Microfluidic apparaten voor het karakteriseren van porie-schaal gebeurtenis processen in poreuze Media voor olie herstel toepassingen
Summary
Het doel van deze procedure is te gemakkelijk en snel produceren een microfluidic-apparaat met aanpasbare geometrie en weerstand tegen de zwelling door organische vloeistoffen voor olie herstel studies. Een Polydimethylsiloxaan schimmel is eerst gegenereerd, en vervolgens gebruikt om het apparaat op basis van epoxy gegoten. Een representatieve verplaatsing studie wordt gerapporteerd.
Abstract
Microfluidic apparaten zijn veelzijdige tools voor het bestuderen van transportprocessen op microscopische schaal. Een vraag bestaat voor microfluidic apparaten die resistent zijn tegen lage moleculaire gewicht olie componenten, in tegenstelling tot traditionele Polydimethylsiloxaan (PDMS) apparaten. Hier, wij tonen een facile methode voor het maken van een apparaat met deze eigenschap, en we gebruiken het product van dit protocol voor de behandeling van de porie-schaal mechanismen door welke schuim herstelt ruwe olie. Een patroon is eerst ontworpen met behulp van computer aided design (CAD) software en afgedrukt op een transparantie met een hoge-resolutieprinter. Dit patroon wordt vervolgens overgebracht naar een fotoresist via een litho-procedure. PDMS is geworpen op het patroon, genezen in een oven en verwijderd om het verkrijgen van een schimmel. Een thiol-Ono crosslinking polymeer, gebruikte als een optische lijm (OA), vervolgens op de mal gegoten en genezen onder UV-licht. De schimmel PDMS wordt gepeld uit de buurt van de optische zelfklevende cast. Een glazen substraat wordt dan voorbereid, en de twee helften van het apparaat zijn samen gebonden. Optische lijm gebaseerde apparaten zijn robuuster dan traditionele PDMS microfluidic apparaten. De epoxy-structuur is resistent tegen zwelling door vele organische oplosmiddelen, die opent nieuwe mogelijkheden voor het uittesten van licht organische vloeistoffen. Bovendien, is het oppervlak bevochtigbaarheid gedrag van deze apparaten stabieler dan die van PDMS. De bouw van optische zelfklevende microfluidic apparaten is eenvoudig, nog vergt stapsgewijs meer inspanning dan het maken van PDMS-gebaseerde apparaten. Ook, hoewel optische zelfklevende apparaten stabiel in organische vloeistoffen zijn, kunnen ze vertonen verminderde hechtsterkte-na een lange tijd. Optische zelfklevende microfluidic apparaten kunnen worden gemaakt in geometrieën die als 2D-micromodels voor poreuze media fungeren. Deze apparaten worden toegepast in de studie van olie verplaatsing ter verbetering van ons inzicht in de porie-schaal mechanismen die betrokken zijn bij verbeterde olie herstel en aquifer sanering.
Introduction
Het doel van deze methode is om te visualiseren en analyseren van multi-phase, multi-component vloeistof interacties en complexe porie-schaal dynamiek in poreuze media. Vloeistofstromen en vervoer in poreuze media zijn van belang voor vele jaren omdat deze systemen zijn van toepassing op verschillende ondergrond processen zoals oliewinning, aquifer sanering en hydraulische breken1,2, 3 , 4 , 5. het gebruik van micromodels om na te bootsen van deze complexe porie-structuren, unieke inzichten worden verdiend door het visualiseren van de dynamische gebeurtenissen porie-niveau tussen de verschillende fasen van de vloeistof en de media6,7,8 ,9,10,11.
De fabricage van traditionele silica gebaseerde micromodels is duur, tijdrovend en uitdagend, maar bouw van micromodels van optische lijm biedt een relatief goedkoop, snel en gemakkelijk alternatieve12,13, 14,,15. Vergeleken met andere polymeer gebaseerde micromodels, vertoont optische lijm stabieler oppervlak bevochtigende eigenschappen. Bijvoorbeeld, wordt Polydimethylsiloxaan (PDMS) micromodel oppervlakken snel hydrofobe in de loop van een typische verplaatsing experiment16. Bovendien is de Youngs modulus voor PDMS 2.5 MPa, terwijl die van optische lijm 325 MPa13,17,18. Optische lijm is dus minder gevoelig voor druk geïnduceerde vervorming en kanaal mislukking. Belangrijker, is genezen optische lijm veel beter bestand zijn tegen de zwelling door lage moleculaire gewicht organische componenten, waarmee experimenten met ruwe aardolie en lichte oplosmiddelen transiënte18. Totale optische lijm is een superieur alternatief voor PDMS voor verplaatsing studies waarbij ruwe olie wanneer silica gebaseerde micromodels onbetaalbaar complexe of dure zijn en hoge temperatuur en druk studies niet vereist zijn.
Het protocol beschreven in deze publicatie wordt uitgelegd hoe u stapsgewijs fabricage voor optische zelfklevende micromodels en rapporten van de subtiele trucs die zorgen voor succes in het manipuleren van kleine hoeveelheden vloeistoffen. Het ontwerp en de fabricage van optische zelfklevende gebaseerde micromodels met zachte litho is voor het eerst beschreven. Vervolgens wordt de strategie van vloeistof verplaatsing gegeven voor ultra-lage stroomsnelheid die vaak onbereikbaar met massastroom controllers zijn. Vervolgens wordt een representatieve experimentele resultaat gegeven als een voorbeeld. Dit experiment onthult schuim destabilisatie en vermeerdering probleem in aanwezigheid van ruwe olie en heterogene poreuze media. Tot slot, typische verwerking en gegevens beeldanalyse wordt gemeld.
De methode die hier is geschikt voor visualisatie toepassingen waarbij multi-phase flow en interacties in beperkt microchannel-ruimten. Specifiek, deze methode is geoptimaliseerd voor karakteristiek micro-functie resoluties groter dan 5 en minder dan 700 µm. typische debiet worden over de volgorde van 0,1 tot 1 mL/h. In studies van ruwe olie of lichte oplosmiddel verplaatsing door waterige of gasvormige vloeistoffen over de volgorde van deze geoptimaliseerde parameters op omgevingsomstandigheden, moet dit protocol worden afgestemd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol voor het bestuderen van de olie herstel processen in optische zelfklevende micromodels biedt een evenwicht tussen de robuustheid van niet-polymerische micromodels – zoals glas of silicium- en de facile fabricage van PDMS microfluidic apparaten. In tegenstelling tot de micromodels van glas of optische lijm gemaakt, PDMS apparaten geen weerstand tegen lichte biologische soorten. PDMS micromodels zijn ook niet ideaal voor vele experimenten omdat het oppervlak van deze apparaten unstable bevochtigende eigensch…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij erkennen de financiële steun van de Rice University Consortium voor processen in poreuze Media (Houston, TX, Verenigde Staten).
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).
