Summary
Dit document beschrijft een protocol samen met een vergelijkende studie van twee microfluïde fabricagetechnieken, namelijk fotolithografie/wet-etching/thermisch-bonding en Selective Laser-induced Etching (SLE), die geschikt zijn voor hogedrukomstandigheden. Deze technieken vormen het mogelijk maken van platforms voor directe observatie van de vloeistofstroom in surrogaatdoorlatende media en gebroken systemen onder reservoiromstandigheden.
Abstract
Drukbeperkingen van veel microfluïde platforms zijn een belangrijke uitdaging geweest in microfluïde experimentele studies van gebroken media. Als gevolg hiervan zijn deze platforms niet volledig benut voor directe observatie van hogedruktransporten bij breuken. Dit werk introduceert microfluïde platforms die directe observatie van multifase stroom in apparaten met surrogaat permeabele media en gebroken systemen mogelijk te maken. Dergelijke platforms bieden een pad om belangrijke en tijdige vragen aan te pakken, zoals die met betrekking tot CO 2-afvang, -gebruik en -opslag. Dit werk geeft een gedetailleerde beschrijving van de fabricagetechnieken en een experimentele opstelling die kan dienen om het gedrag van superkritisch CO2 (scCO2)schuim, de structuur en stabiliteit ervan te analyseren. Dergelijke studies bieden belangrijke inzichten met betrekking tot verbeterde olieherstelprocessen en de rol van hydraulische breuken in het herstel van hulpbronnen uit onconventionele reservoirs. Dit werk presenteert een vergelijkende studie van microfluïde apparaten ontwikkeld met behulp van twee verschillende technieken: fotolithografie / wet-etsen / thermisch-binding versus Selectieve Laser-geïnduceerde Etching. Beide technieken resulteren in apparaten die chemisch en fysiek resistent zijn en tolerant zijn voor hoge druk- en temperatuuromstandigheden die overeenkomen met ondergrondse systemen van belang. Beide technieken bieden trajecten naar zeer nauwkeurige geëtste microkanalen en capabele lab-on-chip apparaten. Fotolithografie / wet-etsen, echter, maakt de fabricage van complexe kanaal netwerken met complexe geometrieën, die een uitdagende taak voor laser etsing technieken zou zijn. Dit werk vat een stapsgewijze fotolithografie, wet-etsen en glas thermisch-bonding protocol en, presenteert representatieve waarnemingen van schuim transport met relevantie voor olie herstel van onconventionele strakke en schalie formaties. Ten slotte beschrijft dit werk het gebruik van een monochromatische sensor met hoge resolutie om scCO2-schuimgedrag waar te nemen waarbij het geheel van het doorlatende medium tegelijkertijd wordt waargenomen met behoud van de resolutie die nodig is om functies op te lossen zo klein als 10 μm.
Introduction
Hydraulische breuken wordt al geruime tijd gebruikt als middel om de doorstroming te stimuleren, vooral in strakke formaties1. Grote hoeveelheden water die nodig zijn bij hydraulische breuken worden verergerd met omgevingsfactoren, waterbeschikbaarheidsproblemen2, vormingsschade3, kosten4 en seismische effecten5. Als gevolg hiervan neemt de interesse in alternatieve breekmethoden zoals waterloze breuken en het gebruik van schuimen toe. Alternatieve methoden kunnen belangrijke voordelen opleveren, zoals vermindering van het watergebruik6, compatibiliteit met watergevoelige formaties7, minimaal tot geen pluging van de formatie8, hoge zichtbare viscositeit van de brekende vloeistoffen9, recycleerbaarheid10, gemak van sanering en proppant draagvermogen6. CO2-schuim is een potentiële waterloze breekvloeistof die bijdraagt aan een efficiëntere productie van aardolievloeistoffen en verbeterde CO2-opslagcapaciteiten in de ondergrond met een potentieel kleinere ecologische voetafdruk in vergelijking met conventionele breektechnieken6,7,11.
Onder optimale omstandigheden biedt superkritisch CO2-schuim (scCO2-schuim) bij druk boven de minimale miscibilitydruk (MMP) van een bepaald reservoir een multi-contact miscible systeem dat in staat is om direct in minder doorlatende delen van de formatie te stromen, waardoor de efficiëntie van de sweep en het herstel van de hulpbronnen12,13wordt verbeterd . scCO2 levert gas zoals diffusiviteit en vloeistofachtigedichtheid 14 en is zeer geschikt voor ondergrondse toepassingen, zoals olieterugwinning en koolstofafvang, gebruik en opslag (CCUS)13. De aanwezigheid van de bestanddelen van schuim in de ondergrond helpt het risico op lekkage bij langdurige opslag van CO215te verminderen . Bovendien kunnen gekoppelde compressibiliteits-thermische schokeffecten van scCO2-schuimsystemen dienen als effectieve breeksystemen11. De eigenschappen van CO2-schuimsystemen voor ondergrondse toepassingen zijn op verschillende schalen uitgebreid bestudeerd, zoals de karakterisering van de stabiliteit en viscositeit in zandverpakkingssystemen en de effectiviteit ervan in verplaatsingsprocessen3,6,12,15,16,17. Fractuurniveau schuim dynamiek en de interacties met poreuze media zijn minder bestudeerde aspecten die direct relevant zijn voor het gebruik van schuim in strakke en gebroken formaties.
Microfluïde platforms maken directe visualisatie en kwantificering van de relevante microschaalprocessen mogelijk. Deze platforms bieden real-time controle van de hydrodynamica en chemische reacties om porie-schaal verschijnselen te bestuderen naast hersteloverwegingen1. Schuimgeneratie, voortplanting, transport en dynamiek kunnen worden gevisualiseerd in microfluïde apparaten die gebroken systemen en breukmicrocrack-matrix geleidende paden emuleren die relevant zijn voor olieterugwinning van strakke formaties. Vloeistofuitwisseling tussen breuk en matrix wordt direct uitgedrukt in overeenstemming met de geometrie18, waarbij het belang van simplistische en realistische voorstellingen wordt benadrukt. In de loop der jaren zijn een aantal relevante microfluidic platforms ontwikkeld om verschillende processen te bestuderen. Tigglaar en collega's bespreken bijvoorbeeld fabricage- en hogedruktesten van glazen microreactorapparaten door middel van in-plane verbinding van vezels om de stroom door glasvaten die zijn aangesloten op de microreactoren te testen19. Zij presenteren hun bevindingen met betrekking tot obligatie-inspectie, druktests en in-situ reactiemonitoring door 1H NMR spectroscopie. Als zodanig kan hun platform niet optimaal zijn voor relatief grote injectiesnelheden, pre-generatie van multifase vloeistofsystemen voor in situ visualisatie van complexe vloeistoffen in doorlatende media. Marre en collega's bespreken het gebruik van een glazen microreactor om hogedrukchemie en superkritische vloeistofprocessen te onderzoeken20. Ze omvatten resultaten als een eindige-element simulatie van stress distributie om het mechanische gedrag van modulaire apparaten onder de belasting te verkennen. Ze maken gebruik van niet-permanent modulaire verbindingen voor verwisselbare microreactor fabricage, en de silicium / Pyrex microfluïde apparaten zijn niet transparant; deze apparaten zijn geschikt voor kinematische studie, synthese en productie in chemische reactietechniek waar visualisatie geen primaire zorg is. Het gebrek aan transparantie maakt dit platform ongeschikt voor directe, in situ visualisatie van complexe vloeistoffen in surrogaatmedia. Paydar en collega's presenteren een nieuwe manier om modulaire microfluidics prototype met behulp van 3D-printen21. Deze aanpak lijkt niet geschikt voor hogedruktoepassingen, omdat het gebruik maakt van een fotogene polymeer en de apparaten in staat zijn om slechts bestand te zijn tegen maximaal 0,4 MPa. De meeste microfluïde experimentele studies met betrekking tot het vervoer in gebroken systemen die in de literatuur worden gerapporteerd, richten zich op omgevingstemperatuur en relatief lagedrukomstandigheden1. Er zijn verschillende studies geweest met een focus op directe observatie van microfluïde systemen die ondergrondse omstandigheden nabootsen. Zo introduceren Jimenez-Martinez en collega's twee studies over kritische porieschaalstroom- en transportmechanismen in een complex netwerk van breuken en matrixen22,23. De auteurs bestuderen driefasensystemen die microfluidica gebruiken onder reservoiromstandigheden (8,3 MPa en 45 °C) voor productie-efficiëntie; zij beoordelen scCO2 gebruik voor re-stimulatie waar de overgebleven pekel van een eerdere breuk is immiscible met CO2 en de resterende koolwaterstof23. Oliewetje siliciummicrofluïde apparaten zijn relevant voor het mengen van olie-pekel-scCO2 in enhanced oil recovery (EOR)-toepassingen; Dit werk heeft echter niet direct betrekking op de dynamiek van poriënschaal bij breuken. Een ander voorbeeld is werk van Rognmo et al. die een opschaling benadering voor hoge druk, in situ CO bestuderen2 schuimgeneratie24. De meeste rapporten in de literatuur die gebruik maken van microfabricage zijn betrekking op CO2-EOR en ze bevatten vaak geen belangrijke fabricagedetails. Voor zover de auteurs weten, ontbreekt momenteel een systematisch protocol voor de fabricage van hogedrukapparatuur voor gebroken formaties in de literatuur.
Dit werk presenteert een microfluïdisch platform dat de studie van scCO2 schuimstructuren, bellenvormen, maten en distributie, lamellenstabiliteit in aanwezigheid van olie voor EOR en hydraulische breuken en aquifer saneringstoepassingen mogelijk maakt. Het ontwerp en de fabricage van microfluïde apparaten met behulp van optische lithografie en Selectieve Laser-geïnduceerdeEts 29 (SLE) worden besproken. Bovendien beschrijft dit werk breukpatronen die bedoeld zijn om het transport van vloeistoffen in gebroken strakke formaties te simuleren. Gesimuleerde trajecten kunnen variëren van vereenvoudigde patronen tot complexe microscheuren op basis van tomografiegegevens of andere methoden die informatie geven over realistische breukgeometrie. Het protocol beschrijft stapsgewijze fabricage-instructies voor glasmicrofluïde apparaten met behulp van fotolithografie, natte ets en thermische hechting. Een in eigen huis ontwikkelde, ingebouwde Ultra-Violet (UV) lichtbron wordt gebruikt om de gewenste geometrische patronen over te brengen op een dunne laag fotoresist, die uiteindelijk met behulp van een nat etsproces naar het glazen substraat wordt overgebracht. Als onderdeel van kwaliteitsborging worden de geëtste patronen gekenmerkt met behulp van confocale microscopie. Als alternatief voor fotolithografie/wet-etsen wordt een SLE-techniek gebruikt om een microfluïdisch apparaat te maken en wordt een vergelijkende analyse van de platforms gepresenteerd. De opstelling voor stroomexperimenten bestaat uit gasflessen en pompen, drukregelaars en transducers, vloeistofmixers en accu's, microfluïde apparaten, hogedrukbare roestvrijstalen houders samen met een hoge resolutie camera en een verlichtingssysteem. Ten slotte worden representatieve monsters van waarnemingen uit stroomexperimenten gepresenteerd.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
LET OP: Dit protocol omvat het hanteren van een hogedrukopstelling, een oven met hoge temperaturen, gevaarlijke chemicaliën en UV-licht. Lees alle relevante materiaalveiligheidsinformatiebladen zorgvuldig door en volg de richtlijnen voor chemische veiligheid. Controleer de veiligheidstests (hydrostatische en pneumatische) veiligheidsrichtlijnen, waaronder verplichte training, veilige werking van alle apparatuur, bijbehorende gevaren, noodcontacten, enz.
1. Geometrische patronen ontwerpen
- Ontwerp een fotomasker bestaande uit geometrische kenmerken en stroompaden van belang (Figuur 1, Aanvullend dossier 1: figuur S1).
- Definieer het omsluitende kader (oppervlakte van het apparaat) om het gebied van het substraat te identificeren en het ontwerp te beperken tot de afmetingen van het gewenste medium.
- Ontwerp inlaat/uitlaatpoorten. Kies poortafmetingen (bijvoorbeeld 4 mm in diameter in dit geval) om een relatief uniforme verdeling van schuim te bereiken voordat u het medium binnenkomt (figuur 1).
- Bereid een fotomasker van het ontworpen geometrische patroon door het afdrukken van het ontwerp op een vel transparante film of een glazen substraat.
- Extrudeer het tweedimensionale ontwerp naar de derde dimensie en neem inlaat- en uitlaatpoorten op (voor gebruik in SLE).
OPMERKING: De SLE-techniek vereist een driedimensionale tekening(figuur 2).
- Extrudeer het tweedimensionale ontwerp naar de derde dimensie en neem inlaat- en uitlaatpoorten op (voor gebruik in SLE).
2. Breng de geometrische patronen over op het glazen substraat met behulp van fotolithografie
OPMERKING: Etchants en piranha oplossingen moeten met uiterste zorg worden behandeld. Het gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen, waaronder het gezichtstoestel, de bril, de handschoenen en het gebruik van zuur/corrosiebestendig pincet(Tabel van materialen)wordt aanbevolen.
- Bereid de oplossingen voor die nodig zijn in het natte-etingproces door deze stappen te volgen (zie ook de elektronische ondersteunende informatie die wordt verstrekt als aanvullend dossier 1).
- Giet een voldoende hoeveelheid chroom etchant oplossing in een beker zodanig dat het substraat kan worden ondergedompeld in de etchant. Verwarm de vloeistof tot ongeveer 40 °C.
- Bereid een oplossing van ontwikkelaar (Tabel van materialen) in gedeïmiseerd water (DI water) met een volumetrische verhouding van 1:8 zodanig dat het substraat volledig kan worden ondergedompeld in het mengsel.
- Bedruk het geometrische patroon op een borosilicaatsubstraat bedekt met een laag chroom en een laag fotoresist met UV-bestraling.
- Plaats het masker (glazen substraat of de transparante folie met het geometrische patroon) met gehandschoende wijze direct op de zijkant van het borosilicaat dat bedekt is met chroom en fotoresist.
- Plaats de fotomasker- en substraatcombinatie onder het UV-licht met het fotomasker naar de bron.
OPMERKING: Dit werk maakt gebruik van UV-licht met een golflengte van 365 nm (om de piekgevoeligheid van de fotoresist aan te passen) en bij een gemiddelde intensiteit van 4,95 mW/cm2. - Breng het geometrische patroon in de laag fotoresist door het blootstellen van de stapel van het substraat en het masker aan UV-licht.
OPMERKING: Optimale belichtingstijd is een functie van de dikte van de fotoresistische laag en de sterkte van UV-straling. Fotoresist is gevoelig voor licht en het hele proces van het afdrukken van het patroon moet worden uitgevoerd in een donkere kamer uitgerust met gele verlichting.
- Ontwikkel de fotoresist.
- Verwijder de fotomasker en substraat stapel van de UV-fase met behulp van gehandschoende handen.
- Verwijder het fotomasker en dompel het substraat onder in de ontwikkelaarsoplossing voor ongeveer 40 s, waardoor het patroon wordt overgedragen aan de fotoresist.
- Cascade-spoel het substraat door stromend DI water van de bovenkant van het substraat en over al zijn oppervlakten een minimum van drie keer en laat het substraat drogen.
- Eth het patroon in de chroomlaag.
- Dompel het substraat onder in een chroom etchant verwarmd tot ongeveer 40 °C voor ongeveer 40 s, waardoor het patroon van de fotoresist naar de chroomlaag wordt overgebracht.
- Haal het substraat uit de oplossing, spoel het substraat cascade-spoelen met di-water en laat het drogen.
- Eth het patroon in het borosilicaat substraat.
OPMERKING: Een gebufferde etchant(Tabel van materialen) wordt gebruikt om het geometrische patroon over te brengen naar het glazen substraat. Voorafgaand aan het gebruik van de gebufferde etchant, is de achterkant van het substraat bedekt met een laag fotoresist om het te beschermen tegen de etchant. De dikte van deze beschermende laag is niet van belang voor het totale fabricageproces.- Breng met behulp van een borstel verschillende lagen hexamethyldisilazane (HMDS) aan op het onbedekte gezicht van het substraat en laat het drogen.
OPMERKING: HMDS helpt de hechting van fotoresist aan het oppervlak van het borosilicaatsubstraat te bevorderen. - Breng een laag fotoresist op de top van de primer. Plaats het substraat in een oven op 60\u201290 °C gedurende 30-40 min.
- Giet een voldoende hoeveelheid van de etchant in een plastic container en volledig onderdompelen het substraat in de etchant.
LET OP: De etssnelheid wordt beïnvloed door de concentratie, temperatuur en duur van de blootstelling. De gebufferde etchant gebruikt in dit werk etsen een gemiddelde van 1 \u201210 nm/min. - Laat het patroon substraat in de etchant oplossing voor een vooraf bepaalde hoeveelheid tijd op basis van de gewenste kanaaldiepten.
OPMERKING: De etstijd kan worden verkort door intermitterende badsoonsatie van de oplossing. - Verwijder het substraat uit het etchant met behulp van een oplosmiddelbestendige pincet en spoel het substraat cascade-spoelt met DI-water.
- Karakteriseer de geëtste eigenschappen op het substraat om ervoor te zorgen dat de gewenste diepten zijn bereikt.
OPMERKING: Deze karakterisering kan worden gedaan met behulp van een laser scanning confocale microscoop(Figuur 3). In dit werk wordt een 10x vergroting gebruikt voor het verzamelen van gegevens. Zodra kanaaldiepten bevredigend zijn, ga je naar de reinigings- en hechtfase.
- Breng met behulp van een borstel verschillende lagen hexamethyldisilazane (HMDS) aan op het onbedekte gezicht van het substraat en laat het drogen.
3. Schoon en bondig
- Verwijder fotoresist- en chroomlagen.
- Verwijder de fotoresist uit het substraat door het substraat bloot te stellen aan een organisch oplosmiddel, zoals N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) oplossing verwarmd met behulp van een hete plaat onder een kap tot ongeveer 65 °C gedurende ongeveer 30 min.
- Cascade-spoel het substraat af met aceton (ACS-kwaliteit), gevolgd door ethanol (ACS-kwaliteit) en DI-water.
- Plaats het gereinigde substraat in chroom etchant verwarmd met behulp van een hete plaat onder een kap tot ongeveer 40 °C voor ongeveer 1 min, waardoor de chroomlaag uit het substraat wordt verwijderd.
- Zodra het substraat vrij is van chroom en fotoresist, karakteriseren van het kanaal diepten met behulp van laser scanning confocale microscopie.
OPMERKING: Dit werk maakt gebruik van een 10x vergroting voor gegevensverwerving(figuur 4).
- Bereid de afdekplaat en het geëtste substraat voor op hechting.
- Markeer de posities van de inlaat/uitgaten op een leeg borosilicaatsubstraat (afdekplaat) door de afdekplaat tegen het geëtste substraat uit te lijnen.
- Blast door-gaten in de gemarkeerde locaties met behulp van een micro schurende zandblaster en 50 μm aluminiumoxide micro zandstralen media.
OPMERKING: Als alternatief kunnen de poorten worden gemaakt met behulp van een mechanische boor. - Cascade spoel zowel het geëtste substraat als de afdekplaat af met DI water.
- Voer een RCA wafer reinigingsprocedure uit om verontreinigingen te verwijderen voordat ze worden gebonden met behulp van standaardtechniek. Voer de wafer reinigingsstappen onder een kap als gevolg van de volatiliteit van de oplossingen die betrokken zijn bij het proces.
- Breng een 1:4 volume H2O2:H2SO4 piranha oplossing aan de kook en dompel het substraat en de afdekplaat in de oplossing gedurende 10 minuten onder een kap.
- Cascade spoel het substraat en de afdekplaat af met DI water.
- Dompel het substraat en de afdekplaat onder in de gebufferde etchant voor 30-40 s.
- Cascade spoel het substraat en de afdekplaat af met DI water.
- Dompel het substraat en de afdekplaat gedurende 10 min onder in een 6:1:1 volume DI water:H2O2:HCl-oplossing die wordt verwarmd tot ongeveer 75 °C.
LET OP: Etsen en hechting worden bij voorkeur uitgevoerd in een cleanroom. Als er geen cleanroom beschikbaar is, wordt het uitvoeren van de volgende stappen in een stofvrije omgeving aanbevolen. In dit werk worden stappen 3.2.9–3.2.12 uitgevoerd in een handschoenenkastje om de kans op verontreiniging van de substraten te minimaliseren. - Druk het substraat en de afdekplaat stevig tegen elkaar aan terwijl u onder water staat.
- Verwijder het substraat en de afdekplaat uit DI water:H2O2:HCl oplossing. Cascade spoelen met DI water en onderdompelen in DI water.
- Zorg ervoor dat het substraat en de afdekplaat stevig aan elkaar zijn bevestigd en verwijder de twee voorzichtig terwijl ze tegen elkaar worden gedrukt uit DI-water.
- Bind de substraten thermisch.
- Plaats de gestapelde substraten (het geëtste substraat en de afdekplaat) tussen twee gladde, 1,52 cm dikke, glaskeramische platen om te hechten.
- Plaats de glaskeramische platen tussen twee metalen platen gemaakt van Alloy X (Tafel van materialen), die in staat is om de vereiste temperaturen te weerstaan zonder significante vervorming.
- Centreer de glazen wafers in de keramische metalen houder.
LET OP: Dit werk maakt gebruik van glas-keramische platen die 10 cm x 10 cm x 1,52 cm dik zijn. De gestapelde setup is beveiligd met 1/4" bouten en moeren(figuur 5). - Draai de moeren met de hand aan en plaats de houder 60 minuten in een vacuümkamer bij ongeveer 100 °C.
- Haal de houder uit de kamer en draai de moeren voorzichtig aan met ongeveer 10 lb-in koppel.
- Plaats de houder in een oven en voer het volgende verwarmingsprogramma uit. De temperatuur verhogen met 1 °C/min tot 660 °C; houd de temperatuur constant op 660 °C gedurende 6 uur, gevolgd door een koelstap bij ongeveer 1 °C/min terug naar beneden op kamertemperatuur.
- Verwijder het thermisch gebonden microfluidic apparaat, spoel het af met DI-water, plaats het in HCl (12,1 M) en badsonisch (40 kHz bij 100 W van de macht) de oplossing gedurende een uur(figuur 6).
4. Fabricaat laser-geëtst glas microfluïde apparaten
OPMERKING: Apparaatfabricage werd uitgevoerd door een 3D-printservice van derden(Tabel van materialen)via een SLE-proces en met behulp van een gesmolten silicasubstraat als voorloper.
- Schrijf het gewenste patroon in een gesmolten silica substraat met behulp van een lineair gepolariseerde laserstraal georiënteerd loodrecht op het podium gegenereerd via een femtoseconde laserbron met een pulsduur van 0,5 ns, een herhalingssnelheid van 50 kHz, pulsenergie van 400 nJ, en een golflengte van 1,06 μm.
- Verwijder het glas uit het geschreven patroon in het gesmolten silicasubstraat met behulp van een KOH-oplossing (32 wt%) bij 85 °C met ultrasone sonicatie (figuur 7).
5. Uitvoeren van hogedruktests
- Verzadig het microfluidic apparaat met de inwonende vloeistof (bijvoorbeeld DI-water, oppervlakteactieve oplossing, olie, enz., afhankelijk van het type experiment) met behulp van een spuitpomp.
- Bereid schuimgenererende vloeistoffen en aanverwante instrumenten voor.
- Bereid de pekeloplossing (inwonende vloeistof) met het gewenste zoutgehalte en los de oppervlakteactieve stof (zoals lauramidopropyl betaïne en alfa-olefin-sulfonaat) op met de gewenste concentratie (volgens de kritische micelleconcentratie van oppervlakteactieve stof) in de pekel.
- Vul de tanks van de CO2 en waterpompen met voldoende hoeveelheden vloeistoffen per het experiment bij kamertemperatuur.
- Vul de pekelaccumulator en stroomlijnen met de oppervlakteactieve oplossing met behulp van een spuit. Dit werk maakt gebruik van een accu met een capaciteit van 40 mL.
- Spoel de pekellijn af met de pekeloplossing.
- Spoel de lijn die de accu verbindt met het apparaat en de uitlaatlijnen met de ingezetenevloeistof (de pekeloplossing in dit geval).
- Plaats het verzadigde microfluidic apparaat in een drukbestendige houder en sluit de inlaat/uitlaatpoorten aan op de juiste lijnen met behulp van buizen met een binnendiameter van 0,010 inch(figuur 8, aanvullend bestand 1: figuur S5).
- Verhoog de temperatuur van het circulerende bad, dat de temperatuur van de pekel- en CO2-lijnen regelt, tot de gewenste temperatuur (bijvoorbeeld 40 °C hier (figuur 9)).
- Controleer alle lijnen om de integriteit van de setup voorafgaand aan de injectie te garanderen.
- Genereer het schuim.
- Begin met het injecteren van de pekel met een snelheid van 0,5 mL/min en controleer de stroom van oppervlakteactieve oplossing in het apparaat en de tegendruklijn.
- Verhoog de tegendruk en pekelpompdruk gelijktijdig in geleidelijke stappen (~ 0,006 MPa/s) met behoud van continue stroom uit de uitlaat van de onderdrukregelaar (BPR). Verhoog de druk tot ~ 7,38 MPa (minimaal vereiste scCO2 druk) en stop de pompen.
- Verhoog de CO2-lijndruk tot een druk boven de 7,38 MPa (minimale scCO2-druk).
- Open de CO2-klep en laat de scCO2 gemengd met de hogedruk oppervlakteactieve oplossing door een inline mixer stromen om schuim te genereren.
- Wacht tot de stroom volledig is ontwikkeld in het apparaat en de kanalen verzadigd zijn. Controleer de uitlaat op het begin van schuimgeneratie.
OPMERKING: Hulppoorten kunnen worden gebruikt om het medium volledig te verzadigen met de ingezetenevloeistof(figuur 1). Inconsistenties in de drukopbouw en plotselinge toename van bpr's kunnen leiden tot breuk (figuur 10). De vloeistofdruk en de tegendruk moeten geleidelijk worden verhoogd om het risico op schade aan het apparaat te minimaliseren.
- Voer real-time beeldvorming en data-analyse uit.
- Schakel de camera in om gedetailleerde beelden van de stroom in de kanalen vast te leggen. Dit werk maakt gebruik van een camera met een 60 megapixel, monochromatische, full-frame sensor.
- Start de speciale shutter control software(Table of Materials). Selecteer een sluitertijd van 1/60, een brandpuntsverhouding (f-getal) van f/8.0 en selecteer de juiste lens.
- Start de speciale camerasoftware(Table of Materials). Selecteer de camera, het gewenste formaat (bijvoorbeeld IIQL) en een ISO-instelling van 200 in het pulldown-menu onder de instelling 'CAMERA' van de software.
- Pas de werkafstand van de camera aan op het medium als dat nodig is om zich op het medium te concentreren. Leg beelden vast met voorgeschreven tijdintervallen door op de opnameknop in de software te drukken.
- Druk het systeem terug naar omgevingscondities.
- Stop injectie (gas- en vloeistofpompen), sluit de CO2- en pekelpompinlaten, open de rest van de lijnkleppen en zet de kachels uit.
- Verlaag de tegendruk geleidelijk (bijvoorbeeld met een snelheid van 0,007 MPa/s) totdat het systeem de omgevingsdruk bereikt. Verlaag de pekel- en CO2-pompdruk afzonderlijk.
LET OP: Het verlagen van de scCO2 druk kan leiden tot inconsistente of turbulente BPR uitstroom, dus de druk drawdown moet worden uitgevoerd met de nodige zorg.
- Reinig het microfluidic apparaat grondig na elk experiment als dat nodig is door de volgende reeks oplossingen door het medium te laten stromen: isopropanol/ethanol/water (1:1:1), 2 M HCl-oplossing, DI-water, een basisoplossing (DI water/NH4OH/H2O2 om 5:5:1) en DI-water.
- Verzamelde afbeeldingen na het proces.
- Isoleer het porielandschap door de achtergrond van de beelden uit te sluiten.
- Kleine verkeerde uitlijningen corrigeren door perspectieftransformatie uit te voeren en een lokale drempelstrategie uit te voeren als dat nodig is om rekening te houden met niet-uniforme verlichting28.
- Bereken geometrische en statistische parameters die relevant zijn voor het experiment, zoals de gemiddelde belgrootte, de verdeling van de bellengrootte en de vorm van de bellen voor elke schuimmicrostructurele beelden in het kanaal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Deze sectie presenteert voorbeelden van fysieke waarnemingen van scCO2 schuimstroom door een hoofdfractuur verbonden met een reeks micro-scheuren. Een glazen microfluïde apparaat gemaakt via fotolithografie of SLE is geplaatst in een houder en op het gebied van het gezichtsveld van een camera met een 60 megapixel, monochromatische, full-frame sensor. Figuur 11 illustreert het fabricageproces van microfluidic devices en hun plaatsing in de experimentele setup. Figuur 12 is een illustratie van het transport van CO2-schuim en de stabiliteit in het UV-lithografiemicrofluïde apparaat (4 MPa en 40 °C) tijdens de eerste 20 minuten van de productie/isolatie. De multifase verplaatst over de breuk / microcracks en schuim werd gegenereerd door de microfracturen. Figuur 13 toont scCO2 schuimgeneratie in een SLE microfluïde apparaat (7,72 MPa en 40 °C) vanaf omgevingstoestand zonder stroom naar volledig ontwikkeld scCO2-schuim bij hoge en lage stroomsnelheden. Figuur 14 toont beelden van schuimverdeling en stabiliteit onder reservoiromstandigheden (7,72 MPa en 40 °C) tijdens de eerste 20 minuten van de generatie/isolatie. Figuur 15 toont de verdeling van de bellendiameters en de ruwe en tussenliggende beelden als onderdeel van de kwantificering van de schuimmicrostructuur, inclusief, rauw beeld, post-verwerkt beeld met verbeterde helderheid, contrast en scherpte, en het binarized equivalent.
Figuur 1: Voorbeeld fotomaskerontwerpen voor fabricage van microfluidic apparaten (zwart-witte kleuren worden omgedraaid voor de duidelijkheid). a) Volledig gezichtsveld voor een verbonden breuknetwerk met een hoofdfractuur en microscheuren. b) Ingezoomd op het belangrijkste kenmerk van een verbonden breuknetwerk met een hoofdfractuur en microscheuren. c) Onderaan wordt een derde poort toegevoegd. d) Ingezoomd met het oog op het belangrijkste kenmerk van een verbonden breuknetwerk met een hoofdbreuk en microscheuren, samen met een distributienetwerk dat het netwerk verbindt met de poort aan de onderkant van het apparaat. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: 3D Microfludic ontwerp gebruikt in SLE fabricage en hogedruk schuim stroom door microkanalen. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: Onderzoek van kanaaldiepte via confocale microscopie voor substraat gedoopt in BD-etchant voor 136 uur (geen sonicatie in dit geval). a) kanaaloverzicht (b) kanaaldieptemeting (~43 μm). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: Onderzoek van kanaaldiepte via confocale microscopie voor een substraat met chroomlaag verwijderd na NMP-spoelen. a) Kanaaloverzicht. b) Kanaaldieptemeting (~42,5 μm). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: Schematisch van het thermische hechtingsproces. a) Het plaatsen van twee glazen wafers tussen twee gladde keramische platen. b) Het plaatsen van de keramische platen tussen twee metalen platen en het aandraaien van de bouten. c) Het plaatsen van de metalen en keramische houder die de substraten in een programmeerbare oven bevat om de gewenste temperaturen voor thermische hechting te bereiken. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: Het voltooide UV-geëtste glazen microfluïde apparaat. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7: SLE ontwerp- en fabricageproces. (a) Schematisch van SLE ontwerp- en fabricageproces (dit cijfer is herdrukt met toestemming van Elsevier27), en (b) het resulterende 3D-geprinte microfluïde apparaat. Ontwerp- en fabricagestappen omvatten (a.i)het ontwerpen van het binnenvolume van kanalen, (a.ii)het snijden van het 3D-model om een z-stack van lijnen te creëren om het laserpad te definiëren, (a.iii) laserbestraling op het gepolijste silica-substraat, (a.iv)preferentiële KOH-ets van laser geëtste materialen en (a.v). Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 8: Microfluïdisch apparaat dat in een houder is geplaatst en het beeldvormingssysteem bestaande uit een camera met hoge resolutie en een verlichtingssysteem. a) Een foto van laboratoriumopstelling en (b)schema van een lab-on-a-chip onder observatie via de camera en het verlichtingssysteem met hoge resolutie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 9: Hogedruk scCO2 schuiminjectie setup in een microfluïde apparaat en een visualisatiesysteem met behulp van een hoge resolutie camera en beeldverwerking eenheid. a) foto van laboratoriumopstelling, en (b) schema van processtroomdiagram en de beeldverwerkingseenheid. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 10: Ontkoppeld apparaat in een injectiepoort (rechteringang) als gevolg van het verkeerd agens maken van het drukprofiel door BPR en waterpomp tijdens de injectie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 11: Vergelijkende fabricagemethoden van glazen microfluïde apparaten. a) Fabricageproces voor gebroken media microfluïde apparatuur met behulp van foto-lithografie(a.i)ontwerp voor een positieve fotoresist, (a.ii) gedrukte fotomasker op een op polyester gebaseerde transparantiefilm, (a.iii) blanco en fotoresist/chroomgecoate glazen substraten, (a.iv)die het patroon via UV-straling, (a.v)geëtst substraat, (a.vi) het substraat overdragen na het verwijderen van chroomlaag en het blanco substraat dat is voorbereid op thermische hechting, (a.vii)thermisch gebonden apparaat, en (a.viii) scCO2-injectie. b) Fabricage met behulp van de SLE-techniek: (b.i)ontwerp voor SLE-drukwerk, (b.ii) laserbestraling op het gepolijste gesmolten silicasubstraat,b.iii) SLE-geprinte microfluïde apparatuur van glas en (b.iv)scCO2-injectie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 12: CO2-schuimtransport en stabiliteit in het UV-lithografiemicrofluïde apparaat (4 MPa en 40 °C) tijdens de eerste 20 minuten van de generatie/isolatie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 13: scCO2-schuimgeneratie in het SLE-microfluïde apparaat (7,72 MPa en 40 °C). a) Omgevingstoestand zonder stroom door de microkanalen. b) Co-injectie van CO2 en waterige fase (met oppervlakteactieve of nanodeeltjes) in superkritische toestand. c) Begin van scCO2 schuimgeneratie 0,5 min na het begin van de co-injectie. d) Volledig ontwikkeld scCO2-schuim bij hoge stroomsnelheden (e) het verlagen van de stroomsnelheden van co-injectie om de grenzen van de meerfasigete te onthullen. (f) Diep lage stroomsnelheden onthullen verspreide scCO2-bellen in de waterige fase. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 14: Visualisatie van schuimstabiliteit onder reservoiromstandigheden (7,72 MPa en 40 °C) tijdens de eerste 20 minuten generatie/isolatie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 15: Analyse van de microstructuur van schuim. (a) Afbeelding van scCO2 schuimstroom in het breuknetwerk,b) post-verwerkte afbeelding met verbeterde helderheid, contrast en scherpte, (c) binarized beeld met imagej, en (d) bubble diameter distributieprofiel verkregen uit ImageJ, deeltjesanalyse modus. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 16: Illustratie van in-house collimated UV-lichtbron. (a) Foto en (b) een schema van laboratorium UV-lichtstandaard met LED-lichtbronnen en een podium. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 17: Kleurgecodeerde plot van UV-intensiteit in een 10 x 10 cm2-gebied van het stadium waar het substraat wordt geplaatst voor UV-blootstelling. Uv-intensiteit waarden variëren van 4 tot 5 mW/cm2 zoals geregistreerd met behulp van een UV-meter. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Aanvullend dossier 1. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Dit werk presenteert een protocol met betrekking tot een fabricageplatform om robuuste, hogedrukglasmicrofluïde apparaten te creëren. Het protocol gepresenteerd in dit werk verlicht de noodzaak van een cleanroom door het uitvoeren van een aantal van de uiteindelijke fabricage stappen in een handschoenenkastje. Het gebruik van een cleanroom, indien beschikbaar, wordt aanbevolen om de kans op verontreiniging te minimaliseren. Bovendien moet de keuze van de etchant worden gebaseerd op de gewenste oppervlakteruwheid. Het gebruik van een mengsel van HF en HCl als de etchant heeft de neiging om oppervlakte ruwheid te verminderen30. Dit werk heeft betrekking op microfluïde platforms die directe, in situ visualisatie van het transport van complexe vloeistoffen in complexe doorlatende media mogelijk maken die getrouw de complexe structuren van ondergrondse media van belang vertegenwoordigen. Als zodanig maakt dit werk gebruik van een gebufferde etchant die de studie van massaoverdracht en transport in surrogaatmedia die op geologische doorlatende media lijken mogelijk maakt.
Ontwerp van patronen
De patronen worden gemaakt met behulpvaneen computer aided design software ( Table of Materials ) en de functies zijn bedoeld om factures en microcracks te vertegenwoordigen om het vervoer en de stabiliteit van schuim te bestuderen (zie figuur 1). Deze patronen kunnen worden afgedrukt op een transparante folie met een hoog contrast, op polyesterbasis, of op een boor- of kwartsplaat (fotomasker). De patronen die worden gebruikt in de fotolithografie bestaan uit een hoofdkanaal, 127 μm in de breedte en 2,2 cm lang, dat dient als de belangrijkste breuk. Dit kanaal is verbonden met een reeks microfracturen met verschillende afmetingen, of een doorlaatbaar medium bestaande uit een reeks cirkelvormige palen, met diameters van 300 μm, die zijn verbonden met het midden van het fractuurpad. Extra hulppoorten kunnen in het ontwerp worden opgenomen om te helpen bij de eerste verzadiging van de belangrijkste kenmerken, bijvoorbeeld breuken.
Fotoresist
Dit werk maakt gebruik van een positieve fotoresist. Als gevolg hiervan zijn de gebieden in het ontwerp die overeenkomen met kenmerken die bestemd zijn om op het substraat te worden geëtst, optisch transparant en belemmeren de andere gebieden de overdracht van licht (verzameld UV-licht). In het geval van een negatieve fotoresists zou de situatie het tegenovergestelde zijn: de gebieden in het ontwerp die overeenkomen met de kenmerken die op het substraat moeten worden geëtst, moeten optisch niet-transparant zijn.
UV-lichtbron
De patronen worden overgebracht naar de fotoresist door de oplosbaarheid te veranderen als gevolg van de blootstelling aan UV-licht. Een full-spectrum, kwik-damp lamp kan dienen als de UV-bron. Het gebruik van een verzamelde, smalle-band UV-bron, echter, verbetert de kwaliteit en precisie van de fabricage aanzienlijk. Dit werk maakt gebruik van een fotoresist met piekgevoeligheid bij 365 nm, een gecolliteerde UV-bron bestaande uit een array van lichtgevende diodes (LED) en een belichtingstijd van ongeveer 150 s. Deze UV-bron is een in-house ontwikkelde en biedt een onderhoudsarme, lage divergentie, collimated UV lichtbron voor lithografie. De UV-bron bestaat uit een vierkante reeks van negen high-power LED's met een doelpiekemissiegolflengte van 365 nm bij 25 °C (3,45 mm x 3,45 mm UV LED met keramisch substraat—zie Tabel van Materialen). Op elke LED wordt een lichtverzamelende UV-lens (LED 5 W UV-lens – zie Tabel van Materialen) gebruikt om de divergentie van ~70° tot ~12° te verminderen. De divergentie wordt verder verminderd (~5°) door een 3 x 3 array van negen convergerende polyvinylchloride (PVC) Fresnel lenzen te gebruiken. De setup produceert collimated en uniforme UV-straling over een 3,5-inch vierkante gebied. De details van de fabricage van deze goedkope lichtbron voor UV-lithografie is aangepast aan de methode gepresenteerd door Erickstad en medewerkers25 met kleine wijzigingen15,26. Figuur 16 illustreert de LED UV-lichtbron die is gemonteerd op de celling van uv-standaard naast het podium aan de onderkant voor substraat-UV-blootstelling (de procedure wordt uitgevoerd in een donkere kamer). Het UV-podium is geplaatst op 82,55 cm van de negen Fresnel lenzen die zijn gemonteerd op een rek 13,46 cm onder het rek dat de LED's herbergt. Zoals te zien in figuur 16a, zijn er vier kleine ventilatoren (40 mm x 40 mm x 10 mm 12 V DC Cooling Fan-zie Tabel van Materialen) op de bodem van de plaat die de LED's huizen en er is een grotere ventilator (120 mm x 38 mm 24 V DC Cooling Fan-zie Tabel van Materialen) op de top. Drie variabele DC-voedingen(Table of Materials) worden gebruikt om de LED's van stroom te krijgen. Eén voeding voedt de midden-LED op 0,15 A, 3,3 V; een voeding voedt de vier hoek-LED's op 0,6 A, 14,2 V; en één voeding voedt de overige vier LED's op 0,3 A, 13,7 V. Het stadium, schematisch weergegeven in figuur 16b,is verdeeld in 1 cm2 sub-gebieden en de intensiteit van het UV-licht wordt gemeten in elk met behulp van een UV-vermogen meter (Tabel van materialen) die is uitgerust met een 2 W 365 nm gewaad assemblage. Gemiddeld heeft het UV-licht een gemiddelde sterkte van 4,95 mW/cm2 met een variabiliteit die wordt gekenmerkt door een standaarddeviatie van 0,61 mW/cm2. Figuur 17 presenteert een kleurgecodeerde plot van UV-intensiteitskaart voor deze UV-lichtbron. De intensiteit over het gebied van 10 cm 10 cm is relatief uniform met waarden variërend van 4 tot 5 mW/cm2 in het midden van het stadium waar het substraat wordt geplaatst en blootgesteld aan het licht. Voor meer informatie over de ontwikkeling van de in-house verzamelde UV-lichtbron verwijzen naar ESI, Aanvullend Bestand 1: Figuur S3, S4. Het gebruik van de UV-bron kan worden gekoppeld aan UV-blokkeerschilden/-afdekkingen voor veilig gebruik. Aanvullende veiligheidsmaatregelen kunnen het gebruik van UV-veiligheidsbrillen (Laser Eye Protection Safety Glasses for Red and UV-lasers – (190-400 nm)), gezichtsschilden zijn gemarkeerd met de term Z87 die voldoet aan de ANSI-norm (ANSI Z87.1-1989 UV-certificering) om basis-UV-bescherming(Table of Materials)labjassen en handschoenen te bieden om de blootstelling te minimaliseren.
Fabricagetechnieken
Dit werk presenteert ook een stap voor stap roadmap voor hogedruk schuim injectie in vervaardigd glas microfluïde apparaten met behulp van een hoge resolutie camera en een verlichtingsbron. Voorbeelden van CO2 en scCO2 schuimmicrostructuur en transport in microfluïde apparaten worden ook gepresenteerd met relevantie voor gebroken strakke en ultrastrakke formaties. Directe observatie van het vervoer in deze ondergrondse media is een uitdagende taak. Als zodanig bieden de in dit werk beschreven apparaten een platform om het vervoer in doorlatende media te bestuderen onder temperatuur- en drukomstandigheden die relevant zijn voor ondergrondse toepassingen zoals gebroken media, EOR-processen en aquifer-sanering.
Apparaten die in dit werk worden gebruikt, worden vervaardigd met behulp van twee verschillende technieken, namelijk fotolithografie/wet-etsen/thermisch hechten en SLE. De fotolithografie/wet-etsen/thermisch-hechtingstechniek omvat een relatief goedkoop etsproces met behulp van een onderhoudsarme, verzamelde UV-lichtbron. SLE wordt uitgevoerd met behulp van een femto-seconde laserbron, gevolgd door het verwijderen van gemodificeerd glas uit de glasbult via natte etsen. De belangrijkste stappen die betrokken zijn bij de fotolithografie/wet-etching/thermisch-hechtingstechniek zijn: i) het maken van de kaart van het kanaalnetwerk, ii) het afdrukken van het ontwerp op polyester gebaseerde transparantiefilm of een glazen substraat; iii) het overbrengen van het patroon op een met chroom/fotoresist gecoate borosilicateubstraat, iv) verwijdering van blootgesteld gebied door fotoontwikkelaar en chroom etchant-oplossingen, (v) het patroon van het borosilicaatsubstraat op de gewenste diepte etsen, (vi) het opstellen van een afdekplaat met instapgaten die op de juiste plaatsen zijn geplaatst, en vii) thermische hechting van het geëtste substraat en de afdekplaat. SLE maakt daarentegen gebruik van een proces in twee stappen: i) selectieve laser-geïnduceerde afdrukken in een transparant gesmolten silicasubstraat, en (ii) selectieve verwijdering van de gemodificeerde materialen via natte chemische etsen die leiden tot de ontwikkeling van driedimensionale kenmerken in het gesmolten silicasubstraat. In de eerste stap wijzigt laserstraling door het gesmolten silicaglas intern de glasbult om de chemische/lokale etsvaardigheid te vergroten. De gerichte laser scant in het glas om een driedimensionaal verbonden volume te wijzigen dat is aangesloten op een van de oppervlakken van het substraat.
Beide technieken resulteren in apparaten die chemisch en fysiek resistent zijn en tolerant zijn voor hoge druk- en temperatuuromstandigheden die overeenkomen met ondergrondse systemen van belang. Beide technieken bieden trajecten om zeer nauwkeurige geëtste microkanalen en capabele lab-on-a-chip-apparaten te creëren. De fotolithografie/wet-etsen/thermisch-hechtingstechniek is robuust in termen van geometrie van de kanalen en kan worden gebruikt om complexe kanaalnetwerken te etsen, terwijl SLE om praktische redenen beperkt is tot relatief eenvoudige netwerken. Aan de andere kant kunnen apparaten die zijn gemaakt met fotolithografie/wet-eting/thermische binding kwetsbaarder zijn voor breuk als gevolg van hechtingsonvolkomenheden, restwarmtebelastingen van snelle verwarmings-/koelsnelheden tijdens thermische hechting en structurele gebreken van het natte-etsproces. In tegenstelling tot fotolithografie lijken SLE-apparaten veerkrachtiger onder hoge druk (getest tot 9,65 MPa). Ongeacht de fabricagetechniek kunnen snelle drukopbouwsnelheden de kans op mechanische storingen in microfluïde apparaten vergroten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs verklaren geen belangenconflicten en openbaarmaking.
Acknowledgments
De auteurs van de Universiteit van Wyoming erkennen dankbaar steun als onderdeel van het Center for Mechanistic Control of Water-Hydrocarbon-Rock Interactions in Unconventional and Tight Oil Formations (CMC-UF), een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het Amerikaanse Ministerie van Energie, Office of Science onder DOE (BES) Award DE-SC0019165. De auteurs van de Universiteit van Kansas willen de National Science Foundation EPSCoR Research Infrastructure Improvement Program: Track -2 Focused EPSCoR Collaboration award (OIA- 1632892) voor de financiering van dit project te erkennen. Auteurs ook hun waardering uit te breiden naar Jindi Sun van de Chemical Engineering Department, Universiteit van Wyoming voor haar gulle hulp in instrument opleiding. SAA bedankt Kyle Winkelman van de Universiteit van Wyoming voor zijn hulp bij de bouw van de imaging en UV stands. Last but not least, de auteurs dankbaar erkennen John Wasserbauer van microGlass, LLC voor nuttige discussies over de SLE techniek.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1/4” bolts and nuts | For fabrication of the metallic plates to sandwich the glass chip between them for thermal bonding | ||
| 3.45 x 3.45 mm UV LED | Kingbright | To emitt LED light | |
| 3D measuring Laser microscope | OLYMPUS | LEXT OLS4000 | To measure channel depths |
| 40 mm x 40 mm x 10 mm 12V DC Cooling Fan | Uxcell | To cool the UV LED lights | |
| 120 mm x 38 mm 24V DC Cooling Fan | Uxcell | To cool the UV LED lights | |
| 5 ml (6 ml) NORM-JECT Syringe | HENKE SASS WOLF | Lot #16M14CB | To rinse the chip before each experiment |
| Acetone (Certified ACS) | Fisher Chemical | Lot #177121 | For cleaning |
| Acid/ corossion resistive tweezer | TED PELLA | To handle the glass piece in corosive solutions | |
| Acid/solvent resistance tweezers | TED PELLA, INC | #53009 and #53010 | To handle the glass in corrosive solutions |
| Alloy X | AMERICAN SPECIAL METALS | Heat Number: ZZ7571XG11 | Thermal bonding |
| Ammonium hydroxide (ACS reagent) | Sigma Aldrich | Lot #SHBG9007V | To clean the chip at the end of process |
| AutoCAD | Autodesk, San Rafael, CA | To design 2D patterns and 3D chips | |
| BD Etchant for PSG-SiO2 systems | TRANSENE | Lot #028934 | An improved buffered etch formulation for delineation of phosphosilica glass – SiO2 (PSG), and borosilica glass – SiO2 (BSG) systems |
| Blank Borofloat substrate | TELIC | CG-HF | Upper substrate for UV etching |
| Borofloat substrate with metalizations | TELIC | PG-HF-LRC-Az1500 | Lower substrate for UV etching |
| Capture One photo editing software | Phase One | To Capture/Edit/Convert the pictures taken by Phase One Camera | |
| Capture station | DT Scientific | DT Versa | To place of the chip in the field of view of the camera |
| Carbon dioxide gas (Grade E) | PRAXAIR | UN 1013, CAS Number 124-38-9 | non-aqeous portion of foam |
| Chromium etchant 1020 | TRANSENE | Lot #025433 | High-purity ceric ammonium nitrate systems for precise, clean etching of chromium and chromium oxide films. |
| Circulating baths with digital temperature controller | PolyScience | To control the brine and CO2 temperatures | |
| Computer | NVIDIA Tesla K20 Graphic Card - 706 MHz Core - 5 GB GDDR5 SDRAM - PCI Express 2.0 x16 | To process and visualize the images obtained via the Phase One camera | |
| Custom made high pressure glass chip holder | To tightly hold the chip and its connections for high pressure testing | ||
| Cutrain (Custom) | To protect against UV/IR Radiations | ||
| Deionized water (DI) | For cleaning | ||
| Digital camera with monochromatic 60 MP sensor | Phase One | IQ260 | Visualization system |
| Ethanol, Anhydrous, USP Specs | DECON LABORATORIES, INC. | Lot #A12291505J, CAS# 64-17-5 | For cleaning |
| Facepiece reusable respirator | 3M | 6502QL, Gases, Vapors, Dust, Medium | To protect against volatile solution inhalation |
| Fused Silica (UV Grade) wafer | SIEGERT WAFER | UV grade | Glass precursor for SLE printing |
| GIMP | Open-source image processing software | To characterize image texture and properties | |
| Glovebox (vinyl anaerobic chamber) | Coy | To provide a clean, dust-free environment | |
| Heated ultrasonic cleaning bath | Fisher Scientific | To accelerate the etching process | |
| Hexamethyldisilazane (HMDS) Cleanroom® MB | KMG | 62115 | Primer for photoresist coating |
| Hose (PEEK tubing) | IDEX HEALTH & SCIENCE | Natural 1/16" OD x .010" ID x 5ft, Part # 1531 | Flow connections |
| Hydrochloric acid, certified ACS plus | Fisher Chemical | Lot # 187244 | Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol |
| Hydrogen Peroxide | Fisher Chemical | H325-500 | Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol |
| ImageJ | NIH | To characterize image texture and properties | |
| ISCO syringe pump | TELEDYNE ISCO | D-SERIES (100DM, 500D) | To pump the fluids |
| Kaiser LED light box | Kaiser | To illuminate the chip | |
| Laser printing machine | LightFab GmbH, Germany. | FILL | Glass-SLE chip fabrication |
| Laser safety glasses | FreeMascot | B07PPZHNX4 | To protect against UV/IR Radiations |
| LED Engin 5W UV Lens | LEDiL | To emitt LED light | |
| Light Fab 3D Printer (femtosecond laser) | Light Fab | To selectively laser Etch of fused silica | |
| LightFab 3D printer | LightFab GmbH, Germany | To SLE print the fused silica chips | |
| MATLAB | MathWorks, Inc., Natick, MA | Image processing | |
| Metallic plates | |||
| Micro abrasive sand blasters (Problast 2) | VANIMAN | Problast 2 – 80007 | To craete holes in cover plates |
| MICROPOSIT 351 developer | Dow | 10016652 | Photoresist developer solution |
| Muffle furnace | Thermo Scientific | Thermolyne Type 1500 | Thermal bonding |
| N2 pure research grade | Airgas | Research Plus - NI RP300 | For drying the chips in each step |
| NMP semiconductor grade - 0.1μm Filtered | Ultra Pure Solutions, Inc | Lot #02191502T | Organic solvent |
| Oven | Gravity Convection Oven | 18EG | |
| Phase One IQ260 with an achromatic sensor | Phase One | IQ260 | To visulize transport in microfluidic devices using an ISO 200 setting and an aperture at f/8. |
| Photomask | Fine Line Imaging | 20,320 DPI FILM | Pattern of channels |
| Photoresist (SU-8) | MICRO CHEM | Product item: Y0201004000L1PE, Lot Number: 18110975 | Photoresist |
| Polarized light microscope | OLYMPUS | BX51 | Visual examination of micro channels |
| Ports (NanoPort Assembly) | IDEX HEALTH & SCIENCE | NanoPort Assembly Headless, 10-32 Coned, for 1/16" OD, Part # N-333 | Connections to the chip |
| Python | Python Software Foundation | Image processing | |
| Safety face shield | Sellstrom | S32251 | To protect against UV/IR Radiations |
| Sealing film (Parafilm) | Bemis Company, Inc | Isolation of containers | |
| Shutter Control Software | Schneider-Kreuznach | To adjust shutter settings | |
| Smooth ceramic plates | Thermal bonding | ||
| Stirring hot plate | Corning® | PC-620D | To heat the solutions |
| Sulfuric acid, ACS reagent 95.0-98.0% | Sigma Aldrich | Lot # SHBK0108 | Solvent in RCA semiconductor cleaning protocol |
| Syringe pump (Standard Infuse/Withdraw PHD ULTRA) | Harvard Apparatus | 70-3006 | To saturate the chip before each experiment |
| Torque wrench | Snap-on | TE25A-34190 | To tighten the screws |
| UV power meter | Optical Associates, Incorporated | Model 308 | To measure the intesity of UV light |
| UV power meter | Optical Associates, Incorporated | Model 308 | To quantify the strength of UV light |
| UV radiation stand (LED lights) | To transfer the pattern to glass (photoresist layer) | ||
| Vaccum pump | WELCH VACCUM TECHNOLOGY, INC | 1380 | To dry the chip |
| Variable DC power supplies | Eventek | KPS305D | To power the UV LED lights |
References
- Hyman, J. D., et al. Understanding hydraulic fracturing: a multi-scale problem. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences A. 13 (374), 1-15 (2016).
- Middleton, R. S., et al. Shale gas and non-aqueous fracturing fluids: Opportunities and challenges for supercritical CO2. Applied Energy. 147 (1), 500-509 (2015).
- Hosseini, H., Tsau, J., Peltier, E., Barati, R. Lowering Fresh Water Usage in Hydraulic Fracturing by Stabilizing scCO2 Foam with Polyelectrolyte Complex Nanoparticles Prepared in High Salinity Produced Water. SPE-189555-MS. , (2018).
- Gregory, K. B., Vidic, R. D., Dzombak, D. A. Water management challenges associated with the production of shale gas by hydraulic fracturing. Elements. 7, 181-186 (2017).
- Ellsworth, W. L. Injection-Induced Earthquakes. Science. 341, 1-8 (2013).
- Hosseini, H., et al. Experimental and Mechanistic Study of Stabilized Dry CO2 Foam Using Polyelectrolyte Complex Nanoparticles Compatible with Produced Water To Improve Hydraulic Fracturing Performance. Journal of Industrial and Engineering Chemistry Research. 58, 9431-9449 (2019).
- Hosseini, H., Tsau, J. S., Peltier, E., Ghahfarokhi, R. B. Highly stable scCO2-high salinity brine interface for waterless fracturing using polyelectrolyte complex nanoparticles. Abstract Paper of American Chemical Society. 256, ACS. Boston, MA. (2018).
- Al-Muntasheri, G. A. Critical Review of Hydraulic-Fracturing Fluids for Moderate- to Ultralow- Permeability Formations Over the Last Decade. SPE Production & Operations, SPE-169552. 29 (04), 243-260 (2014).
- Tong, S., Singh, R., Mohanty, K. K. Proppant Transport in Fractures with Foam-Based Fracturing Fluids. SPE-187376-MS. , (2017).
- Fernø, M. A., Eide, Ø, Steinsbø, M., Langlo, S. A. W., Christophersen, A., Skibenes, A., et al. Mobility control during CO2 EOR in fractured carbonates using foam: Laboratory evaluation and numerical simulations. Journal of Petroleum Science and Engineering. 135, 442-451 (2015).
- Middleton, R., Viswanathan, H., Currier, R., Gupta, R. CO2 as a fracturing fluid: Potential for commercial-scale shale gas production and CO2 sequestration. Energy Procedia. 63, 7780-7784 (2014).
- Guo, F., Aryana, S. A. Improved sweep efficiency due to foam flooding in a heterogeneous microfluidic device. Journal of Petroleum Science and Engineering. 164, 155-163 (2018).
- Nazari, N., Hosseini, H., Jyun-Syung, T., Shafer-Peltier, K., Marshall, C., Ye, Q., Ghahfarokhi, R. B. Development of Highly Stable Lamella Using Polyelectrolyte Complex Nanoparticles: An Environmentally Friendly scCO2 Foam Injection Method for CO2 Utilization Using EOR. Fuel. 261, 11636 (2020).
- Nguyen, V. H., Kang, C., Roh, C., Shim, J. J. Supercritical CO2 -Mediated Synthesis of CNT@Co3O4 Nanocomposite and Its Application for Energy Storage. Industrial and Engineering Chemistry Research. 55, 7338-7343 (2016).
- Guo, F., Aryana, S. A., Wang, Y., Mclaughlin, J. F., Coddington, K. Enhancement of storage capacity of CO2 in megaporous saline aquifers using nanoparticle-stabilized CO2 foam. International Journal of Greenhouse Gas Control. 87, 134-141 (2019).
- Guo, F., Aryana, S. An experimental investigation of nanoparticle-stabilized CO2 foam used in enhanced oil recovery. Fuel. 186, 430-442 (2016).
- Guo, F., He, J., Johnson, A., Aryana, S. A. Stabilization of CO2 foam using by-product fly ash and recyclable iron oxide nanoparticles to improve carbon utilization in EOR processes. Sustainable Energy and Fuels. 1, 814-822 (2017).
- Wang, Y., Shahvali, M. Discrete fracture modeling using Centroidal Voronoi grid for simulation of shale gas plays with coupled nonlinear physics. Fuel. 163, 65-73 (2016).
- Tiggelaar, R. M., Benito-Lopez, F., Hermes, D. C., Rathgen, H., Egberink, R. J. M., Mugele, F. G., Reinhoudt, N. D., van den Berg, A., Verboom, W., Gardeniers, H. J. G. E. Fabrication, mechanical testing and application of high-pressure glass microreactor chips. Chemical Engineering Journal. 131, 163-170 (2007).
- Marre, S., Adamo, A., Basak, S., Aymonier, C., Jensen, K. F. Design and Packaging of Microreactors for High Pressure and High Temperature Applications. Industrial and Engineering Chemistry Research. 49, 11310-11320 (2010).
- Paydar, O. H., Paredes, C. N., Hwang, Y., Paz, J., Shah, N. B., Candler, R. N. Characterization of 3D-printed microfluidic chip interconnects with integrated O-rings. Sensors Actuators A: Physical. 205, 199-203 (2014).
- Jiménez-Martínez, J., et al. Pore-scale mechanisms for the enhancement of mixing in unsaturated porous media and implications for chemical reactions. Geophysical Research Letters. 42, 5316-5324 (2015).
- Jiménez-martínez, J., Porter, M. L., Hyman, J. D., Carey, J. W., Viswanathan, H. S. Mixing in a three-phase system: Enhanced production of oil-wet reservoirs by CO2 injection. Geophysical Research Letters. 43, 196-205 (2016).
- Rognmo, A. U., Fredriksen, S. B., Alcorn, Z. P. Pore-to-Core EOR Upscaling for CO2 Foam for CCUS. SPE Journal. 24, 1-11 (2019).
- Erickstad, M., Gutierrez, E., Groisman, A. A low-cost low-maintenance ultraviolet lithography light source based on light-emitting diodes. Lab on a Chip. 15, 57-61 (2015).
- Guo, F., Aryana, S. A. An Experimental Investigation of Flow Regimes in Imbibition and Drainage Using a Microfluidic Platform. Energies. 12 (7), 1-13 (2019).
- Burshtein, N., Chan, S. T., Toda-peters, K., Shen, A. Q., Haward, S. J. 3D-printed glass microfluidics for fluid dynamics and rheology. Current Opinion in Colloid & Interface Science. 43, 1-14 (2019).
- Wang, Y., Aryana, S. A. Creation of Saturation Maps from Two-Phase Flow Experiments in Microfluidic Devices. Advances in Petroleum Engineering and Petroleum Geochemistry. Advances in Science, Technology & Innovation. Banerjee, S., Barati, R., Patil, S. , Springer. 77-80 (2019).
- Hermans, M., Gottmann, J., Riedel, F. Selective, Laser-Induced Etching of Fused Silica at High Scan-Speeds Using KOH. Journal of Laser Micro/Nanoengineering. 9, 126-131 (2014).
- Iliescu, C., Jing, J., Tay, F. E. H., Miao, J., Sun, T. Characterization of masking layers for deep wet etching of glass in an improved HF/HCl solution. Surface & Coatings Technology. 198, 314-318 (2005).
