Mikrofluidische Geräte zur Charakterisierung von Pore angelegte Veranstaltung Prozesse in porösen Medien für Öl-Recovery-Anwendungen
Summary
Das Ziel dieses Verfahrens ist es, einfach und schnell eine mikrofluidischen Gerät mit anpassbare Geometrie und Widerstand gegen Schwellungen von organischen Flüssigkeiten für Erholung Ölstudien produzieren. Ein Polydimethylsiloxan Schimmel ist zuerst erzeugt und dann verwendet, um das Epoxy-basierte Gerät gegossen. Eine repräsentative Verschiebung-Studie wird berichtet.
Abstract
Mikrofluidische Geräte sind vielseitige Werkzeuge für das Studium von Transportprozessen im mikroskopischen Maßstab. Eine Nachfrage besteht, sind resistent gegen niedrigen Molekulargewicht Ölkomponenten, im Gegensatz zu traditionellen Polydimethylsiloxan (PDMS) Geräte für mikrofluidischen Geräte. Hier zeigen wir eine einfache Methode zur Herstellung eines Geräts mit dieser Eigenschaft, und wir nutzen das Produkt dieses Protokolls für die Pore-Skala-Mechanismen von welcher Schaum erholt sich Rohöl zu untersuchen. Eine Muster wird zuerst entworfen, mit Computer aided Design (CAD) Software und auf eine Transparenz mit einem hochauflösenden Drucker gedruckt. Dieses Muster wird dann über eine Lithographie-Verfahren zu einem Fotolack übertragen. PDMS ist auf dem Muster gegossen, im Ofen ausgehärtet und entfernt, um eine Form zu erhalten. Ein Thiol-ene Vernetzung Polymer, allgemein verwendet als optische Klebstoff (OA), ist dann auf der Form gegossen und unter UV-Licht ausgehärtet. PDMS-Schimmel ist weg von der optischen Klebstoff Besetzung geschält. Ein Glassubstrat ist dann bereit, und die beiden Hälften des Geräts sind miteinander verbunden. Optische Klebstoff-basierte Geräte sind robuster als herkömmliche PDMS mikrofluidischen Geräte. Die Epoxy-Struktur ist resistent gegen Schwellungen durch viele organische Lösungsmittel, die neue Möglichkeiten für Experimente mit Licht organische Flüssigkeiten eröffnet. Darüber hinaus ist das DGM Benetzbarkeit Verhalten dieser Geräte stabiler als die von PDMS. Der Bau von optischen Klebstoff mikrofluidischen Geräten ist einfach, dennoch ist inkrementell aufwändiger als die Herstellung von PDMS-basierten Geräten. Wenn optische Klebstoff Geräte in organischen Flüssigkeiten stabil sind, können sie auch reduzierter Klebkraft nach langer Zeit aufweisen. Optische Klebstoff mikrofluidischen Geräten erfolgen in Geometrien, die als 2-D Micromodels für poröse Medien fungieren. Diese Geräte werden in der Studie von Öl Verschiebung um besser zu verstehen die Pore-Skala Mechanismen verstärkten Öl Erholung und Aquifer Sanierung angewendet.
Introduction
Der Zweck dieser Methode ist es, zu visualisieren und zu analysieren, mehrphasige, Mehrkomponenten Fluid Interaktionen und komplexe Pore-Skala Dynamik in porösen Medien. Strömung und Transport in porösen Medien von Interesse für viele Jahre gewesen weil diese Systeme für mehrere Untergrund Prozesse wie Ölgewinnung, Aquifer Sanierung und hydraulische fracturing1,2, gelten 3 , 4 , 5. über Micromodels, um diese komplexen Porenstrukturen zu imitieren, einzigartige sind Erkenntnisse durch die Visualisierung dynamischer Ereignisse Pore-Ebene zwischen den verschiedenen Fluiden Phase und die Medien6,7,8 ,9,10,11.
Die Herstellung von traditionellen Silica-basierten Micromodels ist teuer, zeitaufwändig und anspruchsvoll, aber Bau Micromodels aus optischen Klebstoff bietet eine relativ preiswerte, schnelle und einfache alternative12,13 14,15. Verglichen mit anderen Polymer-basierten Micromodels, weist optische Klebstoff stabilere Benetzung Eigenschaften. Z. B. werden Polydimethylsiloxan (PDMS) Micromodel Oberflächen hydrophobe im Laufe eines typischen Hubraum Experiment16schnell. Darüber hinaus ist der Elastizitätsmodul des PDMS 2,5 MPa während der optischen Klebstoff 325 MPa13,17,18. Somit ist optische Klebstoff weniger anfällig für Druck induzierten Verformung und Kanal scheitern. Wichtig ist, ist ausgehärteter Klebstoff optische wesentlich widerstandsfähiger gegen Schwellungen von niedermolekularen organischen Komponenten, wodurch Experimente mit Rohöl und leichte Lösungsmittel durchgeführt18sein. Insgesamt, optische Klebstoff ist eine überlegene Alternative zu PDMS für Verschiebung Studien mit Rohöl, wenn Silica-basierten Micromodels übermäßig kompliziert oder teuer sind und hohe Temperatur und Druck Studien nicht erforderlich sind.
Das Protokoll in dieser Publikation beschriebenen bietet die schrittweise Herstellung Anweisungen für optische Klebstoff Micromodels und Berichte der subtilen Tricks, die Erfolg in der Manipulation von kleinen Mengen von Flüssigkeiten. Die Konstruktion und Herstellung von optischen Klebstoff auf der Grundlage Micromodels mit weichen Lithographie wird zuerst beschrieben. Dann ist die Flüssigkeit Verschiebung Strategie für Ultra niedrige Durchflussmengen gegeben, die häufig mit Massendurchflussregler unerreichbar sind. Als nächstes wird eine repräsentative Versuchsergebnis als Beispiel gegeben. Dieses Experiment zeigt Schaum Destabilisierung und Vermehrung Verhalten in Anwesenheit von Rohöl und heterogenen porösen Medien. Zu guter Letzt wird typisches Bild Verarbeitung und Datenanalyse berichtet.
Die Methode zur Verfügung gestellt, hier eignet sich für Visualisierung Anwendungen mit Multi-Phasen-Strömung und Interaktionen in beengten Microchannel Räumen. Insbesondere diese Methode ist optimiert für charakteristische Mikro-Feature Auflösungen größer als 5 und weniger als 700 µm. typische Strömungsgeschwindigkeiten sind in der Größenordnung von 0,1 bis 1 mL/h. In Studien von Rohöl oder leichte Lösungsmittel Verschiebung durch wässrige oder gasförmige Fluide in der Größenordnung von diesen optimierten Parametern bei Umgebungsbedingungen sollte dieses Protokoll angemessen sein.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll für das Studium Öl-Recovery-Prozesse in optischen Klebstoff Micromodels Gleichgewicht ein zwischen der Robustheit des nicht-polymerer Micromodels – wie Glas oder Silizium – und die einfache Herstellung von PDMS mikrofluidischen Geräten. Im Gegensatz zu Micromodels Glas oder optische Klebstoff fehlen PDMS Geräte Widerstand gegen leichte organische Arten. PDMS Micromodels sind auch nicht ideal für viele Experimente, weil die Oberflächen dieser Geräte instabile Benetzung Eigenschaften haben und d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir anerkennen die finanzielle Unterstützung von der Rice University Consortium für Prozesse in porösen Medien (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 |
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