Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Chemistry

Estudio de los efectos de surfactante en la cristalización de hidratos en interfaces aceite-agua utilizando un dispositivo de peltier modular integrado de bajo costo

doi: 10.3791/60391 Published: March 18, 2020

Summary

Presentamos un protocolo para estudiar la formación de hidratos en presencia de tensioactivos no iónicos en la interfaz de una gota de agua sumergida en ciclopentano. El protocolo consiste en la construcción de un regulador de temperatura programable y de bajo costo. El sistema de control de temperatura se combina con técnicas de visualización y mediciones de presión interna.

Abstract

Introducimos un enfoque para estudiar la formación y el crecimiento de hidratos bajo la influencia de tensioactivos no iónicos. El sistema experimental incluye un regulador de temperatura, técnicas de visualización y mediciones de presión interna. El sistema de control de temperatura contiene un regulador de temperatura programable de bajo costo fabricado con componentes Peltier de estado sólido. Junto con el sistema de control de temperatura, incorporamos técnicas de visualización y mediciones de presión interna para estudiar la formación e inhibición de hidratos en presencia de tensioactivos no iónicos. Estudiamos la capacidad inhibidora de los hidratos de los tensioactivos no iónicos (monolaurato de sorbitano, monooleato de sorbitano, PEG-PPG-PEG y tristearate de polioxietileno) a bajas (es decir, 0,1 CMC), medias (es decir, CMC) y altas (es decir, 10 concentraciones de CMC). Se formaron dos tipos de cristales: planos y cónicos. Los cristales planos se formaron en aguas corrientes y bajas concentraciones de surfactantes. Los cristales cónicos se formaron en altas concentraciones de surfactantes. Los resultados del estudio muestran que los cristales cónicos son los más eficaces en términos de inhibición de los hidratos. Debido a que los cristales cónicos no pueden crecer más allá de un cierto tamaño, la tasa de crecimiento de los hidratos como un cristal cónico es más lenta que la tasa de crecimiento de hidratos como cristal plano. Por lo tanto, los tensioactivos que obligan a los hidratos a formar cristales cónicos son los más eficientes. El objetivo del protocolo es proporcionar una descripción detallada de un sistema experimental que es capaz de investigar el proceso de cristalización de hidratos de ciclopentano en la superficie de una gota de agua en presencia de moléculas de surfactante.

Introduction

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

El incentivo para entender el mecanismo de cristalización e inhibición de los hidratos proviene del hecho de que los hidratos se producen naturalmente en las tuberías de petróleo y pueden resultar en dificultades en la garantía del flujo. Por ejemplo, el derrame de petróleo1 del Golfo de México de 2010 fue el resultado de la acumulación de hidratos en un sistema de tuberías de petróleo subacuático, causando contaminación al medio ambiente. Por lo tanto, la comprensión de la formación e inhibición de los hidratos es crucial para prevenir futuros desastres ambientales. Gran parte de la fuerza motriz para el estudio de la cristalización de hidratos en los últimos años es el esfuerzo de la industria petrolera para prevenir la aglomeración de tapones de hidratos y el posterior bloqueo del flujo. El primer estudio para determinar que los hidratos fueron responsables de las líneas de flujo enchufadas fue realizado por Hammerschmidt en 19342. A día de hoy, a los productores de aceite les resulta muy importante comprender e inhibir la formación de hidratos para garantizar el flujo3.

Una manera de prevenir la formación de hidratos es aislar las tuberías de aguas profundas para que no se forme hielo. Sin embargo, es caro aislar adecuadamente las tuberías, y los costos adicionales pueden ser del orden de $1 millón/km3. Los inhibidores termodinámicos, como el metanol, se pueden inyectar en los bolos para prevenir la formación de hidratos. Sin embargo, se necesitan grandes proporciones volumétricas de agua a alcohol, tan grandes como 1:1, con el fin de prevenir adecuadamente la formación de hidratos4. Recientemente, el costo global de usar metanol para la prevención de hidratos se ha reportado como $220 millones/año. Esta no es una cantidad sostenible de consumo de alcohol5. Además, el uso de metanol es problemático porque es peligroso para el medio ambiente y no se puede utilizar para el transporte a gran escala5. Alternativamente, los inhibidores cinéticos, como los tensioactivos, pueden suprimir el crecimiento de los hidratos a pequeñas cantidades y temperaturas de hasta 20 oC6. Por lo tanto, la presencia de surfactantes puede reducir la gran cantidad de alcoholes necesarios para la prevención de hidratos.

Los surfactantes se consideran buenos inhibidores para la cristalización de hidratos debido a dos razones principales:

1) Pueden inhibir la formación de hidratos a través de cambios en la propiedad de la superficie; y 2) Inicialmente ayudan a la formación de células hidrativas pero evitan un mayor crecimiento y aglomeración del cristal por la tubería7. Aunque los tensioactivos han demostrado ser inhibidores eficientes, todavía falta una gran cantidad de información sobre el proceso de cristalización en presencia de tensioactivos. Mientras que algunos estudios han demostrado que el uso de tensioactivos puede extender el tiempo inicial de cristalización del hidrato en ciertos subenfriamientos, otros estudios han encontrado excepciones a bajas concentraciones de surfactantes. A bajas concentraciones de surfactantes, las gotas de agua tienden a fusionarse y acelerar el proceso de formación de hidratos8. El proceso de inhibición se ha explicado por moléculas surfactantes que interrumpen el crecimiento de hidratos planos, forzando el hidrato en la formación de cristal escónico- Los cristales cónicos forman una barrera mecánica para el crecimiento del cristal9,y así inhiben el crecimiento.

En este estudio diseñamos e implementamos un dispositivo Peltier modular integrado de bajo costo (IMPd) junto con una célula de visualización de hidratos y los utilizamos para estudiar la formación de hidratos de ciclopentano en presencia de tensioactivos no iónicos. La razón para utilizar ciclopentano en lugar de gases de bajo peso molecular (por ejemplo, CH4 y CO2) que generalmente forman hidratos en depósitos de aguas profundas, es que estos gases requieren presiones más altas y temperaturas más bajas para formar hidratos estables. Debido a que el ciclopentano forma hidratos a presión ambiente y temperaturas de hasta 7,5 oC, a menudo se utiliza como un material modelo para la formación de hidratos10.

El dispositivo Peltier modular integrado (IMPd) consta de un microcontrolador de código abierto, placa Peltier, enfriador de CPU (disipador de calor) y sensor de temperatura digital impermeable. El dispositivo puede ofrecer un diferencial de temperatura máxima de 68 oC. La resolución mínima de la temperatura es de 1/16 oC. Todo el sistema, incluyendo los circuitos eléctricos y el hardware, se puede construir por menos de $200. El sensor de temperatura informa al microcontrolador, que envía señales de salida al transistor. A continuación, el transistor pasa la corriente de la fuente de alimentación de CC a través del elemento Peltier. El disipador de calor ayuda a enfriar el elemento Peltier convecting el calor que viene desde el lado caliente del Peltier al aire ambiente. Los componentes de hardware ensamblados del sistema IMPd se muestran en la Figura 1a,b. La Figura 1c muestra el esquema de cableado con todos los componentes del bucle de control (controlador [PID] proporcional-integral-derivado) y los pines.outs. La corriente de salida del microcontrolador se limitó con la resistencia de compuerta R1 a una corriente máxima de 23 mA (I a 5 V/220 W). La resistencia desplegable R2 en la Figura 1c permite que la carga de la puerta se disipe y apague el sistema. Para ajustar el controlador PID, se utilizan métodos basados en Ziegler-Nichols combinados con un proceso iterativo11. El software de entorno de desarrollo integrado (IDE) del microcontrolador se utiliza para supervisar y enviar comandos al microcontrolador para la regulación de la temperatura.

Junto con el IMPd, aplicamos un enfoque novedoso utilizando técnicas de visualización y mediciones de presión interna. La célula de visualización de hidratos, que se coloca en la parte superior del IMPd, se compone de una celda de latón equipada con dos ventanas de observación de doble panel. Las ventanas permiten la grabación en vídeo del proceso de formación de hidratos en la gota de agua en ciclopentano. La cámara complementaria de semiconductores de óxido metálico (CMOS) se coloca fuera de la ventana y el transductor de presión está conectado a la línea de inyección de agua para obtener las mediciones de presión interna de la caída. Una aplicación de transductor digital se utiliza para obtener las lecturas del transductor de presión. Un visor de cámara se utiliza para capturar los vídeos e imágenes de la cámara CMOS. El software controla la exposición y la frecuencia de instantáneas. Los programas de software de procesamiento de imágenes se utilizan para realizar un seguimiento del crecimiento del hidrato. La Figura 2a muestra una descripción esquemática de la celda de visualización de hidratos y la Figura 2b muestra una visión general de todo el sistema experimental. El hidrato de semilla(Figura 2a) es necesario para la nucleación constante y el seguimiento de la tasa de crecimiento del hidrato. El hidrato de semilla es un pequeño volumen (por ejemplo, 50-100 l) de agua pura depositada en el suelo de la célula de hidrato. A medida que la temperatura disminuye, la gota forma hielo, que luego se vuelve a hidratar a medida que aumenta la temperatura. La pequeña pieza del hidrato de semilla entra en contacto con la gota de agua. Este proceso controla el inicio del hidrato en la gota de agua sumergida. El desecante de sílice se inserta en el espacio entre las dos diapositivas de vidrio(Figura 2c), que sirven como ventanas de visualización. El desecante de sílice ayuda a reducir la cantidad de glaseado y empañamiento en las ventanas. Antiniebla también se aplica a la ventana exterior para reducir el empañamiento. Las imágenes se capturan con una cámara CMOS y una lente de 28 a 90 mm. Una lámpara de cuello de ganso de fibra óptica de 150 W se utiliza para la iluminación. Una cubierta de acrílico se coloca en la parte superior de la celda de latón con el fin de limitar la evaporación del ciclopentano. La fontanería consiste en una combinación de tubos flexibles de politetrafluoroetileno (PTFE) y tubos de latón rígido. Una bomba de jeringa con una jeringa de vidrio de 1 ml y una aguja de 19 G controlan el flujo de agua y solución tensioactiva. Un transductor de presión supervisa los cambios de presión dentro de la gota de solución de surfactante de agua. 19 G Tubo de PTFE conecta la jeringa a la t-fitting y 1/16 in. (1.588 mm) tubo de latón conecta el transductor y gancho de latón a la T-fitting(Figura 2d). Un gancho de latón, de aproximadamente 5 cm de longitud con una curvatura de 180o, genera la gota de solución de agua/surfactante. La curvatura asegura que la gota generada por la jeringa se encuentra en la parte superior del tubo durante todo el experimento. Un montaje en T de acero inoxidable de 1/16 pulgadas en combinación con casquillos de aplastamiento de PTFE y cinta de rosca PTFE sella los accesorios.

Usando este aparato, examinamos cuatro tensioactivos no iónicos diferentes con diferentes balanzas hidrófilas-lipofílicos (HLB) que se utilizan comúnmente en la industria petrolera: monolaurato de sorbitano, monooleato de sorbitano, PEG-PPG-PEG y polioxietilensorbitan tristearate.

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. Formación de hidratos en gotas de agua en ciclopentano

NOTA: El procedimiento experimental descrito a continuación es para el estudio de la formación de hidratos en una gota de agua en ciclopentano utilizando el IMPd y la célula de visualización de hidratos descrito en la introducción.

  1. Coloque una aguja de 19 G en la jeringa de vidrio de 1 ml(Figura 2b, C).
  2. Enjuague la jeringa de vidrio de 1 ml y la aguja de 19 G 3x con agua DI.
  3. Llene la jeringa con agua DI.
  4. Llene la célula de visualización de hidratos(Figura 2b, E)con 25 ml de ciclopentano.
  5. Con la jeringa, inserte una gota de agua DI (es decir, de 50 a 100 l) en la parte inferior de la celda de visualización de hidratos. Esta gota de agua es el hidrato de semilla.
    NOTA: La gota debe colocarse en la parte inferior de la celda de visualización de hidratos. El propósito del hidrato de semilla es iniciar la formación del hidrato y formar una nucleación y seguimiento constantes de la tasa de crecimiento.
  6. Coloque el sensor de temperatura dentro de la celda de visualización de hidratos, cerca de la parte inferior de la célula.
  7. Coloque la cubierta de acrílico en la celda de visualización de hidratos para evitar la evaporación del ciclopentano. Utilice tornillos para mantener la cubierta en su lugar.
  8. Ajuste las luces y la cámara para enfocar. Ajuste el enfoque en el hidrato de semilla.
  9. Ajuste la temperatura de la placa Peltier a -5 oC en el dispositivo de control de temperatura.
  10. Compruebe los valores de temperatura leídos por el sensor de temperatura.
  11. Una vez que la temperatura alcance los -5 oC, asegúrese de que la gota en la parte inferior (hidrato de semilla) se convierta en hielo.
  12. Ajuste la temperatura de la placa Peltier a 2 oC en incrementos de 0,5 oC.
  13. Cuando la temperatura alcance los 2oC, llene la plomería con agua con la jeringa y baje el gancho de latón en el ciclopentano para equilibrardurante durante 5 min.
    NOTA: Esta temperatura asegura que el hielo sólido se convierta en hidrato, ya que el sistema está por encima del punto de fusión del hielo, pero por debajo del de ciclopentano hidrata11.
  14. Comience a grabar con la cámara.
  15. Pulse la medición de inicio en el software del transductor de presión para iniciar las grabaciones del transductor digital.
  16. Conecte la jeringa a la bomba de la jeringa.
  17. Ajuste la bomba de la jeringa para inyectar un volumen de 2 l y activarla. La jeringa sumergirá el agua en el baño de ciclopentano para formar la gota sumergida.
  18. Use una punta de aguja para eliminar un pequeño trozo del hidrato de semilla.
  19. Ponga la punta de la aguja con la pieza de hidratación de la semilla(Figura 3a)en breve contacto con la gota de agua ( Figura3b) para iniciar la formación del hidrato en la gota de agua.
  20. Pulse Grabar en el software de captura de cámara. Grabe imágenes del proceso de cristalización del hemisferio de gotas desde la cámara a 1 Hz.

2. Formación de hidratos en gotas de surfactante de agua en ciclopentano

NOTA: Los experimentos de cristalización de hidratos con soluciones tensioactivas se realizan de la misma manera que el agua pura. Sin embargo, cuando se utiliza una solución tensioactivo para estudiar el efecto tensioactivo sobre la cristalización de hidratos, es necesario encontrar la concentración crítica de micelas (CMC) de cada surfactante. El CMC se puede encontrar en la literatura9 o utilizando el método descrito a continuación.

  1. Preparar 50 ml de soluciones estándar de sorbitane monolaurate, PEG-PPG-PEG y polioxietilenosorbitan tristearate disolviendo una masa medida de cada surfactante en agua desionizada para preparar una serie de 12 soluciones de cada surfactante, cada una representando una concentración diferente que oscila entre 10-4 g/100 mL–1 g/100 ml.
  2. Preparar soluciones de monooleato de sorbitano en ciclopentano a diferentes concentraciones.
    NOTA: El ciclopentano se utiliza debido al alto nivel de hidrofobicidad y baja solubilidad del monooleato de sorbitano en agua. Las mismas concentraciones también se utilizan para el monooleato de sorbitano.
  3. Mida la tensión superficial de cada solución surfactante utilizando el método de estalagmometría.
    1. Coloque la bomba de la jeringa y la jeringa verticalmente como se muestra en la Figura 4 para contar las caídas.
    2. Programe la bomba para expulsar 1 ml de solución a una velocidad de 0,5 ml/min y suelte las gotas en el aire.
    3. Obtenga el volumen de caída (V) como promedio dividiendo 1 ml por el número de gotas observadas.
    4. Pruebe cada solución al menos 3 veces.
    5. Calcular la tensión interfacial usando
      Equation 1
      donde g es la aceleración debido a la gravedad,p es el cambio de densidad en la interfaz (es decir, la diferencia de densidad entre la solución surfactante y el aire), V es el volumen de gota, F es una corrección empírica dada por12
      Equation 2
      NOTA: Alternativamente, la tensión superficial de algunas soluciones de surfactantes se puede encontrar en la literatura9.
    6. Trazar la tensión superficial en función de la concentración. La tensión superficial disminuirá con el aumento de la concentración de surfactantes hasta que se aplana y se vuelve constante.
    7. Encuentre el CMC para cada surfactante (es decir, la concentración donde se aplana la tensión superficial) y utilícelo en los experimentos.
      NOTA: El aumento de la concentración de tensioactivos no cambiará la tensión superficial.
  4. Repita el procedimiento experimental en la sección 1, pero en lugar de utilizar solución tensioactivo en varias concentraciones en comparación con el CMC (es decir, 0,1x CMC, 1x CMC y 10x CMC).

3. Procesamiento de imágenes y mediciones de estrés interfacial

NOTA: El seguimiento del crecimiento de hidratos cónicos y planos se realiza con métodos de análisis visual. Los programas de software utilizados se describen en la Tabla de materiales. Un ejemplo de la detección de contorno y el color se puede encontrar en la Figura 5. Debido a que la cámara solo captura la proyección 2D de la gota esférica, es necesario crear una reconstrucción 3D.

  1. Seguimiento del crecimiento de los hidratos
    1. Abra la primera imagen de la secuencia de imágenes utilizando el software de procesamiento de imágenes.
    2. Utilice la herramienta Longitud del software para medir la longitud del tubo de latón en la imagen.
    3. Ajuste la escala del tubo de latón en la imagen en función del diámetro conocido de 1/16 in (1.588 mm).
    4. Seleccione 10 instantáneas igualmente espaciadas de cada secuencia. Las instantáneas deben capturar el proceso completo, desde el punto de nucleación hasta la conversión completa de gotas.
    5. Repita la configuración de escala (pasos 3.1.1-3.1.3) para las 10 instantáneas elegidas.
    6. Utilice el software para detectar manualmente el contorno de la caída en cada fotograma. Marque el contorno en rojo (Figura 5b).
    7. Utilice el software para detectar manualmente el contorno del hidrato en cada fotograma. Colorea toda el área de toda el área del hidrato en negro(Figura 5b).
    8. Utilice un software de modelado matemático para formar una reconstrucción 3D de la caída como una corrección de la superficie.
      NOTA: Los detalles completos sobre la construcción de la superficie 3D se describen en Dann et al.13.
  2. Mediciones de estrés interfacial promedio aparente
    NOTA: La tensión interfacial media aparente se calcula utilizando los datos de presión interna recopilados del transductor de presión.
    1. Utilice los datos grabados del transductor de presión(P).
    2. Para cada punto de datos, utilice la relación Young-Laplace14 para determinar la tensión interfacial media aparente (y),
      Equation 3
      donde R1 y R2 son los radios de gota de curvatura yP es el cambio de presión dentro de la gota en relación con t a 0.
      NOTA: En el período inicial después de la formación de gotas, los dos radios son aproximadamente iguales, por lo tanto R1 y R2 en la ecuación De Young-Laplace se pueden reemplazar con el radio de la caída predeterminada de 2 s L igual a R a 782 m.

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

Usando este sistema experimental se puede examinar la formación de hidratos en la interfaz aceite-agua y medir el estrés interfacial asociado con el proceso de cristalización. La Figura 6 muestra un conjunto representativo de resultados que incluyen la formación de cristales y el estrés interfacial. En el crecimiento de la cáscara plana(Figura 6a),el cristal creció de los dos polos hacia el ecuador. Por esa razón, en el cristal plano, la cáscara de hidrato creció constantemente. En agua pura y bajas concentraciones de surfactantes el hidrato formó una morfología plana de la cáscara, como se puede ver en la Figura 6a. El cambio en la presión y el estrés interfacial promedio aparente a lo largo del tiempo mostrado en la Figura 6b mostraron una disminución gradual en el estrés interfacial promedio aparente a medida que el crecimiento del hidrato progresaba para la morfología plana de la cáscara. A medida que el hidrato crecía y cubría la superficie, había menos área disponible para las moléculas surfactantes, por lo tanto, el mismo número de moléculas surfactantes ocupaba una superficie más pequeña, lo que resultaba en una disminución del estrés interfacial promedio aparente. La morfología cónica(Figura 6c)se observó en altas concentraciones de surfactantes. Aquí el hidrato creció como un cristal cónico. Cuando el cristal cónico se hizo lo suficientemente grande, una porción del cono se liberó de la superficie de las gotas. Este patrón de crecimiento ocurrió una y otra vez de una manera oscilatoria. El cristal comenzó a crecer hasta alcanzar un tamaño crítico, luego se rompió y el proceso comenzó de nuevo. Las mediciones de tensión interfacial promedio aparente(Figura 6d) mostraron una disminución inicial en el estrés interfacial a medida que el cristal cónico comenzó a crecer. En las etapas iniciales del proceso de crecimiento hubo una reducción de la superficie disponible para las moléculas surfactantes. El cristal cónico creció y en algún momento alcanzó su tamaño crítico. Un mayor crecimiento del cristal dio lugar a un desprendimiento de la superficie de la gota. La ruptura del cono de la superficie dio lugar a un aumento repentino en la superficie disponible para las moléculas surfactantes y un aumento en el estrés interfacial. Un cristal entonces comenzó a crecer de nuevo, lo que resultó en un comportamiento oscilatore del estrés interfacial promedio aparente. Este comportamiento oscilatocal se puede ver en la Figura 6d.

Mediante el seguimiento del crecimiento de los hidratos, podemos obtener información sobre la capacidad del tensioactivo para inhibir la formación de hidratos. Las tasas de crecimiento colectivo de todas las soluciones tensioactivas a bajas (es decir, 0,1 CMC), medias (es decir, CMC) y altas (es decir, 10 CMC) se presentan en la Figura 7. Debido a que la desviación estándar entre las tres mediciones independientes de cada concentración de surfactante fue <5%, no se presentan barras de error. En general, la solución surfactante inhibió el crecimiento de hidratos en comparación con el agua pura. El tensioactivo que fue más eficaz en la inhibición de la formación de hidratos fue el tristeato de polioxietilenoauria a alta concentración (es decir, 10 CMC). Los hidratos formados con este tensioactivo tuvieron una tasa de crecimiento casi 3 veces más lenta que los hidratos formados con el siguiente mejor tensioactivo (es decir, sorbitane monolaurate a 10 CMC). También encontramos que la formación de cristal más eficiente en términos de inhibición de hidratos era el cristal cónico. También encontramos que los cristales cónicos eran los más eficaces para la inhibición de los hidratos. Debido a que un cristal cónico no puede crecer más allá de un cierto tamaño, el hidrato crece más lento que un cristal plano. Por lo tanto, los tensioactivos que obligan al hidrato a formar cristales cónicos fueron los más eficientes.

Figure 1
Figura 1: Montaje de hardware del dispositivo peltier modular integrado (IMPd). (a) Sistema de control de temperatura ensamblado que muestra la disposición de A) la fuente de alimentación, B) Peltier en disipador térmico, C) sonda de temperatura y D) microcontrolador. (b) Descripción esquemática de los diferentes componentes del sistema IMPd. (c) Esquema de cableado con todos los componentes del bucle de control y las clavijas mostradas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Celda de visualización de hidratación. (aa ) Descripción esquemática de la celda de visualización de hidratos. (b) Diseño de hardware y equipo de montaje: A) fuente de alimentación, B) bomba, C) jeringa, D) disipador térmico, E) celda de visualización de latón, F) lente de cámara, transductor G), H) microcontrolador, I) iluminación. (c) Célula de visualización de latón con cubierta y desecante de sílice. (d) Ruta de fontanería desde la bomba de la jeringa hasta el transductor y el gancho de latón mediante tubos de PTFE y ajuste en T. Reimpreso (adaptado) con permiso de Dann et al.13. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Nucleación por hidrato de semilla. (a) El hidrato de semillas se recogió de la parte inferior de la célula de visualización de hidratos utilizando la punta de una aguja. (b) El hidrato de semilla entra en contacto con la gota de agua para iniciar el proceso de cristalización de hidratos. Reimpreso (adaptado) con permiso de Dann et al.13. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Configuración experimental de recuento de caídas para mediciones de tensión superficial. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Ejemplo de región de hidratación para el análisis de superficie. (aa ) Imagen cruda del hidrato en la gota. (b) El contorno de caída está marcado en rojo, el área de hidratación está marcada en negro. La escala de longitud se determina a partir de la medición del diámetro conocido del tubo de latón en la parte inferior de la imagen. Reimpreso (adaptado) con permiso de Dann et al.13. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Lapsos de tiempo y mediciones de tensión interfacial promedio aparente para los diferentes tipos de cristal. (a) Lapsos de tiempo del crecimiento plano para la baja concentración de surfactantes. (b) Diferencia de presión dentro de la caída leída por el transductor de presión. Los valores de tensión interfacial promedio aparente se evaluaron utilizando la ecuación Young-Laplace como se describe en Dann et al.13. (c) Lapso de tiempo de crecimiento de hidratos cónicos para una alta concentración de surfactantes. (d) El cambio de presión dentro de la gota en relación con t - 0 y los correspondientes valores de tensión interfacial promedio aparente en función del tiempo durante el proceso de crecimiento del hidrato de hidrato. Reimpreso (adaptado) con permiso de Dann et al.13. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Hidratar la tasa de crecimiento para todas las soluciones surfactantes a concentraciones bajas (0,1 CMC), medias (CMC) y altas (10 CMC). Reimpreso (adaptado) con permiso de Dann et al.13. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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

En este artículo describimos una técnica experimental para estudiar la cristalización de hidratos en la interfaz aceite-agua en presencia de tensioactivos no iónicos. El aparato se compone de un sistema de control de temperatura y una celda de visualización que incluye una cámara de latón con ventanas, cámara CMOS y transductor de presión. El sistema de control de temperatura se compone de un microcontrolador, una potente placa Peltier, un enfriador de CPU de 120 mm como el disipador de calor y un sensor de temperatura digital impermeable. Una celda de latón de visualización de hidratos fue diseñada con una cámara fijada en una ventana y un sensor de presión capaz de medir la presión dentro de una gota. Los tensioactivos que fueron probados con el aparato fueron sorbitane monolaurate, monooleato de sorbitano, PEG-PPG-PEG y tristearate de polioxietileno, que se utilizan comúnmente en la industria petrolera. El aparato permite medir la tasa de crecimiento de los cristales de hidrato, así como los cambios de presión interna dentro de las gotas a medida que se someten a cristalización de hidratos. De los cambios de presión se puede extraer el estrés interfacial promedio aparente, que puede indicar la forma del cristal de hidrato.

Este método combina técnicas de visualización y mediciones de presión interna para producir un estrés interfacial promedio aparente. Esto da como resultado la combinación de la forma del cristal de hidrato con el patrón de hacinamiento del tensioactivo en la interfaz.

Los pasos críticos en el protocolo son: (1) poner la cubierta en la celda después de llenar con ciclopentano (25 ml), (2) insertar una gota de agua en la parte inferior de la célula usando una jeringa para servir como hidrato de semilla, (3) bajar la temperatura de la célula a -5 oC y asegurarse de que el hidrato de semillas se convierte en hielo, (4) aumentar la temperatura a 2 oC en incrementos de 0,5 oC, (5) llenar la plomería con solución de agua/surfactante y bajar el gancho de latón en el ciclopentano para equilibrar durante 5 minutos cuando la temperatura en la celda alcanza los 2oC, (6) iniciando las grabaciones de la cámara y del transductor de presión, (7) generando la gota de agua/surfactante del tubo de latón utilizando la bomba de jeringa, y (8) raspando una pequeña cantidad del hidrato previamente formado en la parte inferior de la célula y poniéndolo en breve contacto con la gota, lo que inicia el proceso de formación del hidrato.

El aparato y las técnicas experimentales presentadas se pueden utilizar para estudiar la formación de cristales en interfaces líquidas y el efecto de los tensioactivos en los tipos de cristales y la inhibición del proceso de cristalización.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Los autores agradecen a la American Chemical Society - Petroleum Research Fund (ACS - PFR), número de subvención: PRF n.o 57216-UNI9, por su apoyo financiero.

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).
Estudio de los efectos de surfactante en la cristalización de hidratos en interfaces aceite-agua utilizando un dispositivo de peltier modular integrado de bajo costo
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