저비용 통합 모듈형 펠티에 장치를 사용하여 오일-워터 인터페이스에서 수화물 결정화에 대한 계면활성제 효과 연구
Summary
우리는 사이클로펜탄에 잠긴 물방울의 계면에 대한 요온 계면 활성제의 존재에서 수화물의 형성을 연구하는 프로토콜을 제시한다. 이 프로토콜은 저비용, 프로그래밍 가능한 온도 조절기 구축으로 구성됩니다. 온도 제어 시스템은 시각화 기술 및 내부 압력 측정과 결합됩니다.
Abstract
우리는 난오 계면 활성제의 영향으로 수화물의 형성과 성장을 연구하는 접근 법을 소개합니다. 실험 시스템에는 온도 조절기, 시각화 기술 및 내부 압력 측정이 포함됩니다. 온도 제어 시스템에는 고체 펠티에 부품으로 제작된 저비용의 프로그래밍 가능한 온도 조절기가 포함되어 있습니다. 온도 제어 시스템과 함께, 우리는 비주얼리제이션 계면활성제의 존재에 수화물 형성 및 억제를 연구하기 위해 시각화 기술과 내부 압력 측정을 통합했습니다. 우리는 낮은 (즉, 0.1 CMC), 중간 (즉, CMC), 및 높은 (즉, 10 CMC) 농도에서 난오 계면 활성제 (소르비탄 모노 라우 레이트, 소르비탄 모노 올레이트, PEG-PPG-PEG 및 폴리 옥시에틸렌 레스코비탄 트리스테아레이트)의 수화물 억제 능력을 연구했다. 결정의 두 가지 유형이 형성되었다 : 평면과 원두. 평면 결정은 일반 물과 낮은 계면 활성제 농도에서 형성되었다. 원뿔형 결정은 높은 계면 활성제 농도로 형성되었다. 연구 결과는 원유질 결정이 수화물 억제의 관점에서 가장 효과적이다는 것을 보여줍니다. 원유결정은 특정 크기를 초과하여 성장할 수 없기 때문에 원엽 결정으로서 수화물 성장 속도는 평면 결정으로서 수화물 성장 속도보다 느립니다. 따라서 원유질 결정을 형성하기 위해 수분을 공급하는 계면활성제가 가장 효율적입니다. 프로토콜의 목적은 계면활성제 분자의 존재에 물방울의 표면에 사이클로펜탄 수화 결정화 공정을 조사 할 수있는 실험 시스템의 상세한 설명을 제공하는 것입니다.
Introduction
수화물 결정화 및 억제 메커니즘을 이해하는 인센티브는 수화물이 석유 파이프 라인에서 자연적으로 발생하고 흐름 보증에 어려움을 초래할 수 있다는 사실에서 비롯됩니다. 예를 들어, 2010년 멕시코 만 오일 유출1은 수중 오일 배관 시스템에 수화물이 축적되어 환경에 오염을 일으킨 결과입니다. 따라서 미래의 환경 재해를 예방하기 위해서는 수화물 형성과 억제를 이해하는 것이 중요합니다. 지난 몇 년 동안 수화물 결정화 연구를 위한 원동력의 대부분은 수화물 플러그 응집 및 후속 흐름 막힘을 방지하기 위한 석유 산업의 노력입니다. 수화물이 연결 된 유동선에 대한 책임이 있음을 결정하는 첫 번째 연구는 1934 년 Hammerschmidt에 의해 수행되었다2. 오늘날까지, 석유 생산자는 흐름 보증3을이해하고 수화물 형성을 억제하는 것이 매우 중요하다고 합니다.
수화물 형성을 방지하는 한 가지 방법은 얼음이 형성되지 않도록 깊은 물 파이프 라인을 절연하는 것입니다. 그러나 파이프 라인을 적절하게 절연하는 것은 비용이 많이 들며 추가 비용은 $ 1 백만 / km3의순서일 수 있습니다. 메탄올과 같은 열역학적 억제제는 수화물 형성을 방지하기 위해 유정에 주입 될 수 있습니다. 그러나, 알코올에 대한 물의 큰 부피 비율은, 1:1만큼 큰, 적절하게 수화물의 형성을 방지하기 위해 필요하다4. 최근, 수분 공급 예방을 위해 메탄올을 사용하는 전 세계 비용은 연간 2억 2천만 달러로 보고되었습니다. 이것은 알코올 사용의 지속 가능한금액이아니다 5 . 또한, 메탄올의 사용은 환경적으로 위험하기 때문에 문제가 되며, 대규모 운송에 사용할 수 없다5. 대안적으로, 계면활성제와 같은 운동 억제제는, 최대 20°C6의소량 및 온도에서 수화물 성장을 억제할 수 있다. 따라서, 계면 활성제 존재는 수화물 예방에 필요한 많은 양의 알코올을 줄일 수 있습니다.
계면활성제는 두 가지 주요 이유로 인해 수화물 결정화를위한 좋은 억제제로 간주됩니다 :
1) 그들은 표면 속성 변화를 통해 수화물 형성을 억제 할 수 있습니다; 및 2) 그들은 처음에 수화물 세포의 형성을 돕지만 파이프 라인7아래로 결정의 추가 성장 및 응집을 방지합니다. 계면활성제는 효율적인 억제제임이 입증되었지만 계면활성제가 있는 경우 결정화 공정에 관한 많은 정보가 누락되어 있습니다. 일부 연구는 계면 활성제의 사용이 특정 서브 쿨링에서 초기 수화물 결정화 시간을 연장 할 수 있음을 보여주었지만, 다른 연구는 낮은 계면 활성제 농도에서 예외를 발견했다. 낮은 계면 활성제 농도에서, 물방울은 유착하고 수화물 형성의 과정을 가속화하는 경향이8. 억제 과정은 계면 활성제 분자가 평면 수화물 성장을 방해하여 수화물을 중공 원뿔 형 결정 형성으로 강요하여 설명되었습니다. 원두질 결정은 결정 성장을 위한 기계적 장벽을형성하고 9,따라서 성장을 억제한다.
이 연구에서 우리는 수화물 시각화 셀과 함께 저비용의 통합 모듈형 펠티에 장치 (IMPd)를 설계및 구현했으며, 이를 사용하여 nonionic 계면 활성제가 있는 경우 사이클로펜탄 수화물 형성을 연구했습니다. 일반적으로 깊은 바다 저수지에서 수화물을 형성하는 낮은 분자가스 (예 : CH4 및CO2)대신 사이클로펜탄을 사용하는 이유는 이러한 가스가 안정적인 수화물을 형성하기 위해 더 높은 압력과 낮은 온도를 필요로하기 때문입니다. 사이클로펜탄은 주위 압력 및 온도에서 최대 ~7.5°C의 수화물을 형성하기 때문에, 수화물형성(10)을위한 모델 재료로 자주 사용된다.
통합 모듈형 펠티에 장치(IMPd)는 오픈 소스 마이크로 컨트롤러, 펠티에 플레이트, CPU 쿨러(방열판) 및 방수 디지털 온도 센서로 구성됩니다. 이 장치는 68 °C의 최대 온도 차이를 제공 할 수 있습니다. 최소 온도 분해능은 1/16°C입니다. 전기 회로 및 하드웨어를 포함한 전체 시스템을 $200 미만으로 구성할 수 있습니다. 온도 센서는 마이크로 컨트롤러에 보고하여 트랜지스터에 출력 신호를 보냅니다. 트랜지스터는 DC 전원에서 펠티에 원소를 통해 전류를 전달합니다. 방열판은 펠티에의 뜨거운 면에서 주변 공기로 들어오는 열을 대류하여 펠티에 원소를 냉각하는 데 도움이 됩니다. IMPd 시스템의 조립된 하드웨어 구성 요소는 그림 1a,b에나와 있습니다. 도 1c는 제어 루프(비례-적분 유도체[PID] 제어기)와 핀아웃의 모든 구성요소와 함께 배선 회로도를 나타낸다. 마이크로 컨트롤러의 출력 전류는 게이트 저항기 R1을 최대 전류 23 mA(I = 5 V/220 W)로 제한하였다. 그림 1c의 풀다운 저항기R2를 사용하면 게이트 전하가 소멸되고 시스템을 끌 수 있습니다. PID 컨트롤러를 조정하기 위해 반복 프로세스와 결합된 Ziegler-Nichols 기반 메서드가11을사용합니다. 마이크로 컨트롤러 통합 개발 환경(IDE) 소프트웨어는 온도 조절을 위해 마이크로 컨트롤러에 명령을 모니터링하고 전송하는 데 사용됩니다.
IMPd와 함께 시각화 기술과 내부 압력 측정을 사용하여 새로운 접근 방식을 적용했습니다. IMPd 위에 배치되는 수화물 시각화 셀은 두 개의 이중 관측 창이 장착된 황동 셀로 구성됩니다. 창문을 통해 사이클로펜탄의 물방울에 수화물 형성 과정을 비디오로 녹화할 수 있습니다. 상보적 금속 산화물 반도체(CMOS) 카메라는 창 외부에 배치되고 압력 트랜스듀서는 낙하의 내부 압력 측정을 얻기 위해 물 분사 라인에 연결됩니다. 디지털 트랜스듀서 애플리케이션은 압력 트랜스듀서에서 판독값을 얻는 데 사용됩니다. 카메라 뷰어는 CMOS 카메라에서 비디오및 이미지를 캡처하는 데 사용됩니다. 이 소프트웨어는 노출 및 스냅샷 빈도를 제어합니다. 이미지 프로세싱 소프트웨어 프로그램은 수화물의 성장을 추적하는 데 사용됩니다. 도 2는a 수화물 시각화 셀에 대한 개략적 설명을 나타내고 도 2b는 전체 실험 시스템의 개요를 나타낸다. 종자 수화물(도2a)은수화물 성장 속도의 일관된 핵 형성 및 추적을 위해 요구된다. 종수화물은 수화물 셀의 바닥에 증착된 순수한 물의 작은 부피(예를 들어, 50-100 μL)이다. 온도가 낮아지면 낙하가 얼음을 형성하고 온도가 증가함에 따라 수분 공급이 됩니다. 씨앗 의 작은 조각은 물방울에 접촉 다음 수화. 이 프로세스는 침수된 물방울에서 수화물의 개시를 제어합니다. 실리카 데시칸트는 두 개의 유리 슬라이드 사이의간격(그림2c)에삽입되어 윈도우를 보는 역할을 한다. 실리카 건조제는 창문에 프로스팅과 안개가 되는 양을 줄이는 데 도움이 됩니다. 김서림 방지는 김서림을 줄이기 위해 외부 창에도 적용됩니다. CMOS 카메라와 28~90mm 렌즈로 이미지를 캡처합니다. 조명에는 150W 광섬유 거위 넥 램프가 사용됩니다. 아크릴 커버는 사이클로펜탄의 증발을 제한하기 위해 황동 셀 의 상단에 배치됩니다. 배관은 유연한 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 튜브와 견고한 황동 튜브의 조합으로 구성됩니다. 1 mL 유리 주사기와 19G 바늘이있는 주사기 펌프는 물과 계면 활성제 용액의 흐름을 제어합니다. 압력 트랜스듀서는 수중 계면활성제 액상 물방울 내부의 압력 변화를 모니터링합니다. 19 G PTFE 튜브는 주사기를 T 피팅에 연결하고 1/16 인치 (1.588 mm) 황동 튜브는 트랜스듀서와 황동 후크를 T 피팅에 연결합니다(그림 2d). 180° 굽힘이 있는 길이 약 5cm의 황동 후크는 물/계면활성제 액적을 생성합니다. 굽힘은 주사기에 의해 생성된 물방울이 실험 전반에 걸쳐 튜브 위에 놓이도록 합니다. PTFE 크러시 페룰 및 PTFE 나사 테이프 테이프와 함께 1/16 인치 스테인리스 스틸 T 피팅이 피팅을 밀봉합니다.
이 장치를 사용하여, 우리는 석유 산업에서 일반적으로 사용되는 다른 친수성 – 친혈 성 균형 (HLB)을 가진 4 개의 다른 난온 계면활성제를 조사했습니다 : 소르비안 모노 라우 레이트, 소르비안 모노 올레트, PEG-PPG-PEG 및 폴리 옥시에틸렌 트리스테아테.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 기사에서는 난오계면활성제가 있는 오일-워터 인터페이스에서 수화물 결정화를 연구하는 실험 기술을 설명합니다. 이 장치는 온도 제어 시스템과 창문이 있는 황동 챔버, CMOS 카메라 및 압력 변환기가 포함된 시각화 셀로 구성됩니다. 온도 제어 시스템은 마이크로 컨트롤러, 강력한 펠티에 플레이트, 방열판으로 120mm CPU 쿨러, 방수 디지털 온도 센서로 구성됩니다. 수화물 시각화 황동 셀은 창?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는 미국 화학 협회 – 석유 연구 기금 (ACS – PFR), 보조금 번호 감사합니다 : PRF # 57216-UNI9, 재정 지원을 위해.
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 |
Referências
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