Mikroflödessystem enheter för kännetecknar Pore-skala händelse processer i porösa medier för olja återvinning program
Summary
Målet med detta förfarande är att enkelt och snabbt producera en mikroflödessystem enhet med anpassningsbar geometri och motstånd till svullnad av organiska vätskor för olja återvinning studier. Ett Polydimetylsiloxan mögel först genereras, och sedan används för att kasta den epoxi-baserad enheten. En representativ deplacement studie rapporteras.
Abstract
Mikroflödessystem enheter är mångsidiga verktyg för att studera processer på en mikroskopisk skala. Finns det en efterfrågan för mikroflödessystem enheter som är resistenta mot låg molekylvikt olja komponenter, till skillnad från traditionella Polydimetylsiloxan (PDMS) enheter. Här visar vi en lättköpt metod för att göra en enhet med detta boende, och vi använder produkten av detta protokoll för att pröva de por-skala mekanismerna genom vilka skum återvinner råolja. Ett mönster är först utformad med datorstödd konstruktion (CAD) programvara och tryckta på en öppenhet med en skrivare för högupplöst utskrift. Detta mönster överförs sedan till en fotoresist via en litografi. PDMS är gjutna på mönstret, härdas i ugn och bort för att få en mögel. En tiol-ene crosslinking polymer, vanligen används som en optisk adhesiv (OA), sedan hälls på mögel och botas under UV-ljus. PDMS mögel är skalade bort från den optiska självhäftande gjuten. En glass substrate tillreds, och de två halvorna av enheten är sammanbundna. Optiska lim-baserade enheter är robustare än traditionella PDMS mikroflödessystem enheter. Epoxi strukturen är resistent mot svullnad av många organiska lösningsmedel, som öppnar nya möjligheter för experiment med ljus organiska vätskor. Dessutom är ytan Vätbarheten uppförandet av dessa enheter mer stabil än PDMS. Byggandet av optiska självhäftande mikroflödessystem enheter är enkel, men kräver stegvis mer ansträngning än tillverkningen av PDMS-baserade enheter. Också, även om optiska självhäftande enheter är stabil i organiska vätskor, kan de uppvisar nedsatt bond-styrka efter en lång tid. Optiska självhäftande mikroflödessystem enheter kan göras i geometrier som fungerar som 2-D mikromodeller för porösa medier. Dessa enheter används i studien av olja förskjutning att förbättra vår förståelse av de por-skala mekanismerna som är involverade i förbättrad olja återvinning och akvifer reparation.
Introduction
Syftet med denna metod är att visualisera och analysera flerfas, multi-komponent vätska interaktioner och komplexa pore-skala dynamics i porösa medier. Vätskeflöde och transport i porösa medier varit av intresse i många år eftersom dessa system är tillämpliga på flera subsurface processer såsom oljeutvinning, akvifer sanering och hydraulisk spräckning1,2, 3 , 4 , 5. använda mikromodeller för att efterlikna dessa komplexa pore-strukturer, unika insikter är vunnits genom att visualisera pore-nivå dynamiska händelser mellan olika flytande faser och den media6,7,8 ,9,10,11.
Tillverkning av traditionella kiselbaserade mikromodeller är dyrt, tidskrävande och utmanande, men att konstruera mikromodeller från optiska självhäftande erbjuder en relativt billig, snabb och lätt alternativa12,13, 14,15. Jämfört med andra polymerbaserade mikromodeller, uppvisar optisk självhäftande mer stabil yta vätning egenskaper. Till exempel blir Polydimetylsiloxan (PDMS) micromodel ytor snabbt hydrofoba under en typisk deplacement experiment16. Dessutom är de Youngs modulus av PDMS 2,5 MPa som optiska lim är 325 MPa13,17,18. Således, optisk lim är mindre benägna att pressa inducerad deformation och kanal misslyckande. Viktigt, är härdade optiska lim mycket mer resistenta mot svullnad av lågmolekylära organiska komponenter, vilket gör experiment med råolja och ljus lösningsmedel vara genomfört18. Övergripande, optisk lim är ett överlägset alternativ till PDMS för förskjutning studier där råolja när kiseldioxid-baserade mikromodeller är oöverkomligt komplex eller dyr och hög temperatur och tryck studier krävs inte.
Protokollet beskrivs i denna publikation finns stegvisa fabrication instruktioner för optisk självhäftande mikromodeller och rapporterar subtila knep som garanterar framgång i manipulering av små mängder vätskor. Design och tillverkning av optiska självhäftande baserat mikromodeller med mjuk litografi beskrivs först. Sedan ges vätska deplacement strategin för extremt låga flöden som är vanligen ouppnåelig med massflödet styrenheter. Nästa, en representativ experimentella resultat ges som exempel. Detta experiment avslöjar skum destabilisering och förökning beteende i närvaro av råolja och heterogena porösa medier. Slutligen redovisas typisk bild bearbetning och dataanalys.
Metoden som anges här är lämpligt för visualisering tillämpningar som involverar flerfas flöde och interaktioner i trånga microchannel utrymmen. Specifikt, denna metod är optimerad för karakteristiska mikro-funktionen upplösningar större än 5 och 700 µm. typiska flöden är storleksordningen 0,1 till 1 mL/h. I studier av råolja eller ljus lösningsmedel förskjutning av vattenlösning eller gasformiga fluider på order av dessa optimerade parametrar på omgivningsförhållanden, bör detta protokoll vara lämpliga.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll för att studera olja återvinningsprocesser i optiska självhäftande mikromodeller balans en mellan robustheten av icke-polymera mikromodeller – såsom glas eller kisel – och lättköpt tillverkning av PDMS mikroflödessystem enheter. Till skillnad från mikromodeller gjord av glas eller optiska lim, saknar PDMS enheter motståndskraft mot lätta organiska arter. PDMS mikromodeller är inte heller perfekt för många experiment eftersom ytbehandlar av dessa enheter har instabil vätning boenden och …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi erkänner det finansiella stödet från Rice University Consortium for processer i porösa medier (Houston, TX, USA).
Materials
| 3 mL Leur-Lok Syringe | Fischer Scientific | 14-823-435 | |
| 10 mL Glass Syringe | Fischer Scientific | 1482698G | |
| Photomask | CAD/Art Services | ||
| Silicon Wafer | University Wafer | 452 | |
| Propylene-Glycol-Methyl-Ether-Acetate | Sigma Aldrich | 484431-4L | |
| 150 mm Glass Petri Dish | Carolina Biological Supply | #721134 | |
| 60 mm Plastic Petri Dish | Carolina Biological Supply | #741246 | |
| Mask Aligner | EV Group | EVG 620 | |
| 1 mm Biopsy Punch | Miltex, Plainsboro, NJ | 69031-01 | |
| Industrial Dispensing Tip | CML Supply | Gauge 23 | |
| Inverted Microscope | Olympus | IX-71 | |
| Plasma System | Harrick Plasma | PDC-32G | Plasma cleaner |
| Polydimehtylsiloxane (PDMS) | Dow Corning, Midland, MI | SYLGARD 184 | |
| Norland Optical Adhesive 81 (NOA81) or (OA) | Norland Products Inc. | 8116 | Optical adhesive |
| Quick-Set Epoxy | Fisher Scientific | 4001 | |
| Glass Slides | Globe Scientic Inc. | 1321 | |
| SU-8 2015 Photoresist | MicroChem | SU-8 2015 | Photo resist |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | Fusion 400 | |
| Glass Capillary Tubing | SGE Analytical Science | 1154710C | |
| High-Speed Camera | Vision Research | V 4.3 | |
| Polyethylene Tubing | Scientific Commodities Inc. | #BB31695-PE/3 |
References
- Blaker, T., et al. Foam for Gas Mobility Control in the Snorre Field: The FAWAG Project. SPE Reserv Eval Eng. 5 (04), 317-323 (2002).
- Mannhardt, K., Svorstøl, I. Effect of oil saturation on foam propagation in Snorre reservoir core. J Petrol Sci Eng. 23 (3-4), 189-200 (1999).
- Falls, A. H., Lawson, J. B., Hirasaki, G. J. The Role of Noncondensable Gas in Steam Foams. J Petrol Technol. 40 (01), 95-104 (1988).
- Hirasaki, G. J., Miller, C. A., Szafranski, R., Lawson, J. B., Akiya, N. . Surfactant/Foam Process for Aquifer Remediation. , (1997).
- Lv, Q., Li, Z., Li, B., Li, S., Sun, Q. Study of Nanoparticle-Surfactant-Stabilized Foam as a Fracturing Fluid. Ind Eng Chem Res. 54 (38), 9468-9477 (2015).
- Conn, C. A., Ma, K., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Visualizing oil displacement with foam in a microfluidic device with permeability contrast. Lab Chip. 14 (20), 3968-3977 (2014).
- Ma, K., Liontas, R., Conn, C. A., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Visualization of improved sweep with foam in heterogeneous porous media using microfluidics. Soft Matter. 8 (41), 10669 (2012).
- Anna, S. L., Bontoux, N., Stone, H. A. Formation of dispersions using “flow focusing” in microchannels. Appl Phys Lett. 82 (3), 364 (2003).
- Gauteplass, J., Chaudhary, K., Kovscek, A. R., Fernø, M. A. Pore-level foam generation and flow for mobility control in fractured systems. Colloid Surface A. 468, 184-192 (2015).
- Kovscek, A. R., Radke, C. J. Gas bubble snap-off under pressure-driven flow in constricted noncircular capillaries. Colloid Surface A. 117 (1-2), 55-76 (1996).
- Géraud, B., Jones, S. A., Cantat, I., Dollet, B., Méheust, Y. The flow of a foam in a two-dimensional porous medium: FOAM FLOW IN A 2-D POROUS MEDIUM. Water Resour Res. 52 (2), 773-790 (2016).
- Lin, Y. -. J., et al. Examining Asphaltene Solubility on Deposition in Model Porous Media. Langmuir. 32 (34), 8729-8734 (2016).
- Bartolo, D., Degré, G., Nghe, P., Studer, V. Microfluidic stickers. Lab Chip. 8 (2), 274-279 (2008).
- Kenzhekhanov, S. . Chemical EOR process visualization using NOA81 micromodels. , (2017).
- Zhuang, Y. G., et al. Experimental Investigation of Asphaltene Deposition in a Transparent Microchannel. Proceedings of the 1st Thermal and Fluid Engineering Summer Conference. , (2016).
- Ma, K., Rivera, J., Hirasaki, G. J., Biswal, S. L. Wettability control and patterning of PDMS using UV-ozone and water immersion. J Colloid Interf Sci. 363 (1), 371-378 (2011).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Anal Chem. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- Sollier, E., Murray, C., Maoddi, P., Di Carlo, D. Rapid prototyping polymers for microfluidic devices and high pressure injections. Lab Chip. 11 (22), 3752 (2011).
- Lee, J. N., Park, C., Whitesides, G. M. Solvent Compatibility of Poly(dimethylsiloxane)-Based Microfluidic Devices. Anal Chem. 75 (23), 6544-6554 (2003).
- Silvestrini, S., et al. Tailoring the wetting properties of thiolene microfluidic materials. Lab Chip. 12 (20), 4041 (2012).
- Wägli, P., Homsy, A., de Rooij, N. F. Norland optical adhesive (NOA81) microchannels with adjustable wetting behavior and high chemical resistance against a range of mid-infrared-transparent organic solvents. Sensor Actuat B-Chem. 156 (2), 994-1001 (2011).
- Hung, L. -. H., Lin, R., Lee, A. P. Rapid microfabrication of solvent-resistant biocompatible microfluidic devices. Lab Chip. 8 (6), 983 (2008).
