Příběh úspěchu zákazníka
Supramolekulární chemie: Od kontroly zápachu po optimalizaci těžby ropy: Jak mohou pomoci reometry NETZSCH
Zpráva z terénu od Andrewa Howea
"Jsem Andrew Howe, průmyslový vědec v oblasti koloidů/formulací/měkké hmoty, který od roku 1988 rád pracuje s reometry NETZSCH a jejich přímými předchůdci Malvern a Bohlin.
Reometry se ukázaly jako neocenitelné při navrhování materiálů pro maximální efektivitu výrobních procesů a pro optimální vlastnosti konečných výrobků. Reometrické údaje jsem používal při formulaci pro rychlé a účinné procesy nanášení a sušení u svého bývalého zaměstnavatele, společnosti Kodak, a při optimalizaci vytlačování kapalin v porézních geometriích u společnosti Schlumberger.
Dnes pracuji v Aqdot, společnosti, která vznikla na univerzitě v Cambridge v roce 2013. Společnost Aqdot komercializuje technologii supramolekulární chemie prostřednictvím kukurbiturilů (neboli "CB"), makrocyklických molekul, které jsou jedinečně účinnými supramolekulárními "hostiteli". CB nekovalentně vážou širokou škálu "hostů", zejména hydrofobní, kyselé, zásadité a kationtové části.
Na homolích CB (CB[6], CB[7] a CB[8]) bylo vykonáno mnoho akademické práce, ale materiály byly až dosud k dispozici pouze v gramovém měřítku - a i to jen s velkými náklady."
Inovativní kontrola zápachu v měřítku Large
"Společnost Aqdot rozšířila výrobu CBs na mnohatunové měřítko a bezprostředním trhem pro tento materiál je large- odstraňování nepříjemných pachů a těkavých organických látek (VOC). Technologie umožňuje vázat molekuly různých velikostí a molekulárních vlastností.
Přístup společnosti Aqdot spočívá v licencování a dodávání jejich výrobků a aktivních trhů, včetně trhu s výrobky pro domácnost a osobní péči, textilem a plasty, zejména pro použití v automobilovém průmyslu. Důsledkem práce na tolika trzích je, že výrobky musí být "bezproblémově" začleněny do mnoha typů receptur a reologická měření jsou vynikajícím vodítkem pro to, jak jsme byli úspěšní, a poskytují vodítko, kde bychom mohli v případě potřeby provést úpravy.
Reologie poskytuje jedinečné poznatky
Kdykoli je třeba se zabývat "měkkým" (ne čistě pevným) složením, reometr poskytuje jedinečné poznatky. Jednou z velkých výhod reologie je, že nevyžaduje ředění vzorku, tj. materiály lze zkoumat v cílových koncentracích.
Časté otázky jsou následující:
- Bude materiál téct, bude suspendovat, bude se pravděpodobně rozstřikovat atd
- Jak je materiál citlivý na koncentraci, molekulovou hmotnost, teplotu a sílu Ionic?
- Je každá šarže výrobku identická?
Všechny tyto otázky lze obvykle řešit jednoduchým reometrickým měřením. Výsledky reologických měření jsou vždy přímo užitečné pro navrhování výrobků a optimalizaci jejich vlastností. Měření mohou pomoci zúžit výběr a urychlit vývoj i řešit problémy.
Například reometrická měření měla velký význam při vývoji "Oderase", složení osvěžovače vzduchu na vodní bázi bez vůně vhodného pro použití pomocí pumpičkového spreje. Pečlivě zvolené reologické experimenty pomohly urychlit identifikaci složení s vhodnými vlastnostmi a stabilitou.
Mé působení v reologii začalo nástupem do společnosti Kodak. V roce 1988 jsme si jako náš pracovní nástroj vybrali rotační reometr Bohlin VOR, přístroj s řízenou deformací. Od té doby technologie řízeného namáhání rychle pokročila, takže po několika verzích reometrů Bohlin CS (ve společnosti Kodak a poté ve společnosti Schlumberger) jsem byl potěšen, když představenstvo společnosti Aqdot schválilo nákup dvou reometrů Kinexus Pro+, nástupců přístrojů Bohlin.
.
“Výběr těchto nástrojů NETZSCH byl snadný. Přístroje mají (a co je důležitější, splňují!) vynikající specifikace. NETZSCH vědci a inženýři jsou vždy velmi vstřícní, poskytují jasná řešení "snadných" problémů a pronikavé návrhy, které pomáhají překonat ty "hraniční" nebo nové problémy.”
Portfolio produktů NETZSCH Kinexus Prime
Vynikající služby a zákaznická podpora
Výběr těchto nástrojů NETZSCH byl snadný. Přístroje mají (a co je důležitější, splňují!) vynikající specifikace. Rozhodující je také to, že NETZSCH zachoval vynikající servis a zákaznickou podporu. Vědci a inženýři NETZSCH jsou vždy velmi vstřícní, poskytují jasná řešení "snadných" problémů a pronikavé návrhy, které pomáhají překonat ty "hraničnější" nebo nové problémy.
V nedávné době poskytly webináře dobré poznatky a přímou pomoc uživatelům v širším měřítku, a to nejen odpovědi na běžné otázky, ale třeba i poukázání na možnosti nových způsobů nasazení mnoha přístrojů.
Byl jsem potěšen nedávným seminářem o reologických artefaktech: pochopení artefaktů je nezbytné pro provádění co nejlepších měření a pro to, aby bylo možné s jistotou popsat výsledky ostatním.
Zvýšená těžba ropy polymery: Neobvyklé tokové chování vodných roztoků polymerů s velmi vysokou molekulovou hmotností
Typická každodenní měření zahrnují jak kontinuální (průtokové křivky), tak oscilační smyk (frekvenční a napěťové rozsahy). Práce v průmyslu znamená, že většinu měření nelze zveřejnit. S Andrewem Clarkem a kolegy ze společnosti Schlumberger jsme však publikovali sérii článků o neobvyklém chování vodných roztoků polymerů s velmi vysokou MW v porézním prostředí, přičemž aplikací byla těžba ropy[1]
Naše práce sledovala již dříve zaznamenaný jev, že u kapalin obsahujících extrémně vysoké MW (>15 MDa) flexibilních polymerů se nad kritickou rychlostí proudění zvyšují protitlaky nad hodnoty odpovídající smykové viskozitě: tato kritická rychlost byla dostupná v podmínkách proudění na ropných polích. Potvrdili jsme, že kritická rychlost nezávisí na koncentraci polymeru, ale klesá se čtvercem MW polymeru. Takové závislosti jsou velmi neočekávané.mikrofluidní studie ukázaly, že nad touto kritickou rychlostí se tok stává nestabilním. Podařilo se nám zopakovat nestabilitu toku v prostém smykovém toku, jak ukazuje obrázek 1 pro částečně hydrolyzovaný poly(akrylamid) s velmi vysokou MW (18-20 MDa).při nízkých rychlostech je patrné konvenční chování (newtonovské zřeďování podle mocninného zákona), které lze přizpůsobit Carreau-Yasudovu modelu, což dává relaxační čas lCY. Od 100s-1 je však patrné zhušťování, které se na první pohled zdá překvapivé.
Tato kratší relaxační dobalt se zvyšuje (rychlost nástupu klesá) se čtvercem MW polymeru, což je stejné, jako je pozorováno na proudění těchto kapalin horninovými jádry (obr. 2).
Viskozita při nulovém smyku h(0), relaxační časy pro počátek ztenčování lCY a přechod G'=G" (losc) se zvyšují s koncentrací polymeruC3, zatímco počátek ztenčování při vysokém smyku (přeškálovaný jako lPM) a v hornině (lcore) jsou na koncentraci nezávislé (obr. 3).
Zhuštění odpovídá přechodu k nestabilnímu proudění: při měření s "ustáleným" krokovým napětím dochází k hysterezi v hodnotě zdánlivé viskozity, zatímco při měření s napěťovou rampou (0,3 s při každé hodnotě napětí) je proudění nestabilní s kolísajícími hodnotami "okamžité" viskozity (obr. 4).
Přechod k nestabilnímu proudění odpovídá "elastické turbulenci"[2], jevu spojenému s polymery s velmi vysokou MW proudícími v zakřivených proudnicích: porézní média, jako jsou horniny, mají vysoce zakřivené struktury, reometrické geometrie mnohem méně. Nicméně i nízké úrovně zakřivení v geometrii kuželové desky jsou dostatečné k vytvoření nestabilního proudění tímto mechanismem[3].
Experimenty s kužely 1o a 4o přinesly očekávané překrývající se údaje při nízkém smyku, ale zahušťování/nestabilní proudění při vysokých rychlostech začíná při nižších rychlostech u kuželu s větším úhlem.
Toto chování se velmi liší od sekundárních toků (Turianových vírů), které nastupují při vyšších rychlostech při rostoucí viskozitě: u těchto polymerů závisí nástup nestabilního toku na MW, rychlosti a úhlu kužele, ale nikoli na viskozitě.
Závěr
Před touto prací bylo chápání polymerní těžby ropy založeno na jednoduchém viskoelastickém chování v porézním prostředí. Tyto studie ukázaly, že rovnovážné proudění není vhodným popisem místního chování: v elastické turbulenci proudové pole silně kolísá kolem střední hodnoty jak ve směru, tak ve velikosti, a v důsledku toho je výrazně účinnější při vytěsňování zachycené tekutiny s vysokou viskozitou, jako je ropa, než by se očekávalo.
Tyto údaje vedly k prediktivnímu pochopení toho, proč a za jakých podmínek polymery s velmi vysokou MW vytěsňují více ropy, než se předpokládá na základě jejich lineárního viskoelastického chování. Úloha reometrických měření pomocí vysoce kvalitních reometrů byla při vytváření těchto poznatků klíčová.
Poděkování:
Jak se často stává, diskuse s Adrianem Hillem a Shonou Marshovou (zákaznická podpora ve Velké Británii) pomohly při stanovení optimálních experimentálních podmínek pro studium rampového/stupňového napětí! A Darren Tennant udržoval reometry ve špičkovém stavu."
Andrewe, děkujeme ti za tyto zajímavé postřehy z tvé výzkumné práce a za důvěru, kterou jsi po desetiletí věnoval webu NETZSCH a našim reometrům!
[1] Mechanism of anomalously increased oil displacement with aqueous viscoelastic polymer solutions, A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L Hawkes, K Leeper, Soft Matter, 2015, 11, 3536 - 3541.Viscoelastic Flow of concentrated viscoelastic polymer solutions in porous media. Vliv molekulové hmotnosti a koncentrace MW na nástup elastické turbulence v různých geometriích. A M Howe, A Clarke a D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
Sledování nasycení ropy v horninových jádrech v reálném čase pomocí NMR s nízkým polem J Mitchell A M Howe, A Clarke Journal of Magnetic Resonance, (2015) 256, 34-42
Polymer Flows and Elastic Turbulence in Three-Dimensional Porous Structures, J Mitchell, K Lyons, A M Howe and A Clarke, Soft Matter, 2016,12, 460-468.
How Viscoelastic Polymer Flooding Enhances Displacement Efficiency, A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L A Hawkes; SPE Journal, SPE-174654-MS, SPE Journal SPE J. 21 (03): 0675-0687.
[2] Elastická turbulence v proudění polymerního roztoku A Groisman a V Steinberg, Nature 405, 53 (2000).
efektivní míchání při nízkých Reynoldsových číslech pomocí polymerních přísad A Groisman a V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] Elastic instability and curved streamlines P Pakdel and G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.