低コストの統合モジュラーペルチェデバイスを用いた油水界面活性に対する界面活性剤の効果の研究
Summary
シクロペンタンに沈んだ水滴の界面に非イオン性界面活性剤の存在下での水和物の形成を研究するプロトコルを提示する。このプロトコルは、低コストでプログラム可能な温度調節器を構築する。温度制御システムは視覚化技術および内部圧力の測定と結合される。
Abstract
非イオン界面活性剤の影響を受けて水和物の形成と成長を研究するアプローチを紹介します。実験システムは温度調節器、視覚化技術および内部圧力測定を含んでいる。温度制御システムは固体ペルチェの部品となされる低価格、プログラム可能な温度調節器を含んでいる。温度制御システムと併して、可視化技術と内部圧力測定を組み込み、非イオン界面活性剤の存在下での水和物の形成と抑制を研究しました。非イオン性界面活性剤(ソルビタンモノオレート、ソルビタンモノオレ酸塩、PEG-PPG-PEG、ポリオキシエチレンオービトトリステアレート)の水和物阻害能力を低(すなわち、0.1 CMC)、中(すなわち、CMC)、および高濃度(すなわち、10CMC)で調べた。平坦な結晶と円錐形の2種類の結晶が形成されました。平水中と低界面活性剤濃度で平形結晶が形成された。円錐結晶は高い界面活性剤濃度で形成された。研究の結果は、円錐結晶が水和物阻害の面で最も効果的であることを示しています。円錐形の結晶は一定のサイズを超えて成長できないため、円錐結晶としての水和物の成長率は、平面結晶としての水和物の成長率よりも遅くなります。したがって、水和物を強制的に円錐結晶を形成する界面活性剤が最も効率的である。このプロトコルの目的は、界面活性剤分子の存在下で水滴の表面にシクロペンタン水和物結晶化プロセスを調査することができる実験システムの詳細な説明を提供することです。
Introduction
水和物の結晶化と阻害のメカニズムを理解するインセンティブは、油管内で水分補給が自然に発生し、流れの保証が困難になる可能性があるという事実から生じます。例えば、2010年のメキシコ湾原油流出事故1は、水中油配管システムに水和物が蓄積し、環境汚染を引き起こした結果であった。そのため、将来の環境災害を防ぐためには、水和物の形成と抑制を理解することが重要です。過去数年間の水和物結晶化の研究の原動力の多くは、水和物プラグ凝集とその後の流れの閉塞を防ぐための石油業界の取り組みです。水和物が差し込みフローラインの原因であると判断する最初の研究は、19342年にHammerschmidtによって行われました。この日まで、石油生産者は、流れの保証3のための水和物形成を理解し、阻害することが非常に重要であると考えています。
水和物の形成を防ぐ1つの方法は、氷が形成されないように深い水パイプラインを絶縁することです。しかし、パイプラインを適切に絶縁するのは高価であり、追加コストは100万ドル/km3の順序で行うことができます。メタノールなどの熱力学的阻害剤をウェルヘッドに注入して、水和物の生成を防ぐことができます。しかし、水分補給水の形成を十分に防止するためには、アルコールに対する水の体積比が大きく、1:1と同じくらい大きく、十分に防ぐために必要である。最近、水和物防止にメタノールを使用する世界的なコストは、年間2億2000万ドルと報告されています。これは、アルコール使用量の持続可能な量ではありません 5.また、メタノールの使用は環境的に危険であり、大規模輸送5には使用できないため問題がある。あるいは、界面活性剤などの運動阻害剤は、20°C6までの少量および温度での水和物の成長を抑制することができる。6したがって、界面活性剤の存在は、水和物防止に必要な大量のアルコールを減らすことができます。
界面活性剤は、2つの主な理由により水和物結晶化のための良好な阻害剤と考えられています。
1)表面特性の変化を通じて水和物形成を阻害することができる。2)彼らは最初に水和物細胞の形成を助けるが、パイプライン7の下の結晶のさらなる成長と凝集を防ぐ。界面活性剤は有効な阻害剤であることが証明されているが、界面活性剤の存在下では結晶化過程に関して、依然として多くの情報が欠けている。いくつかの研究は、界面活性剤の使用は、特定のサブ冷却で初期水和物結晶化時間を延長できることを示しているが、他の研究は、低界面活性剤濃度で例外を発見しました。低い界面活性剤濃度では、水滴は合体し、水和物形成8のプロセスを加速する傾向がある。この阻害プロセスは、界面活性剤分子が平面水和物の成長を妨げ、水和物を中空円錐形の結晶形成に強制することによって説明されている。円錐形の結晶は、結晶成長9のための機械的障壁を形成し、したがって、成長を阻害する。
本研究では、低コストの統合されたモジュラーペルチェデバイス(IMPd)と水和物可視化セルを設計および実装し、非イオン界面活性剤の存在下でシクロペンタン水和物形成を研究するためにそれらを使用した。通常は深海の貯留槽で水和物を形成する低分子量ガス(例えば、CH4およびCO2)の代わりにシクロペンタンを使用する理由は、これらのガスが安定した水和物を形成するためにより高い圧力および低温を必要とするためである。シクロペンタンは、周囲の圧力および温度で水和物を形成するので、〜7.5°Cまで、水和物形成10のモデル材料としてよく用いられる。
統合されたモジュラーペルチェ装置(IMPd)は、オープンソースマイクロコントローラ、ペルチェプレート、CPUクーラー(ヒートシンク)、および防水デジタル温度センサで構成されています。装置は68 °Cの最高温度差を提供できる。最低温度分解能は1/16°Cです。電気回路とハードウェアを含むシステム全体を200ドル未満で構築できます。温度センサーはマイクロコントローラに報告し、トランジスタに出力信号を送ります。次に、トランジスタは、ペルチェ要素を通してDC電源から電流を流します。ヒートシンクはペルチェの熱側から周囲の空気に来る熱を連結することによってペルチェ要素を冷却するのに役立ちます。IMPd システムの組み立てられたハードウェア コンポーネントを図 1a,bに示します。図1cは、制御ループ(比例積分誘導[PID]コントローラ)とピンアウトのすべてのコンポーネントを持つ配線回路図を示しています。マイクロコントローラの出力電流は、ゲート抵抗R1で23mAの最大電流(I = 5 V/220 W)に制限されました。図1cのプルダウン抵抗R2により、ゲート電荷が消散し、システムの電源を切ることができます。PID コントローラをチューニングするために、チーグラー ニコルズ ベースのメソッドと反復プロセスを組み合わせて11を使用します。マイクロコントローラ統合開発環境(IDE)ソフトウェアは、温度調節のためにマイクロコントローラにコマンドを監視および送信するために使用されます。
IMPdと共に、視覚化技術と内圧測定を用いた新しいアプローチを適用した。IMPdの上に置かれる水和物の視覚化の細胞は2つの二重窓の観察窓が装備されている真鍮の細胞から成っている。窓はシクロペンタンの水滴の水和物形成プロセスのビデオ記録を可能にする。相補的な金属酸化物半導体(CMOS)カメラは窓の外に設置され、圧力トランスデューサは、ドロップの内部圧力測定を得るために、水噴射ラインに接続されています。デジタルトランスデューサアプリケーションは、圧力トランスデューサから測定値を取得するために使用されます。カメラビューアは、CMOSカメラからビデオや画像をキャプチャするために使用されます。ソフトウェアは露出とスナップショットの頻度を制御します。画像処理ソフトウェアプログラムは、水和物の成長を追跡するために使用されます。図2は、水和物可視化セルの概略的な説明を示し、図2bは実験系全体の概観図を示す。シードハイドレート(図2a)は、水和物増殖速度の一貫した核生成および追跡に必要である。シードハイドレートは、水和物セルの床に堆積した純水の少量(例えば、50~100 μL)です。温度が下がるにつれて、滴は氷を形成し、温度が上昇するにつれて水和に変わります。種子水和物の小片は、水滴に接触します。このプロセスは、水没水滴中の水和物の開始を制御します。シリカ・デシカントは、2枚のガラススライド(図2c)の間の隙間に挿入され、窓の表示として機能します。シリカ乾燥剤は、窓のフロスティングや曇りの量を減らすのに役立ちます。曇りが減るように、外側の窓にもアンチフォグが適用されます。画像は、CMOSカメラと28-90 mmレンズで撮影されます。150 W光ファイバーグースネックランプは、照明に使用されます。アクリルカバーは、シクロペンタンの蒸発を制限するために真鍮の細胞の上に置かれます.配管は、柔軟なポリテトラフルオロエチレン(PTFE)チューブと硬質真鍮チューブの組み合わせで構成されています。1 mLガラスの注射器と19 Gの針が付いているシリンジポンプは水および界面活性剤の流れを制御する。圧力トランスデューサは水界面活性剤の液滴の内部の圧力変化を監視する。19 G PTFEチューブは、シリンジをTフィッティングと1/16 inに接続し、(1.588 mm)真鍮チューブはトランスデューサとブラスフックをTフィッティングに接続します(図2d)。180°曲げで約5cmの真鍮フックが水/界面活性剤液滴を生成します。曲げにより、シリンジによって生成された液滴が実験中チューブの上に置かれておきます。1/16 in. PTFEクラッシュフェルールとPTFEスレッドテープと組み合わせたステンレス鋼Tフィッティングは、フィッティングをシールします。
この装置を用いて、石油産業で一般的に使用される異なる親水性親油性バランス(HLB)を有する4つの異なる非イオン性界面活性剤を調べた:ソルビタンモノラウレート、ソルビタンモノオレ酸塩、PEG-PPG-PEG、ポリオキシエチレンオービタントリステアリン酸。
Protocol
Representative Results
Discussion
本稿では、非イオン界面活性剤の存在下で油水界面で水和物結晶化を研究する実験技術について述べる。装置は、温度制御システムと窓、CMOSカメラ、および圧力トランスデューサを備えた真鍮チャンバーを含む可視化セルで構成されています。温度制御システムは、マイクロコントローラ、強力なペルチェプレート、ヒートシンクとして120ミリメートルCPUクーラー、および防水デジタル温度…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、米国化学会 – 石油研究基金(ACS – PFR)、助成金番号:PRF #57216-UNI9に財政的支援に感謝する。
Materials
| 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 |
Referenzen
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