацию гидратов необходимо найти критическую концентрацию мицелле (CMC) каждого сурфактанта. CMC можно найти в литературе9 или с помощью метода, описанного ниже.

  1. Приготовьте 50 мл стандартных растворов сорбитанского монолаурата, PEG-PPG-PEG и полиоксиэтиленесорбитанского тристеарата путем растворения измеренной массы каждого сурфактанта в деионизированную воду для подготовки серии из 12 растворов каждого сурфактанта, каждый из которых представляет различные концентрации от 10-4 г/100 мл 100 л.
  2. Подготовьте растворы сорбитана моноолиата в циклопентане в различных концентрациях.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Циклопентан используется из-за высокого уровня гидрофобности и низкой растворимости сорбитана моноолетвейта в воде. Такие же концентрации использованы для monooleate sorbitane также.
  3. Измерьте поверхностное натяжение каждого сурфактантного раствора методом сталагмометрии.
    1. Поместите шприц насос и шприц вертикально, как показано на рисунке 4 для того, чтобы рассчитывать падения капель.
    2. Запрограммируйте насос, чтобы исключить 1 мл раствора со скоростью 0,5 мл/мин и выпустить капли в воздух.
    3. Получить объем падения(V) в среднем, разделив 1 мл на количество наблюдаемых капель.
    4. Проверьте каждое решение по крайней мере 3x.
    5. Рассчитать межфаллнационное напряжение с помощью
      Equation 1
      где g ускорение из-за тяжести,p будет изменением плотности на интерфейсе (т.е., разница плотности между разрешением surfactant и воздухом), V том капли, F эмпирическая коррекция, котор дали12
      Equation 2
      ПРИМЕЧАНИЕ: Альтернативно, поверхностное натяжение некоторых решений surfactant можно найти в словесности9.
    6. Участок поверхностного натяжения как функция концентрации. Поверхностное натяжение будет уменьшаться с увеличением концентрации сурфактанта до тех пор, пока оно не сглаживается и не становится постоянным.
    7. Найдите CMC для каждого сурфактанта (т.е. концентрации, где поверхностное натяжение выравнивается) и используйте его в экспериментах.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Увеличение концентрации сурфактанта не изменит поверхностное натяжение.
  4. Повторите экспериментальную процедуру в разделе 1, но вместо водопользования сурфактантный раствор в различных концентрациях по сравнению с CMC (т.е. 0.1x CMC, 1x CMC и 10x CMC).

3. Обработка изображений и межфайдные измерения стресса

ПРИМЕЧАНИЕ: Отслеживание конического и планарного роста гидратов осуществляется с помощью методов визуального анализа. Используемые программы описаны в таблице материалов. Пример обнаружения контура и окраски можно найти на рисунке 5. Поскольку камера фиксирует только 2D-проекцию сферической капли, необходимо создать 3D-реконструкцию.

  1. Отслеживание роста гидратов
    1. Откройте первое изображение последовательности изображений с помощью программного обеспечения для обработки изображений.
    2. Используйте инструмент Длина в программном обеспечении для измерения длины латунной трубки на изображении.
    3. Установите масштаб латунной трубки на изображении на основе известного диаметра 1/16 дюйма (1,588 мм).
    4. Выберите 10 одинаково расположенных снимков из каждой последовательности. Снимки должны запечатлеть полный процесс, от точки нуклеации до полного преобразования капель.
    5. Повторите настройку шкалы (шаги 3.1.1-3.1.3) для 10 выбранных снимков.
    6. Используйте программное обеспечение для ручного обнаружения контура капли в каждом кадре. Отметьте контур красным цветом(рисунок 5b).
    7. Используйте программное обеспечение для ручного обнаружения контура гидрата в каждом кадре. Цвет всей площади всей площади гидрата в черный цвет(рисунок 5b).
    8. Используйте программное обеспечение для математического моделирования для формирования 3D-реконструкции капли в качестве коррекции на поверхность.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Полная информация о строительстве 3D-зоны описана в Dann et al.13.
  2. Явные средние межфайличные измерения стресса
    ПРИМЕЧАНИЕ: Явный средний межфамальный стресс рассчитывается с использованием данных внутреннего давления, собранных из преобразователя давления.
    1. Используйте записанные данные из преобразователя давления (QP).
    2. Для каждой точки данных, используйте отношение Янг-Лалас14, чтобы определить очевидный средний межфамальный стресс(y),
      Equation 3
      где R1 и R2 являются радиусом капли кривизны, аP - это изменение давления в капельке относительно т- 0.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В начальный период после образования капель, два радиуса примерно равны, следовательно, R1 и R2 в уравнении Янг-Лаплейс может быть заменен с радиусом заданного 2 капли qL, равной R 782 мкм.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

С помощью этой экспериментальной системы можно изучить образование гидратов в масляно-водном интерфейсе и измерить межфамальный стресс, связанный с процессом кристаллизации. На рисунке 6 показан репрезентативный набор результатов, которые включают как кристаллическое образование, так и межфайдный стресс. В планера роста оболочки(Рисунок 6a), кристалл вырос из двух полюсов к экватору. По этой причине в планерах оболочки гидрат постоянно росла. В чистой воде и низких концентрациях сурфактанта гидрат образовывал планарную морфологию оболочки, как видно на рисунке 6a. Изменение давления и кажущееся среднее межфаменльное напряжение с течением времени, показанное на рисунке 6b, показали постепенное снижение очевидного среднего межфамального стресса по мере роста гидратов для морфологии планарной оболочки. По мере того как гидрат рос и покрывал поверхность, было более менее доступной области для молекул surfactant, следовательно такое же количество молекул surfactant заняло более малую площадь поверхности, которое привело к в уменьшенном явном среднем межфациальном усилии. Коническая морфология(рисунок 6с)наблюдалась в высоких концентрациях сурфактантов. Здесь гидрат рос как конический кристалл. Когда конический кристалл стал достаточно большим, часть конуса вырвалась из поверхности капель. Эта модель роста происходила снова и снова в колебляном виде. Кристалл начал расти, пока не достиг критического размера, затем он сломался, и процесс начался заново. Явные средние межфамальные измерения стресса(рисунок 6d) показали первоначальное снижение межфамального стресса, как конический кристалл начал расти. На начальных стадиях процесса роста произошло уменьшение доступной площади поверхности для молекул сурфактанта. Конический кристалл вырос и в какой-то момент достиг своего критического размера. Дальнейший рост кристалла привел к отрыву от поверхности капли. Распад конуса с поверхности привел к резкому увеличению доступной поверхности для молекул сурфактанта и увеличению межфамального стресса. Кристалл затем начал расти снова, что привело к колеблчному поведению очевидного среднего межфалального стресса. Это колебальное поведение можно увидеть на рисунке 6d.

Отслеживая рост гидрата, мы можем получить информацию о способности сурфактанта ингибировать образование гидратов. На рисунке 7представлены совокупные темпы роста всех сурфактантных решений при низких (т.е. 0,1 CMC), средних (т.е. CMC) и высоких (т.е. 10 CMC) концентраций. Поскольку стандартное отклонение среди трех независимых измерений каждой концентрации сурфактанта составило злт;5%, бары ошибок не представлены. В целом, сурфактантный раствор тормозит рост гидратов по сравнению с чистой водой. Сурфактантом, который был наиболее эффективен в ингибировании образования гидратов, был полиоксиэтиленесорбитальный тристеарат при высокой концентрации (т.е. 10 CMC). Гидраты, сформированные с помощью этого сурфактанта, имели темпы роста почти в 3 раз медленнее, чем гидраты, образовавшиеся при следующем лучшем сурфактанте (т.е. сорбитане монолаурат на уровне 10 CMC). Мы также обнаружили, что наиболее эффективным кристаллообразованием с точки зрения ингибирования гидратов был конический кристалл. Мы также обнаружили, что конические кристаллы являются наиболее эффективными для ингибирования гидратов. Поскольку конический кристалл не может прорасти мимо определенного размера, гидрат растет медленнее, чем планарный кристалл. Таким образом, сурфактанты, которые заставляют гидрат образовывать конические кристаллы, были наиболее эффективными.

Figure 1
Рисунок 1: Аппаратная сборка интегрированного модульного устройства Peltier (IMPd). (a) Собранная система контроля температуры, показывающая расположение A) источника питания, B) Peltier на теплоотводе, C) температурный зонд, и D) микроконтроллер. (b)Схематическое описание различных компонентов системы IMPd. (c)Схема проводки со всеми компонентами контрольной петли и показанными пинаутами. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 2
Рисунок 2: Ячейка визуализации гидратов. ()Схематическое описание клетки визуализации гидратов. (b)Монтаж оборудования и оборудования макет: A) блок питания, B) насос, C) шприц, D) heatsink, E) латунный ячейки визуализации, F) объектив камеры, G) преобразователь, H) микроконтроллер, I) освещение. (с)Латунные визуализации ячейки с крышкой и кремнезема desiccant. (d)Маршрут сантехника от шприца насоса до преобразователя и латунного крючка через трубки PTFE и T-fitting. Перепечатано (адаптировано) с разрешения Dann et al.13. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 3
Рисунок 3: Нуклеация гидратом семян. (a) Гидрат семян был выбран из нижней части клетки визуализации гидратов с помощью кончика иглы. (b)Гидрат семян соприкасается с каплей воды, чтобы инициировать процесс кристаллизации гидратов. Перепечатано (адаптировано) с разрешения Dann et al.13. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 4
Рисунок 4: Подсчет каплей экспериментальных установки для измерений поверхностного натяжения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 5
Рисунок 5: Пример области гидратов для анализа площади поверхности. (a) Сырье изображение гидрата на капле. (b)Контур капли отмечен красным цветом, область гидрата отмечена черным цветом. Длина шкалы определяется на основе измерения известного диаметра латунной трубки в нижней части изображения. Перепечатано (адаптировано) с разрешения Dann et al.13. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 6
Рисунок 6: Промесящие с повремени и очевидные средние межфамальные измерения стресса для различных типов кристаллов. ()Промежуток времени планарного роста для низкой концентрации сурфактанта. (b)Разница давления внутри падения, прочитанном преобразователем давления. Очевидные средние межфамальные значения стресса были оценены с помощью уравнения Янг-Лалас, как описано в Dann et al.13. (c)Промежуток времени конического роста гидрата для высокой концентрации сурфактанта. (d)Изменение давления в капле по отношению к т-0 и соответствующие кажущееся среднее межфамальное значение стресса как функция времени во время процесса роста гидрата конического гидрата. Перепечатано (адаптировано) с разрешения Dann et al.13. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Figure 7
Рисунок 7: Темпы роста гидратов для всех сурфактантных растворов при низких (0,1 CMC), средних (CMC) и высоких (10 CMC) концентрациях. Перепечатано (адаптировано) с разрешения Dann et al.13. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

В этой статье мы описываем экспериментальную технику изучения кристаллизации гидратов на масляно-водном интерфейсе в присутствии неионических сурфактантов. Аппарат состоит из системы контроля температуры и ячейки визуализации, которая включает в себя латунную камеру с окнами, камеру CMOS и преобразователь давления. Система контроля температуры состоит из микроконтроллера, мощной пластины Peltier, охладителя процессора 120 мм в качестве теплоотвода и водонепроницаемого цифрового датчика температуры. Гидрат визуализации латунной ячейки была разработана с камерой фиксированной в окне и датчик давления, способный измерять давление внутри капли. Сурфактанты, которые были протестированы с аппаратом были сорбитан моноларат, сорбитана моноолет, PEG-PPG-PEG, и полиоксиэтиленесорбитанского тристеарата, которые обычно используются в нефтяной промышленности. Аппарат позволяет измерять темпы роста кристаллов гидратов, а также изменения внутреннего давления внутри капель, поскольку они подвергаются кристаллизации гидратов. От изменений давления одно может извлечь явно среднее межфационное усилие, которое может показать форму кристалла гидрата.

Этот метод сочетает в себе методы визуализации и измерения внутреннего давления для получения очевидного среднего межфалального стресса. Это приводит к сочетанию формы кристалла гидрата с скученностью сурфактанта на интерфейсе.

Критические шаги в протоколе: (1) положить крышку на ячейку после заполнения циклопентан (25 мл), (2) вставки капли воды в нижней части клетки с помощью шприца, чтобы служить в качестве гидрата семян, (3) снижение температуры клетки до -5 градусов по Цельсию и убедившись, что гидрат семян превращается в лед, (4) повышение температуры до 2 градусов По Цельсию в 0,5 градусов по Цельсию, (5) заполнение сантехники с водой / surfactant решение и снижение латунный крюк в циклопентан, чтобы приравновесить в течение 5 минут, когда температура в клетке достигает 2 кС, (6) запуск камеры и записи преобразователя давления, (7) генерации воды / сурфактант капли из латунной трубки с помощью шприца насоса, и (8) соскоб небольшое количество гидрата ранее формируется на дне клетки и в результате чего его в короткий контакт с каплями, который иницизирует процесс формирования гидрата.

Представленные аппараты и экспериментальные методы могут быть использованы для изучения образования кристаллов на жидких интерфейсах и влияния сурфактантов на типы кристаллов и ингибирование процесса кристаллизации.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторам нечего раскрывать.

Acknowledgments

Авторы благодарят Американское химическое общество - Фонд исследований нефти (ACS - PFR), номер гранта: PRF No 57216-UNI9, за финансовую поддержку.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Graham, B., et al. Deep water: The Gulf Oil disaster and the future of offshore drilling. Report to the President. (2011).
  2. Hammerschmidt, E. Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines. Industrial & Engineering Chemistry. 26, 851-855 (1934).
  3. Sloan, E. D. A changing hydrate paradigm-from apprehension to avoidance to risk management. Fluid Phase Equilibria. 228-229, 67-74 (2005).
  4. Xiaokai, L., Latifa, N., Abbas, F. Anti-agglomeration in cyclopentane hydrates from bio- and co-surfactants. Energy & Fuels. 24, 4937-4943 (2010).
  5. Sloan, E. D. Fundamental principles and applications of natural gas hydrates. Nature. 426, 353-363 (2003).
  6. Sloan, E. D., Koh, C. Clathrate Hydrates of Natural Gases. CRC Press. Boca Raton, FL. (2007).
  7. Lee, J. D., Englezos, P. Unusual kinetic inhibitor effects on gas hydrate formation. Chemical Engineering Science. 61, 1368-1376 (2006).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Mori, Y. H. Harkins-brown correction factor for drop formation. AIChE Journal. 36, 1272-1274 (1990).
  13. Dann, K., Rosenfeld, L. Surfactant effect on hydrate crystallization at oil-water interface. Langmuir. 34, (21), 6085-6094 (2018).
  14. Ibach, H. Physics of Surfaces and Interfaces. Springer Science & Business Media. Berlin, Germany. (2006).
Изучение сюрфактантных эффектов на кристаллизацию гидратов на масляно-водных интерфейсах с использованием низкозатратного интегрированного модульного устройства Peltier
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter