Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Chemistry

Studera ytaktiva effekter på hydratkristallisering vid oljevatten gränssnitt med hjälp av en billig integrerad modulär Peltier Device

doi: 10.3791/60391 Published: March 18, 2020

Summary

Vi presenterar ett protokoll för att studera bildandet av hydrater i närvaro av icke joniska ytaktiva ämnen på gränssnittet för en vattendroppe nedsänkt i cyclopentane. Protokollet består av att bygga en billig, programmerbar temperaturregulator. Temperaturkontrollsystemet kombineras med visualiseringstekniker och interna tryckmätningar.

Abstract

Vi introducerar en metod för att studera bildandet och tillväxten av hydrater under påverkan av icke joniska ytaktiva ämnen. Det experimentella systemet innehåller en temperaturregulator, visualiseringstekniker och inre tryckmätningar. Temperaturkontrollsystemet innehåller en låg kostnad, programmerbar temperaturregulator gjord med solid-state Peltier komponenter. Tillsammans med temperaturkontrollsystemet införlivade vi visualiseringstekniker och interna tryckmätningar för att studera hydratbildning och hämning i närvaro av icke-joniska ytaktiva ämnen. Vi studerade hydrathämmande förmåga nonionic ytaktiva ämnen (sorbitan monolaurate, sorbitane monooleate, PEG-PPG-PEG och polyoxyethyllenesorbitan tristearate) vid låga (dvs. 0,1 CMC), medium (dvs. CMC) och höga (dvs. 10 CMC) koncentrationer. Två typer av kristaller bildades: plana och koniska. Planar kristaller bildades i vanligt vatten och låga ytaktiva koncentrationer. Koniska kristaller bildades i höga ytaktiva koncentrationer. Resultaten av studien visar att koniska kristaller är de mest effektiva när det gäller hydrathämning. Eftersom koniska kristaller inte kan växa förbi en viss storlek, är hydrattillväxt som en konisk kristall långsammare än hydrattillväxt som plana kristall. Därför är ytaktiva ämnen som tvingar hydrater för att bilda koniska kristaller de mest effektiva. Målet med protokollet är att ge en detaljerad beskrivning av ett experimentellt system som kan undersöka cyklopentanhydrat kristalliseringsprocessen på ytan av en vattendroppe i närvaro av ytaktiva molekyler.

Introduction

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

Incitamentet att förstå mekanismen för hydratkristallisering och hämning kommer från det faktum att hydrater förekommer naturligt i oljeledningar och kan resultera i svårigheter i flödessäkring. Till exempel var 2010 Mexikanska golfen oljeutsläpp1 ett resultat av hydratansamling i ett undervattensoljerör system, orsakar föroreningar till miljön. Därför är förståelsen för hydratbildning och hämning avgörande för att förhindra framtida miljökatastrofer. Mycket av drivkraften för studier av hydratkristallisering under de senaste åren är oljeindustrins ansträngningar att förhindra hydratplugga gytter och den efterföljande blockeringen av flödet. Den första studien för att fastställa att hydrater var ansvariga för pluggade flowlines gjordes av Hammerschmidt 19342. Till denna dag, oljeproducenter tycker att det är mycket viktigt att förstå och hämma hydratbildning för flödesförsäkring3.

Ett sätt att förhindra hydratbildning är att isolera djupvattenledningar så att isen inte bildas. Det är dock dyrt att tillräckligt isolera rörledningarna, och de extra kostnaderna kan vara i den ordning som $ 1 miljon / km3. Termodynamiska hämmare, såsom metanol, kan injiceras i brunnshuvuden för att förhindra bildandet av hydrater. Emellertid, stora volymetriska förhållanden av vatten till alkohol, så stor som 1:1, behövs för att på lämpligt sätt förhindra bildandet av hydrater4. Nyligen har den globala kostnaden för att använda metanol för hydrat förebyggande rapporterats som $ 220 miljoner / år. Detta är inte en hållbar mängd alkoholanvändning5. Dessutom är användningen av metanol problematisk eftersom den är miljöfarlig och inte kan användas för storskaliga transporter5. Alternativt kan kinetiska hämmare, såsom ytaktiva ämnen, undertrycka hydrattillväxt vid små mängder och temperaturer på upp till 20 °C6. Därför kan ytaktiv närvaro minska den stora mängden alkoholer som behövs för hydrat förebyggande.

Ytaktiva ämnen anses vara bra hämmare för hydratkristallisering på grund av två huvudsakliga skäl:

1) De kan hämma hydratbildning genom förändringar ytegenskap; och 2) De hjälper inledningsvis bildandet av hydratceller men förhindra ytterligare tillväxt och tätbebyggelse av kristallen ner rörledningen7. Även om ytaktiva ämnen har visat sig vara effektiva hämmare, det finns fortfarande en stor mängd information som saknas om kristalliseringsprocessen i närvaro av ytaktiva ämnen. Medan vissa studier har visat att användningen av ytaktiva ämnen kan förlänga den ursprungliga hydratkristalliseringstiden vid vissa underkylningar, har andra studier funnit undantag vid låga ytaktiva koncentrationer. Vid låga ytaktiva koncentrationer tenderar vattendropparna att smälta samman och påskynda processen för hydratbildning8. Hämningsprocessen har förklarats av ytaktiva molekyler som avbryter hyvlingshydrattillväxt, vilket tvingar hydratn till ihålig konisk kristallbildning. De koniska kristallerna bildar en mekanisk barriär för kristalltillväxt9, och därmed hämma tillväxten.

I denna studie designade och implementerade vi en billig, integrerad modulär Peltier-enhet (IMPd) tillsammans med en återfuktande visualiseringscell och använde dem för att studera cyklopentanhydratbildning i närvaro av icke joniska ytaktiva ämnen. Anledningen till att använda cyklopentan i stället för gaser4 med låg2molekylvikt (t.ex. Eftersom cyklopentan bildar hydrater vid omgivningstryck och temperaturer upp till ~7,5 °C används det ofta som modellmaterial för hydratbildning10.

Den integrerade modulära Peltier enheten (IMPd) består av en öppen källkod mikrokontroller, Peltier platta, CPU-kylare (kylfläns), och vattentät digital temperatursensor. Enheten kan leverera en maximal temperaturskillnad på 68 °C. Den lägsta temperaturupplösningen är 1/16 °C. Hela systemet, inklusive elektriska kretsar och hårdvara, kan konstrueras för mindre än $ 200. Temperatursensorn rapporterar till mikrokontrollern, som skickar utsignaler till transistorn. Transistorn passerar sedan ström från DC-kraftkällan genom Peltier-elementet. Kylflänsen hjälper till att kyla Peltier-elementet genom att konvektera värmen som kommer från den varma sidan av Peltier till den omgivande luften. De monterade maskinvarukomponenterna i IMPD-systemet visas i figur 1a,b. Figur 1c visar ledningarna schematiska med alla komponenter i styrslingan (proportionell-integral-derivat [PID] controller) och pin-outs. Utströmmen för mikrokontrollern begränsades med grindmotståndet R1 till en maximal ström på 23 mA (I = 5 V/220 W). Pull-down-motstånd R2 i figur 1c gör att grindladdningen kan försvinna och stänga av systemet. För att ställa in PID controller, Ziegler-Nichols baserade metoder i kombination med en iterativ process används11. Mikrokontroller integrerad utvecklingsmiljö (IDE) programvara används för att övervaka och skicka kommandon till mikrokontroller för temperaturreglering.

Tillsammans med IMPd tillämpade vi en ny metod med visualiseringstekniker och interna tryckmätningar. Den återfuktande visualiseringscellen, som placeras ovanpå IMPd, består av en mässingscell utrustad med två dubbelpanorerade observationsfönster. Fönstren tillåter videoinspelning av hydratbildningsprocessen på vattendroppen i cyklopentan. Den kompletterande halvledarkameran med metalloxid (CMOS) placeras utanför fönstret och tryckgivaren är ansluten till vatteninsprutningsledningen för att få de interna tryckmätningarna av droppen. En digital givare ansökan används för att få avläsningar från tryckgivaren. En kameravisare används för att fånga videor och bilder från CMOS-kameran. Programvaran styr exponeringen och ögonblicksbildfrekvensen. Bildbehandlingsprogram används för att spåra tillväxten av hydratet. Figur 2a visar en schematisk beskrivning av hydratvisualiseringscellen och figur 2b visar en översikt över hela det experimentella systemet. Fröhydratn (figur 2a) krävs för konsekvent kärnbildning och spårning av hydrattillväxthastigheten. Fröhydratet är en liten volym (t.ex. 50–100 μl) rent vatten som deponerats på hydratcellens golv. När temperaturen sjunker bildar droppen is, som sedan vrids till hydrat när temperaturen ökar. Den lilla biten av fröhydratn kommer sedan i kontakt med vattendroppen. Denna process styr initieringen av hydratet i den nedsänkta vattendroppe. Kiseldioxid torkmedel sätts in i gapet mellan de två glasglas (figur 2c), som fungerar som visning fönster. Den kiseldioxid torkmedel hjälper till att minska mängden glasyr och imma på fönstren. Anti-fog appliceras också på det yttre fönstret för att minska imma. Bilder fångas med en CMOS-kamera och en 28–90 mm lins. En 150 W fiberoptisk gåshalslampa används för belysning. Ett akryllock placeras ovanpå mässingscellen för att begränsa avdunstningen av cyklopentan. VVS består av en kombination av flexibla polytetrafluoreten (PTFE) slangar och styv mässing slang. En sprutpump med en 1 ml glasspruta och en 19 G nål styr flödet av vatten och ytaktiv lösning. En tryckgivare övervakar tryckförändringarna inuti vattensyvlarlösningsdroppen. 19 G PTFE-slangen ansluter sprutan till T-monteringen och 1/16 tum (1,588 mm) mässingsslangen förbinder givaren och mässingskroken med T-fästet (figur 2d). En mässing krok, ca 5 cm i längd med en 180 ° böj, genererar vatten / ytaktiva lösning droppe. Böjen säkerställer att droppen som genereras av sprutan sitter ovanpå röret under hela experimentet. En 1/16 in. rostfritt stål T-montering i samband med PTFE krossa ferrules och PTFE gängtejp täta beslag.

Med hjälp av denna apparat undersökte vi fyra olika nonioniska ytaktiva ämnen med olika hydrofil-lipofila saldon (HLB) som ofta används inom oljeindustrin: sorbiten monolaurat, sorbitan monooleat, PEG-PPG-PEG och polyoxyetyllenesorbitan tristearat.

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. Hydratbildning på vattendroppe i cyklopentan

OBS: Det experimentella förfarande som beskrivs nedan är för studier av hydratbildning på en vattendroppe i cyklopentan med hjälp av IMPd och hydrat visualisering cell som beskrivs i inledningen.

  1. Fäst en 19 G-nål på 1 ml-glasssprutan (bild 2b, C).
  2. Skölj sprutan på 1 ml glas och 19 G nål 3x med DI-vatten.
  3. Fyll sprutan med DI-vatten.
  4. Fyll hydratvisualiseringscellen (figur 2b, E) med 25 ml cyklopentan.
  5. Sätt i en droppe DI-vatten (dvs. 50−100 μL) längst ned i hydratvisualiseringscellen. Denna vattendroppe är fröhydrat.
    OBS: Droppen ska placeras längst ner i hydratvisualiseringscellen. Syftet med fröhydratet är att initiera bildandet av hydratet och att bilda konsekvent kärnbildning och spårning av tillväxttakten.
  6. Placera temperatursensorn inuti hydratvisualiseringscellen, nära cellens botten.
  7. Sätt akryllocket på hydratvisualiseringscellen för att förhindra avdunstning av cyklopentanen. Använd skruvar för att hålla locket på plats.
  8. Justera lamporna och kameran för att fokusera. Justera fokus på fröhydrat.
  9. Ställ in peltierplattans temperatur på -5 °C i temperaturkontrollanordningen.
  10. Kontrollera temperaturvärdena som temperaturgivaren läser av.
  11. När temperaturen når -5 °C, se till att droppen i botten (fröhydrat) blir till is.
  12. Ställ in temperaturen på Peltierplattan till steg om 2 °C.
  13. När temperaturen når 2 °C, fyll VVS med vatten med hjälp av sprutan och sänk mässingskroken i cyklopentanen för att balansera i 5 min.
    OBS: Denna temperatur säkerställer att den fasta isen omvandlas till hydrat, eftersom systemet ligger ovanför isens smältpunkt, men under den cyklopentaiskahydraterna 11.
  14. Börja spela in med kameran.
  15. Tryck på Startmätningen på tryckgivarens programvara för att starta de digitala givarinspelningarna.
  16. Anslut sprutan till sprutpumpen.
  17. Ställ in sprutpumpen så att den injicerar en volym på 2 μL och aktiverar. Sprutan kommer att kasta vattnet i cyklopentan badet för att bilda den nedsänkta droppen.
  18. Använd en nålspets för att ta bort en liten bit av fröhydratn.
  19. Ta nålspetsen med den bit fröhydrat (figur 3a) i kort kontakt med vattendroppen (figur 3b) för att initiera hydratbildningen på vattendroppen.
  20. Tryck på Spela in på kameran fånga programvara. Spela in bilder av kristalliseringsprocessen på dropphalvklotet från kameran vid 1 Hz.

2. Hydratbildning på vattenseraktämne i cyklopentan

OBS: Hydratkristalliseringsexperiment med ytaktiva lösningar utförs på samma sätt som rent vatten. Men när du använder en ytaktiv lösning för att studera den ytaktiva effekten på hydratkristallisering finns det ett behov av att hitta den kritiska micelle koncentrationen (CMC) av varje ytaktivt företag. CMC kan antingen hittas i litteraturen9 eller med den metod som beskrivs nedan.

  1. Förbered 50 ml standardlösningar av sorbitan monolaurate, PEG-PPG-PEG och polyoxyetyllensorbitan tristearate genom att upplösa en uppmätt massa av varje ytaktivt medel i avjoniserat vatten för att förbereda en serie av 12 lösningar av varje ytaktivt företag, var och en representerar en annan koncentration från 10-4 g/100 mL-1 g/100 mL.
  2. Förbered lösningar av sorbitane monooleat i cyklopentan vid olika koncentrationer.
    OBS: Cyklopentan används på grund av den höga hydrofobiska nivån och den låga lösligheten hos sorbitanemonoleat i vatten. Samma koncentrationer används för sorbitane monooleat samt.
  3. Mät ytspänningen för varje ytaktiv lösning med stalagmometrimetoden.
    1. Placera sprutpumpen och sprutan vertikalt enligt figur 4 för att räkna fallfall.
    2. Programmera pumpen att driva ut 1 ml lösning med en hastighet av 0,5 ml/min och släpp dropparna i luften.
    3. Få droppvolymen (V) som ett genomsnitt genom att dividera 1 ml med antalet observerade droppar.
    4. Testa varje lösning minst 3x.
    5. Beräkna interfacial spänning med
      Equation 1
      där g är accelerationen på grund av gravitationen, Δp är densitetsförändringen vid gränssnittet (dvs. densitetsskillnaden mellan ytaktiv lösning och luft), V är droppvolymen, F är en empirisk korrigering som anges av12
      Equation 2
      OBS: Alternativt kan ytspänning av vissa ytaktiva lösningar hittas i litteraturen9.
    6. Rita ytspänningen som en funktion av koncentrationen. Ytspänningen kommer att minska med ökande ytaktiv koncentration tills den plattar till och blir konstant.
    7. Hitta CMC för varje ytaktivt material (dvs. koncentrationen där ytspänningen plattar) och använda den i experimenten.
      OBS: Om du ökar ytaktiva koncentrationen ändras inte ytspänningen.
  4. Upprepa försöksförfarandet i avsnitt 1, men i stället för vatten använd ytaktiv lösning vid olika koncentrationer jämfört med CMC (dvs. 0,1 x CMC, 1x CMC och 10x CMC).

3. Bildbehandling och interfacial stressmätningar

OBS: Spårning av den koniska och planarhydrattillväxten utförs med visuella analysmetoder. De program som används beskrivs i tabellen över material. Ett exempel på konturdetektering och färg finns i figur 5. Eftersom kameran bara fångar 2D-projektion av den sfäriska droppen, måste en 3D-rekonstruktion skapas.

  1. Spåra hydratetillväxten
    1. Öppna den första bilden av bildsekvensen med hjälp av bildbehandlingsprogram.
    2. Använd längdverktyget i programvaran för att mäta längden på mässingsröret i bilden.
    3. Ställ in mässingsrörets skala i bilden baserat på den kända diametern 1/16 tum(1,588 mm).
    4. Välj 10 lika fördelade ögonblicksbilder från varje sekvens. Ögonblicksbilderna bör fånga hela processen, från kärnpunkten till fullständig droplet konvertering.
    5. Upprepa skalningsinställningen (steg 3.1.1−3.1.3) för de 10 valda ögonblicksbilderna.
    6. Använd programvaran för att manuellt upptäcka konturen av droppen i varje ram. Markera konturen i rött (bild 5b).
    7. Använd programvaran för att manuellt upptäcka konturen av hydratet i varje ram. Färga hela området för hela området av hydratet i svart (Figur 5b).
    8. Använd matematisk modellering programvara för att bilda en 3D-rekonstruktion av droppe som en korrigering av ytan.
      OBS: Fullständig information om byggandet av 3D-ytan beskrivs i Dann et al.13.
  2. Skenbara genomsnittliga interfaciala stressmätningar
    OBS: Skenbar genomsnittlig interfacial stress beräknas med hjälp av interna tryckdata som samlats in från tryckgivaren.
    1. Använd de inspelade data från tryckgivaren (ΔP).
    2. För varje datapunkt ska du använda Relationen Young-Laplace14 för att fastställa den uppenbara genomsnittliga interfaciala stressen (y),
      Equation 3
      där R1 och R2 är krökningsradier och ΔP är tryckförändringen i droppen i förhållande till t = 0.
      OBS: Under den inledande perioden efter droppbildningen är de två raderna ungefär lika, varför R1 och R2 i Young-Laplace ekvationen kan ersättas med radien för den förutbestämda 2 μL droppe lika med R = 782 μm.

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

Med hjälp av detta experimentella system kan man undersöka hydratbildningen vid oljevattengränssnittet och mäta den interfaciala stress som är associerad med kristalliseringsprocessen. Figur 6 visar en representativ uppsättning resultat som omfattar både kristallbildning och interfacial stress. I planar skal tillväxt (Figur 6a), kristallen växte från de två polerna mot ekvatorn. Av den anledningen, i plana kristallen, växte hydrateskalet ständigt. I rent vatten och låga ytaktiva koncentrationer bildade hydratet en planar skalmorfologi, vilket kan ses i figur 6a. Den förändring av trycket och den uppenbara genomsnittliga interfaciala stressen över tiden som visas i figur 6b visade en gradvis minskning av den uppenbara genomsnittliga interfaciala stressen i takt med att hydrattillväxten fortskred för hyvelsmorfologin. Eftersom hydratet växte och täckte ytan fanns det mindre tillgängligt område för de ytaktiva molekylerna, därav samma antal ytaktiva molekyler ockuperade en mindre yta, vilket resulterade i minskad uppenbar genomsnittlig interfacial stress. Den koniska morfologi (figur 6c) observerades i höga ytaktiva koncentrationer. Här växte hydratn som en konisk kristall. När den koniska kristallen blev tillräckligt stor, bröt en del av konen fri från droppytan. Detta tillväxtmönster hände om och om igen på ett svängande sätt. Kristallen började växa tills den nådde en kritisk storlek, då den bröt och processen började om igen. Uppenbara genomsnittliga interfaciala stressmätningar (figur 6d) visade en initial minskning av interfacial stress som konisk kristall började växa. I de inledande stadierna av tillväxtprocessen fanns en minskning av tillgänglig yta för de ytaktiva molekylerna. Den koniska kristallen växte och vid något tillfälle nått sin kritiska storlek. Ytterligare tillväxt av kristallen resulterade i lossnar från droppens yta. Konuppbrott från ytan resulterade i en plötslig ökning av den tillgängliga ytan för ytaktiva molekyler och en ökning av den interfaciala stressen. En kristall började sedan växa igen, vilket resulterade i ett svängande beteende av den uppenbara genomsnittliga interfacial stress. Detta svängande beteende kan ses i figur 6d.

Genom att spåra hydrattillväxten kan vi få information om ytaktiva ämnens förmåga att hämma hydratbildningen. Den kollektiva tillväxttakten för alla ytaktiva lösningar vid låga (dvs. 0,1 CMC), medium (dvs. CMC) och höga (dvs. 10 CMC) koncentrationer presenteras i figur 7. Eftersom standardavvikelsen bland de tre oberoende mätningarna av varje ytaktiv koncentration var <5%, presenteras inte felstänger. I allmänhet hämmade ytaktiv lösning hydrattillväxt jämfört med rent vatten. Det ytaktiva ämnet som var mest effektivt när det gäller att hämma hydratbildningen var polyoxyetylensorbitanty vid hög koncentration (dvs. 10 CMC). De hydrater som bildas med detta ytaktiva ämnen hade en tillväxttakt nästan 3x långsammare än de hydrater som bildas med det näst bästa ytaktiva (dvs. sorbitan monolaurate vid 10 CMC). Vi fann också att den mest effektiva kristallbildningen när det gäller hydrathämning var den koniska kristallen. Vi fann också att koniska kristaller var de mest effektiva för hydrathämning. Eftersom en konisk kristall inte kan växa förbi en viss storlek, växer hydrat långsammare än en plana kristall. Därför var ytaktiva ämnen som tvingar hydratn att bilda koniska kristaller de mest effektiva.

Figure 1
Bild 1: Maskinvarumontering av den integrerade modulära Peltier-enheten (IMPd). a) Monterat temperaturkontrollsystem som visar placeringen av A) strömförsörjningen, B) Peltier på kylfläns, C) temperatursond och D) mikrokontroller. b)Schematisk beskrivning av impd-systemets olika komponenter. (c)Kabelschemat med alla komponenter i styrslingan och de pinouts som visas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 2
Bild 2: Återfukta visualiseringscellen. (a)Schematisk beskrivning av hydratvisualiseringscellen. b)Montering av hårdvara och utrustning layout: A) strömförsörjning, B) pump, C) spruta, D) kylfläns, E) mässing visualisering cell, F) kameralins, G) givare, H) mikrokontroller, I) belysning. c)Mässingsvisualiseringscell med lock och kiseldioxidmatmedel. d)VVS-väg från sprutpumpen till givaren och mässingskroken via PTFE-slangen och T-fäste. Omtryckt (anpassad) med tillstånd från Dann et al.13. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Kärnbildning med fröhydrat. (a)Fröhydratet plockades från botten av hydratvisualiseringscellen med hjälp av spetsen på en nål. b)Fröhydratet kommer i kontakt med vattendroppen för att initiera hydratkristalliseringsprocessen. Omtryckt (anpassad) med tillstånd från Dann et al.13. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: Droppräkning experimentell inställning för ytspänningsmätningar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 5
Figur 5: Exempel på hydratområde för ytanalys. (a)Rå bild av hydratet på droppen. b)Droppkonturen är markerad i rött, hydratområdet är märkt i svart. Längdskalan bestäms genom mätning av mässingsrörets kända diameter längst ner på bilden. Omtryckt (anpassad) med tillstånd från Dann et al.13. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 6
Figur 6: Tidsluckor och uppenbara genomsnittliga interfaciala stressmätningar för de olika kristalltyperna. (a)Tidsfördröjningar av plana tillväxt för låg ytaktiv koncentration. b)Tryckskillnaden inuti droppen som avläss av tryckgivaren. De uppenbara genomsnittliga interfaciala stressvärdena utvärderades med hjälp av Young-Laplace ekvationen som beskrivs i Dann et al.13. c)Tidsfördröjning av konisk hydrattillväxt för hög ytaktiv koncentration. d)Tryckförändringen i droppen i förhållande till t = 0 och motsvarande skenbara genomsnittliga interfaciala spänningsvärden som en funktion av tiden under den koniska hydratens hydrattillväxtprocess. Omtryckt (anpassad) med tillstånd från Dann et al.13. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 7
Figur 7: Hydrattillväxt för alla ytaktiva lösningar vid låga (0,1 CMC), medelstora (CMC) och höga (10 CMC) koncentrationer. Omtryckt (anpassad) med tillstånd från Dann et al.13. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

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

I den här artikeln beskriver vi en experimentell teknik för att studera hydratkristallisering vid olje-vatten gränssnittet i närvaro av icke-joniska ytaktiva ämnen. Apparaten består av ett temperaturkontrollsystem och en visualiseringscell som innehåller en mässingskammare med fönster, CMOS-kamera och tryckgivare. Temperaturkontrollsystemet består av en mikrokontroller, kraftfull Peltier platta, 120 mm CPU-kylare som kylfläns, och en vattentät digital temperatursensor. En hydrat visualisering mässing cell utformades med en kamera fast vid ett fönster och en trycksensor som kan mäta trycket inuti en droppe. De ytaktiva ämnen som testades med apparaten var sorbiten monolaurate, sorbitane monooleate, PEG-PPG-PEG och polyoxyethyllenesorbitan tristearate, som vanligen används i oljeindustrin. Apparaten gör det möjligt att mäta tillväxthastigheten hos hydratkristallen samt det inre trycket förändras inuti dropparna när de genomgår hydratkristallisering. Från pressaändringarna kan en extraktet den påtagliga genomsnittliga interfacial spänningen, som kan indikera forma av hydratkristallen.

Denna metod kombinerar visualiseringstekniker och interna tryckmätningar för att producera uppenbar genomsnittlig interfacial stress. Detta resulterar i en kombination av formen på hydrate kristallen med trängsel mönster av ytaktiva ämnen vid gränssnittet.

De kritiska stegen i protokollet är: (1) att sätta locket på cellen efter fyllning med cyklopentan (25 ml), (2) att sätta in en vattendroppe i cellens botten med hjälp av en spruta för att fungera som en fröhydrat, (3) sänka temperaturen i cellen till -5 °C och se till att fröhydratn förvandlas till is, (4) att temperaturen till 2 °C i steg om 0,5 °C, (5) fyller VVS med vatten/ytaktiv lösning och sänker mässingskroken till cyklopentan till ekvilibratet i 5 min när temperaturen i cellen når 2 °C, (6) start av kameran och tryckgivarens inspelningar,(7) som genererar vatten-/ytaktiva droppen från mässingsröret med hjälp av sprutpumpen och (8) skrapar en liten mängd av den hydrat som tidigare bildats på cellens undersida och för in den i kort kontakt med droppen, vilket initierar hydratbildningsprocessen.

Den apparat och de experimentella tekniker som presenteras kan användas för att studera bildandet av kristaller vid flytande gränssnitt och effekten av ytaktiva ämnen på de typer av kristaller och hämning av kristalliseringsprocessen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Författarna tackar American Chemical Society - Petroleum Research Fund (ACS - PFR), bidragsnummer: PRF # 57216-UNI9, för ekonomiskt stöd.

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).
Studera ytaktiva effekter på hydratkristallisering vid oljevatten gränssnitt med hjälp av en billig integrerad modulär Peltier Device
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