Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Chemistry

Düşük Maliyetli Entegre Modüler Peltier Cihazı Kullanarak Yağ-Su Arayüzlerinde Hidrat Kristalizasyonu Üzerine Sürfaktan Etkilerinin İncelenmesi

doi: 10.3791/60391 Published: March 18, 2020

Summary

Siklopentane'ye batırılmış bir su damlacığının arayüzünde nonik yüzey aktif maddelerin varlığında hidrat oluşumunu incelemek için bir protokol sıyoruz. Protokol, düşük maliyetli, programlanabilir, sıcaklık düzenleyicisi oluşturmaktan oluşur. Sıcaklık kontrol sistemi görselleştirme teknikleri ve iç basınç ölçümleri ile birleştirilir.

Abstract

Noniyonik yüzey aktif maddelerin etkisi altında hidratların oluşumunu ve büyümesini incelemek için bir yaklaşım sıyoruz. Deneysel sistem bir sıcaklık düzenleyici, görselleştirme teknikleri ve iç basınç ölçümleri içerir. Sıcaklık kontrol sistemi, katı hal Peltier bileşenlerinden yapılmış düşük maliyetli, programlanabilir bir sıcaklık regülatörü içerir. Sıcaklık kontrol sistemi ile birlikte, niyonik yüzey aktif maddelerin varlığında hidrat oluşumu nu ve inhibisyonu incelemek için görselleştirme teknikleri ve iç basınç ölçümlerini bir araya getirdik. Düşük (yani, 0.1 CMC), orta (yani, CMC) ve yüksek (yani, 10 CMC) konsantrasyonlarında noniyonik yüzeyaktif maddelerin (sorbitane monolaurate, sorbitane monoolelat, PEG-PPG-PEG ve polioksietilenekar tristearate) hidrat inhibe yeteneğini inceledik. İki tür kristal oluşmuştur: düzlemsel ve konik. Düzlemsel kristaller düz su ve düşük yüzey aktif konsantrasyonlarda oluşmuştur. Konik kristaller yüksek yüzey aktif konsantrasyonlarda oluşmuştur. Çalışmanın sonuçları konik kristallerin hidrat inhibisyonu açısından en etkili olduğunu göstermektedir. Konik kristaller belli bir boyutu geçemediği için, konik kristal olarak hidrat büyüme hızı düzlemsel kristal olarak hidrat büyüme hızından daha yavaştır. Bu nedenle, suitileri konik kristaller oluşturmaya zorlayan yüzey aktif maddeler en verimli olandır. Protokolün amacı, yüzey aktif moleküllerin varlığında bir su damlacığı yüzeyinde siklopentane hidrat kristalizasyon sürecini araştırma yeteneğine sahip deneysel bir sistemin ayrıntılı bir açıklamasını sağlamaktır.

Introduction

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

Hidrat kristalizasyon ve inhibisyon mekanizmasını anlamak için teşvik hidratlar petrol boru hatlarında doğal olarak meydana gelen ve akış güvencesi zorluklara neden olabilir aslında geliyor. Örneğin, 2010 Meksika Körfezi petrol sızıntısı1 bir sualtı petrol boru sisteminde hidrat birikimi sonucu, çevreye kirlenmeye neden oldu. Bu nedenle, gelecekteki çevresel felaketleri önlemek için hidrat oluşumu ve inhibisyonu anlamak çok önemlidir. Son yıllarda hidrat kristalizasyon uyrama çalışmaları için itici güç çok hidrat fiş aglomerasyon ve akış sonraki tıkanıklık önlemek için petrol endüstrisinin çabasıdır. Hidratların tıkanmış akışlardan sorumlu olduğunu belirlemek için ilk çalışma Hammerschmidt tarafından 19342yılında yapılmıştır. Bu gün için, petrol üreticileri anlamak ve akış güvencesi için hidrat oluşumunu inhibe etmek son derece önemli bulmak3.

Hidrat oluşumunu önlemenin bir yolu, derin su boru hatlarını izole etmektir, böylece buz oluşmaz. Ancak, boru hatları yeterince izole etmek pahalı, ve ek maliyetler sırayla olabilir $1 milyon/km3. Metanol gibi termodinamik inhibitörler, hidrat oluşumunu önlemek için kuyu başlarına enjekte edilebilir. Ancak, suyun alkole olan büyük hacimsel oranları, 1:1 kadar büyük, hidrat oluşumunu yeterince önlemek için ihtiyaç vardır4. Son zamanlarda, hidrat önleme için metanol kullanmak için küresel maliyet 220.000.000 $ / yıl olarak bildirilmiştir. Bu alkol kullanımı sürdürülebilir bir miktar değildir5. Buna ek olarak, çevreaçısından tehlikeli olduğu için metanol kullanımı sorunludur ve büyük ölçekli taşıma için kullanılamaz5. Alternatif olarak, yüzey aktif maddeler gibi kinetik inhibitörler, hidrat büyümesini küçük miktarlarda ve 20 °C6'yakadar sıcaklıklarda bastırabilir. Bu nedenle, yüzey aktif varlığı hidrat önleme için gerekli alkollerin büyük miktarda azaltabilir.

Sürfaktanlar iki ana nedenden dolayı hidrat kristalizasyonu için iyi inhibitörler olarak kabul edilir:

1) Yüzey özelliği değişiklikleri ile hidrat oluşumunu inhibe edebilirler; ve 2) Başlangıçta hidrat hücrelerinin oluşumuna yardımcı ama boru hattı7aşağı kristal daha fazla büyüme ve aglomerasyon önlemek . Sürfaktanlar etkili inhibitörleri olduğu kanıtlasa da, yüzey aktif maddelerin varlığında kristalizasyon süreciyle ilgili hala büyük miktarda bilgi eksiktir. Bazı çalışmalar, yüzey aktif maddelerin kullanımının bazı subcooling'lerde ilk hidrat kristalizasyon süresini uzatabileceğini göstermiş olsa da, diğer çalışmalar düşük yüzey aktif konsantrasyonlarda istisnalar bulmuştür. Düşük yüzey aktif konsantrasyonlarda, su damlacıkları birleştirme eğilimindedir ve hidrat oluşumu sürecini hızlandırmak8. İnhibisyon süreci, düzlemsel hidrat büyümesini kesintiye uğratan sürfaktan moleküller tarafından açıklanmıştır ve hidrat ıboş-konik kristal oluşumuna zorlanır. Konik kristaller kristal büyüme için mekanik bir bariyer oluşturmak9, ve böylece büyümeyi inhibe.

Bu çalışmada hidrat görüntüleme hücresi ile birlikte düşük maliyetli, entegre modüler Peltier cihazı (IMPd) tasarladık ve uyguladık ve bunları niyonik yüzey aktif maddelerin varlığında siklopentane hidrat oluşumunu incelemek için kullandık. Genellikle derin deniz rezervuarlarında hidratoluşturan düşük molekül ağırlıklı gazlar (örneğin, CH4 ve CO2)yerine siklopentane kullanılmasının nedeni, bu gazların kararlı hidratlar oluşturmak için daha yüksek basınç ve daha düşük sıcaklıklara ihtiyaç duymasın. Siklopentane ortam basıncında hidratlar oluşturduğundan ve ~7.5 °C'ye kadar olan sıcaklıklarda, genellikle hidrat oluşumu10için model malzeme olarak kullanılır.

Entegre modüler Peltier cihazı (IMPd), açık kaynak kodlu mikrodenetleyici, Peltier plaka, CPU soğutucu (ısı emici) ve su geçirmez dijital sıcaklık sensöründen oluşur. Cihaz maksimum sıcaklık diferansiyelini 68 °C olarak sunabilir. Minimum sıcaklık çözünürlüğü 1/16 °C'dir. Elektrik devresi ve donanım ı da dahil olmak üzere tüm sistem 200 dolardan daha az bir fiyata inşa edilebilir. Sıcaklık sensörü mikrodenetleyiciye rapor lanır ve transistöre çıkış sinyalleri gönderir. Transistör daha sonra DC güç kaynağından gelen akımı Peltier elemanından geçirir. Isı emici, Peltier'in sıcak tarafından gelen ısıyı ortam havasına doğru püskürterek Peltier elementinin soğumasına yardımcı olur. IMPd sisteminin monte edilmiş donanım bileşenleri Şekil 1a,b'degösterilmiştir. Şekil 1c, kontrol döngüsünün tüm bileşenleri (orantılı-integral-türevi [PID] denetleyicisi) ve pin-out'ları ile kablo şemasını gösterir. Mikrodenetleyicinin çıkış akımı, R1 kapı rezistansı ile 23 mA (I = 5 V/220 W) maksimum akımla sınırlandırıldı. Şekil 1c'deki çekme rezistansı R2, kapı yükünün dağılmış olmasını ve sistemi kapatmasını sağlar. PID denetleyicisini ayarlamak için Ziegler-Nichols tabanlı yöntemler ve yinelemeli bir işlem kullanılır11. Mikrodenetleyici entegre geliştirme ortamı (IDE) yazılımı, sıcaklık düzenlemesi için mikrodenetleyiciye komutları izlemek ve göndermek için kullanılır.

IMPd ile birlikte görselleştirme teknikleri ve iç basınç ölçümleri kullanarak yeni bir yaklaşım uyguladık. IMPd'nin üzerine yerleştirilen hidrat görüntüleme hücresi, iki çift bölmeli gözlem penceresi ile donatılmış bir pirinç hücreden oluşur. Pencereler siklopentane su damlacıküzerinde hidrat oluşum sürecinin video kaydı sağlar. Tamamlayıcı metal-oksit yarı iletken (CMOS) kamera pencerenin dışına yerleştirilir ve basınç transdüser damla iç basınç ölçümleri almak için su enjeksiyon hattına bağlanır. Basınç transdüserinin okumalarını almak için dijital transdüser uygulaması kullanılır. CMOS kameradaki videoları ve görüntüleri yakalamak için bir kamera görüntüleyici kullanılır. Yazılım pozlama ve anlık görüntü sıklığını kontrol eder. Görüntü işleme yazılım programları hidrat büyümesini izlemek için kullanılır. Şekil 2a hidrat görme hücresinin şematik bir açıklamasını gösterir ve Şekil 2b tüm deneysel sistemin genel görünümünü gösterir. Tohum hidrat(Şekil 2a)tutarlı çekirdekleşme ve hidrat büyüme hızının izlenmesi için gereklidir. Tohum hidrat, hidrat hücresinin zemininde biriken saf suyun küçük bir hacmidir (örn. 50-100°L). Sıcaklık azaldıkça, damla buz oluşturur, bu da sıcaklık arttıkça nemlendirmeye dönüşür. Tohum hidrat küçük bir parça sonra su damlacık temas. Bu işlem, su altında su damlacıkhiditinin başlatılmasını kontrol eder. Silika kurutucu, görüntüleme penceresi olarak hizmet veren iki cam slayt(Şekil 2c)arasındaki boşluğa yerleştirilir. Silika kurutucu pencerelerde buzlanma ve sisleme miktarını azaltmaya yardımcı olur. Sislenmeyi azaltmak için dış pencereye de sis önleyici uygulanır. Görüntüler CMOS kamera ve 28-90 mm lens ile yakalanır. Aydınlatma için 150 W fiber optik kaz yaka lambası kullanılır. Siklopentenin buharlaşmasını sınırlamak için pirinç hücrenin üstüne akrilik kapak yerleştirilir. Sıhhi tesisat esnek politetrafloroetilen (PTFE) tüp ve sert pirinç boru bir arada oluşur. 1 mL cam şırınga ve 19 G iğne ile bir şırınga pompası su ve yüzey aktif çözelti akışını kontrol. Basınç transdüseri, su yüzey aktif çözeltisi damlacığı içindeki basınç değişikliklerini izler. 19 G PTFE borusu şırıngayı T-fitting'a, 1/16 inç (1.588 mm) pirinç boruyu t-fitting'a bağlar (Şekil 2d). 180° virajlı yaklaşık 5 cm uzunluğundaki pirinç kanca, su/yüzey aktif çözelti damlacıkları oluşturur. Büküm, şırınga tarafından üretilen damlacık deneme boyunca tüpün üstüne oturur sağlar. PtFE ezilme ferrules ve PTFE iplik bant ile birlikte 1/16 in. paslanmaz çelik T-fitting parçaları mühür.

Bu cihazı kullanarak, petrol endüstrisinde yaygın olarak kullanılan farklı hidrofilik-lipofilik dengelere (HLB) sahip dört farklı noniyonik yüzey aktif maddeyi inceledik: sorbitane monolaurate, sorbitane monooleat, PEG-PPG-PEG ve polioksietiyelizan 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. Siklopentan su damlacıklarında hidrat oluşumu

NOT: Aşağıda açıklanan deneysel prosedür, girişte açıklanan IMPd ve hidrat görüntüleme hücresi kullanılarak siklopentan bir su damlacıklarında hidrat oluşumunun incelenmesi içindir.

  1. 1 mL cam şırıngaya 19 G iğne takın(Şekil 2b, C).
  2. 1 mL cam şırıngayı ve 19 G iğne 3x'i DI suyla durulayın.
  3. Şırıngayı DI suyuyla doldurun.
  4. Hidrat görüntüleme hücresini(Şekil 2b, E)25 mL siklopentane ile doldurun.
  5. Şırıngayı kullanarak, hidrat görüntüleme hücresinin altına bir DI suyu damlatın (örn. 50−100°L). Bu su damlası tohum hidrat.
    NOT: Damla hidrat görüntüleme hücresinin altına yerleştirilmelidir. Tohum hidratının amacı hidrat oluşumunu başlatmak ve büyüme hızının tutarlı çekirdekleşme ve takibini oluşturmaktır.
  6. Sıcaklık sensörünü hidrat görüntüleme hücresinin içine, hücrenin dibine yakın bir yere yerleştirin.
  7. Siklopentenin buharlaşmasını önlemek için sıvı görüntüleme hücresine akrilik kapak koyun. Kapağı yerinde tutmak için vidakullanın.
  8. Işıkları ve kamerayı odaklanmak için ayarlayın. Tohum hidrat üzerinde odak ayarlayın.
  9. Peltier plakasının sıcaklığını sıcaklık kontrol cihazında -5 °C'ye ayarlayın.
  10. Sıcaklık sensörü tarafından okunan sıcaklık değerlerini kontrol edin.
  11. Sıcaklık -5 °C'ye ulaştığında, alttaki damlacıkların (tohum hidrat) buza dönüştüğünden emin olun.
  12. Peltier plakasının sıcaklığını 0,5 °C'lik artışlarla 2 °C'ye ayarlayın.
  13. Sıcaklık 2 °C'ye ulaştığında, şırıngayı kullanarak tesisatı suyla doldurun ve 5 dakika boyunca dengelemek için siklopentane içine pirinç kancayı indirin.
    NOT: Bu sıcaklık katı buzun hidrata dönüştürülmesini sağlar, çünkü sistem buzun erime noktasının üzerindedir, ancak siklopentane hidratların11'inaltındadır.
  14. Kamerayla kaydetmeye başlayın.
  15. Dijital transdüser kayıtlarını başlatmak için basınç transdüser yazılımında Start Measurement tuşuna basın.
  16. Şırıngayı şırınga pompasına bağlayın.
  17. Şırınga pompasını 2°L'lik bir hacim enjekte etmek ve etkinleştirmek için ayarlayın. Şırınga suyu siklopentane banyosuna daldırarak batık damlacıkoluşturacak.
  18. Tohum hidrat küçük bir parça kaldırmak için bir iğne ucu kullanın.
  19. Su damlacığı üzerindeki hidrat oluşumunu başlatmak için iğne ucunu tohum hidrat parçasıyla(Şekil 3a)su damlacıklarıyla kısa bir temasa getirin (Şekil 3b).
  20. Kamera Record yakalama yazılımında Kaydet'e basın. Damlacık yarımkürenin kristalizasyon işleminin görüntülerini kameradan 1 Hz hızında kaydedin.

2. Siklopentane su yüzey aktif damlacık üzerinde hidrat oluşumu

NOT: Yüzey aktif çözeltilerle hidrat kristalizasyon deneyleri saf su ile aynı şekilde yapılır. Ancak, hidrat kristalizasyonu üzerinde yüzey aktif etkisi çalışma için bir yüzeyaktif çözüm kullanırken her sürfaktan kritik micelle konsantrasyonu (CMC) bulmak için bir ihtiyaç vardır. CMC ya literatür9'da bulunabilir ya da aşağıda açıklanan yöntem kullanılarak.

  1. Her sürat ani yüzeyden ölçülen bir kütleyi deiyonize suya eriterek sorbitane monolaurate, PEG-PPG-PEG ve polioksietilenesorbitan tristearate'nin standart çözeltilerinin 50 mL'ini hazırlayın ve her biri 10-4 g/100 mL-1 g/100 mL arasında değişen farklı bir konsantrasyonu temsil eden 12 çözeltihazırlayın.
  2. Farklı konsantrasyonlarda siklopentane sorbitane monooleat çözeltileri hazırlayın.
    NOT: Siklopentane suda sorbitane monooleat yüksek hidrofobiklik düzeyi ve düşük çözünürlüğü nedeniyle kullanılır. Aynı konsantrasyonlar sorbitane monooleat için de kullanılır.
  3. Dikitmometri yöntemini kullanarak her yüzey aktif çözeltinin yüzey gerilimini ölçün.
    1. Düşen damlaları saymak için şırınga pompasını ve şırıngayı Şekil 4'te gösterildiği gibi dikey olarak yerleştirin.
    2. Pompayı 0,5 mL/dk'lık bir oranda 1 mL çözeltiyi çıkarmak ve damlaları havaya salmak için programlayın.
    3. 1 mL'yi gözlenen damla sayısına bölerek ortalama olarak damla hacmini(V)elde edin.
    4. Her çözümü en az 3x test edin.
    5. Kullanarak interfacial gerilimi hesaplama
      Equation 1
      g yerçekimi nedeniyle ivme olduğu yerde, Δp arabirimdeki yoğunluk değişimidir (yani, yüzey aktif çözeltisi ile hava arasındaki yoğunluk farkı), V damlama hacmidir, F 12 tarafından verilen ampirik bir düzeltmedir
      Equation 2
      NOT: Alternatif olarak, bazı yüzey aktif çözeltilerin yüzey gerilimi literatürde bulunabilir9.
    6. Konsantrasyon un bir fonksiyonu olarak yüzey gerilimini çizin. Yüzey gerilimi, düzleşene ve sabitleşene kadar yüzey aktif konsantrasyonu artan ile azalacaktır.
    7. Her yüzey aktif madde için CMC'yi bulun (yani yüzey geriliminin düzleştiği konsantrasyon) ve deneylerde kullanın.
      NOT: Yüzey aktif konsantrasyonu arttırmak yüzey gerilimini değiştirmez.
  4. Bölüm 1'de deneysel prosedürü tekrarlayın, ancak cmc (yani, 0.1x CMC, 1x CMC ve 10x CMC) ile karşılaştırıldığında çeşitli konsantrasyonlarda su kullanımı yüzey aktif çözeltisi yerine.

3. Görüntü işleme ve yüzler arası stres ölçümleri

NOT: Konik ve düzlemsel hidrat büyümesini takip etmek görsel analiz yöntemleri ile gerçekleştirilir. Kullanılan yazılım programları Malzeme Tablosu'ndaaçıklanmıştır. Kontur algılama ve boyama örneği Şekil 5'tebulunabilir. Kamera sadece küresel damlacık 2D projeksiyon yakalar çünkü, bir 3D yeniden oluşturma yapılması gerekir.

  1. Hidrat büyümesini izleme
    1. Görüntü işleme yazılımını kullanarak görüntü dizisinin ilk görüntüsünü açın.
    2. Görüntüdeki pirinç tüpün uzunluğunu ölçmek için yazılımdaki Uzunluk aracını kullanın.
    3. Resimde pirinç borunun ölçeğini bilinen 1/16 in. (1,588 mm) çapına göre ayarlayın.
    4. Her diziden eşit aralıklı 10 anlık görüntü seçin. Anlık görüntüler, çekirdeklenme noktasından tam damlacık dönüştürmeye kadar tüm işlemi yakalamalıdır.
    5. Seçilen 10 anlık görüntü için ölçek ayarını (3.1.1−3.1.3 adımları) yineleyin.
    6. Her karedeki düşüşün konturunu el ile algılamak için yazılımı kullanın. Konturu kırmızı ile işaretleyin (Şekil 5b).
    7. Her karedeki hidrat konturunu el ile algılamak için yazılımı kullanın. Hidratın tüm alanının tamamını siyah renklendirin (Şekil 5b).
    8. Yüzey alanına bir düzeltme olarak damla bir 3D rekonstrüksiyon oluşturmak için matematiksel modelleme yazılımı kullanın.
      NOT: 3B yüzey alanının yapımı ile ilgili tüm ayrıntılar Dann ve ark.13'teaçıklanmıştır.
  2. Görünür ortalama interfacial stres ölçümleri
    NOT: Basınç transdüserinden toplanan iç basınç verileri kullanılarak görünürde ortalama interfacial stres hesaplanır.
    1. Basınç dönüştürücüsi (ΔP)kaydedilen verileri kullanın.
    2. Her veri noktası için, görünür ortalama interfacial stresi belirlemek için Young-Laplace ilişki14 kullanın(y),
      Equation 3
      R1 ve R2 eğriliğin damlacık yarıçapı ve ΔP damlacık içindeki basınç değişimi t = 0'a göre dir.
      NOT: Damlacık oluşumunu takip eden ilk dönemde iki yarıçap yaklaşık olarak eşittir, bu nedenle Young-Laplace denklemindeki R1 ve R2, önceden belirlenmiş 2 μL damlanın yarıçapı ile değiştirilebilir = 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

Bu deneysel sistemi kullanarak bir yağ-su arayüzünde hidrat oluşumunu incelemek ve kristalizasyon süreci ile ilişkili interfacial stres ölçmek. Şekil 6 hem kristal oluşumu nu hem de interfacial stresi içeren temsili bir sonuç kümesini gösterir. Düzlemsel kabuk büyümesinde(Şekil 6a),kristal iki kutuptan ekvatora doğru büyümüş. Bu nedenle, düzlemsel kristal, hidrat kabuğu sürekli büyüdü. Saf su ve düşük yüzey aktif konsantrasyonlarda hidrat, Şekil 6a'dagörülebileceği gibi düzlemsel bir kabuk morfolojisi oluşturmuştur. Şekil 6b'de gösterilen zaman içinde basınç ve görünür ortalama interfacial stresteki değişim, düzlemsel kabuk morfolojisi için hidrat büyümesi ilerledikçe görünür ortalama interfacial streste kademeli bir düşüş gösterdi. Hidrat büyüdükçe ve yüzeyi kapladıkça, yüzey aktif moleküller için daha az kullanılabilir alan vardı, bu nedenle aynı sayıda yüzey aktif molekülü daha küçük bir yüzey alanını işgal etti ve bu da ortalama yüzler arası stresin azalmasına yol açtı. Konik morfolojisi(Şekil 6c)yüksek yüzey aktif konsantrasyonlarda gözlendi. Burada hidrat konik bir kristal olarak büyüdü. Konik kristal yeterince büyüyünce, koninin bir kısmı damlacık yüzeyinden kurtuldu. Bu büyüme modeli tekrar tekrar salınımlı bir şekilde oldu. Kristal kritik bir boyuta ulaşana kadar büyümeye başladı, sonra kırıldı ve süreç yeniden başladı. Konik kristal büyümeye başladığında, görünür ortalama interfasiyal stres ölçümleri(Şekil 6d)interfacial streste ilk düşüşü göstermiştir. Büyüme sürecinin ilk aşamalarında yüzey aktif moleküller için mevcut yüzey alanı azaltılmıştır. Konik kristal büyüdü ve bir noktada kritik boyutuna ulaştı. Kristalin daha da büyümesi damlacık yüzeyinden ayrılmasıyla sonuçlandı. Yüzeyden koni ayrılması, yüzey aktif moleküller için mevcut yüzeyde ani bir artışa ve yüzler arası streste artışa yol açtı. Bir kristal sonra tekrar büyümeye başladı, hangi görünür ortalama interfacial stres salınımlı bir davranış ile sonuçlandı. Bu salınım davranışı Şekil 6 Figure 6d'degörülebilir.

Hidrat büyümesini izleyerek, yüzey aktif sıvının hidrat oluşumunu inhibe etme yeteneği hakkında bilgi alabiliriz. Tüm yüzey aktif çözümlerin düşük (yani 0,1 CMC), orta (yani, CMC) ve yüksek (yani, 10 CMC) konsantrasyonlarında kolektif büyüme oranları Şekil 7'desunulmuştur. Her yüzey aktif konsantrasyonun üç bağımsız ölçüm arasındaki standart sapma <%5 olduğu için hata çubukları sunulmamıştır. Genel olarak, yüzey aktif çözeltisi saf suya göre hidrat büyümesini inhibe. Hidrat oluşumunu inhibe etmede en etkili olan yüzey aktif madde yüksek konsantrasyonda polioksietilenesorbitan tristearate idi (örn. 10 CMC). Bu yüzey aktif madde ile oluşan hidratlar, bir sonraki en iyi yüzey aktif madde (yani 10 CMC'de sorbitane monolaurate) ile oluşan hidratlardan yaklaşık 3 kat daha yavaş bir büyüme oranına sahipti. Ayrıca hidrat inhibisyonu açısından en etkili kristal oluşumunun konik kristal olduğunu bulduk. Ayrıca konik kristallerin hidrat inhibisyonu için en etkili kristaller olduğunu bulduk. Konik kristal belli bir boyutu geçemediği için hidrat düzlemsel kristalden daha yavaş büyür. Bu nedenle, hidrat konik kristaller oluşturmak için zorlamak yüzey aktif maddeler en verimli idi.

Figure 1
Şekil 1: Entegre Modüler Peltier Cihazının (IMPd) donanım montajı. (a)A) güç kaynağının düzenlenmesini gösteren monte edilmiş sıcaklık kontrol sistemi, B) Soğutucuda Peltier, C) sıcaklık probu ve D) mikrodenetleyici. (b) IMPd sisteminin farklı bileşenlerinin şematik açıklaması. (c) Kontrol döngüsünün tüm bileşenleri ve gösterilen pinout'lar ile kablolama şeması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 2
Şekil 2: Görme hücreyi nemlendirin. (a) Hidrat görüntüleme hücresinin şematik açıklaması. (b)Montaj donanım ve ekipman düzeni: A) güç kaynağı, B) pompa, C) şırınga, D) soğutucu, E) pirinç görselleştirme hücresi, F) kamera lensi, G) dönüştürücü, H) mikrodenetleyici, I) aydınlatma. (c) Kapaklı ve silika kurutuculu pirinç görüntüleme hücresi. (d) PtFE boru ve T-montaj yoluyla şırınga pompası ndan transdüser ve pirinç kanca için sıhhi tesisat yolu. Dann ve ark.13'ünizniyle yeniden basılmıştır (uyarlanmıştır). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 3
Şekil 3: Tohum hidrat ile çekirdekleşme. (a)Tohum hidrat bir iğne ucu kullanılarak hidrat görüntüleme hücresinin alt kısmından alındı. (b) Tohum hidrat, hidrat kristalizasyon işlemini başlatmak için su damlacığı ile temas alar. Dann ve ark.13'ünizniyle yeniden basılmıştır (uyarlanmıştır). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 4
Şekil 4: Yüzey gerilimi ölçümleri için damla sayma deneysel kurulum. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 5
Şekil 5: Yüzey alanı analizi için örnek hidrat bölgesi. (a) Damladaki hidratın ham görüntüsü. (b)Damla konturu kırmızı, hidrat alanı siyah olarak işaretlenir. Uzunluk ölçeği, görüntünün alt kısmındaki pirinç borunun bilinen çapının ölçülmesinden belirlenir. Dann ve ark.13'ünizniyle yeniden basılmıştır (uyarlanmıştır). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 6
Şekil 6: Zaman atlamaları ve farklı kristal türleri için görünür ortalama interfacial stres ölçümleri. (a) Düşük yüzey aktif konsantrasyonu için düzlemsel büyümenin zaman atlamaları. (b) Damla içindeki basınç farkı basınç transdüseri tarafından okunur. Belirgin ortalama interfacial stres değerleri, Dann ve ark.13'teaçıklandığı gibi Young-Laplace denklemi kullanılarak değerlendirildi. (c) Yüksek yüzey aktif konsantrasyonu için konik hidrat büyümesinin zaman atlamalı. (d) Damlacık içindeki basınç değişimi t = 0'a göre ve konik hidratın hidrat büyüme sürecinde zamanın bir fonksiyonu olarak karşılık gelen ortalama interfacial stres değerleri. Dann ve ark.13'ünizniyle yeniden basılmıştır (uyarlanmıştır). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Figure 7
Şekil 7: Düşük (0,1 CMC), orta (CMC) ve yüksek (10 CMC) konsantrasyonlarda tüm yüzey aktif çözeltiler için nemlendirme büyüme hızı. Dann ve ark.13'ünizniyle yeniden basılmıştır (uyarlanmıştır). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

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

Bu makalede, niyonik yüzey aktif maddeler in varlığında yağ-su arabiriminde hidrat kristalizasyonunu incelemek için deneysel bir teknik açıklanmıştır. Cihaz bir sıcaklık kontrol sistemi ve pencereler, CMOS kamera ve basınç dönüştürücü ile bir pirinç oda içeren bir görselleştirme hücresi oluşur. Sıcaklık kontrol sistemi mikrodenetleyici, güçlü Peltier plaka, soğutucu olarak 120 mm CPU soğutucu ve su geçirmez dijital sıcaklık sensöründen oluşur. Bir hidrat görselleştirme pirinç hücre bir pencere ve bir damla içinde basıncı ölçme yeteneğine sahip bir basınç sensörü sabit bir kamera ile tasarlanmıştır. Cihazla test edilen yüzey aktif maddeler, petrol endüstrisinde yaygın olarak kullanılan sorbitane monolaurate, sorbitane monooleat, PEG-PPG-PEG ve polioksietilenesorbitan tristearate idi. Cihaz, hidrat kristallerinin büyüme hızının ölçülmesine ve hidrat kristalizasyonundan geçerken damlaların içindeki iç basınç değişikliklerinin ölçülmesine olanak tanır. Basınç değişikliklerinden biri, hidrat kristalinin şeklini gösteren görünür ortalama interfacial stresi ayıklayabilir.

Bu yöntem görselleştirme teknikleri ve iç basınç ölçümleri görünür ortalama interfacial stres üretmek için birleştirir. Bu, hidrat kristalinin şekliile arayüzdeki yüzey aktif inin kalabalık deseniile biraraya gelen sonuçlar doğurur.

Protokoldeki kritik adımlar şunlardır: (1) siklopentane (25 mL) ile dolduruldıktan sonra hücrenin kapağını koymak, (2) tohum hidratı olarak hizmet vermek için şırınga kullanarak hücrenin dibine bir su damlacığı yerleştirmek, (3) hücrenin sıcaklığını -5 °C'ye düşürmek ve tohum hidratının buza dönüşmesini sağlamak, (4) sıcaklığı 0,5 °C'de 2 °C'ye çıkarmak, (5) sıhhi tesisatı su/yüzeyaktif çözeltiile doldurmak ve hücredeki sıcaklık 5 dakika boyunca dengelemek için siklopentane içine pirinç kancayı düşürmek 2 °C'ye ulaşır, (6) kamera ve basınç transdüser kayıtlarını başlatmak, (7) şırınga pompasını kullanarak pirinç tüpten su/sürfaktan damlacık üretir ve (8) daha önce hücrenin alt kısmında oluşan hidratın küçük bir miktarını kazıyArak hidrat oluşumusürecini başlatan damlacıkla kısa bir temasa getirir.

Sunulan aparat ve deneysel teknikler, sıvı arabirimlerde kristaloluşumunu ve yüzey aktif maddelerin kristal türleri üzerindeki etkisini ve kristalizasyon sürecinin inhibisyonu üzerine çalışmak için kullanılabilir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Acknowledgments

Yazarlar Amerikan Kimya Derneği teşekkür - Petrol Araştırma Fonu (ACS - PFR), hibe numarası: PRF # 57216-UNI9, mali destek için.

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).
Düşük Maliyetli Entegre Modüler Peltier Cihazı Kullanarak Yağ-Su Arayüzlerinde Hidrat Kristalizasyonu Üzerine Sürfaktan Etkilerinin İncelenmesi
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