STORIA DI SUCCESSO DEL CLIENTE
Chimica supramolecolare: Dal controllo degli odori all'ottimizzazione del recupero del petrolio: Come possono aiutare i reometri NETZSCH
Un rapporto sul campo di Andrew Howe
"Sono Andrew Howe, uno scienziato industriale di colloidi/formulazione/materia molle che lavora con i reometri NETZSCH e con i loro diretti predecessori Malvern e Bohlin dal 1988.
I reometri si rivelano preziosi per la progettazione di materiali che garantiscano la massima efficienza nei processi produttivi e prestazioni ottimali dei prodotti finali. Ho utilizzato i dati reometrici per la formulazione di processi di rivestimento ed essiccazione rapidi ed efficienti presso il mio ex datore di lavoro, Kodak, e per ottimizzare lo spostamento dei fluidi in geometrie porose presso Schlumberger.
Oggi lavoro presso Aqdotun'azienda nata nel 2013 all'interno dell'Università di Cambridge. Aqdot commercializza una tecnologia di chimica supramolecolare attraverso le cucurbituril (o "CB"), molecole macrocicliche che sono "ospiti" supramolecolari straordinariamente efficaci. Le CB legano in modo non covalente un'ampia varietà di "ospiti", in particolare società idrofobiche, acide, basiche e cationic.
Molto lavoro accademico è stato svolto sugli omologhi dei CB (CB[6], CB[7] e CB[8]), ma i materiali sono stati disponibili solo su scala di grammo - e anche in questo caso solo con grandi spese - fino ad ora."
Controllo innovativo degli odori su scala Large
"Aqdot ha scalato la produzione di CB fino a una scala di diverse tonnellate e il mercato immediato su scala large per questo materiale è la rimozione di odori sgradevoli e COV (Composti Organici Volatili). La tecnologia consente di legare molecole di diverse dimensioni e caratteristiche molecolari.
L'approccio di Aqdot è quello di concedere in licenza e fornire i propri prodotti e i mercati attivi, tra cui quello della cura della casa e della persona, del tessile e delle materie plastiche, in particolare per le applicazioni automobilistiche. Una conseguenza del fatto di lavorare su così tanti mercati è che i prodotti devono essere inseriti "senza soluzione di continuità" in molti tipi di formulazione, e le misurazioni reologiche sono un'ottima guida per valutare il successo ottenuto, fornendo indizi su dove apportare modifiche, se necessario.
La reologia fornisce intuizioni uniche
Ogni volta che si deve affrontare una formulazione "soffice" (non puramente solida), il reometro fornisce informazioni uniche. Uno dei grandi vantaggi della reologia è che non richiede la diluizione del campione, vale a dire che i materiali possono essere studiati a concentrazioni mirate.
Le domande più comuni sono:
- Il materiale scorrerà, si sospenderà, è probabile che spruzzi, ecc
- Quanto è sensibile il materiale alla concentrazione, al peso molecolare, alla temperatura e alla forza Ionic?
- Ogni lotto di prodotto è identico?
Tutte queste domande sono solitamente risolvibili con semplici misure reometriche. I risultati della reologia sono sempre direttamente utili per la progettazione dei prodotti e l'ottimizzazione delle prestazioni. Le misure possono aiutare a restringere le scelte e ad accelerare lo sviluppo, oltre che a risolvere i problemi.
Per esempio, le misurazioni reometriche sono state di grande importanza nello sviluppo di "Oderase", una formulazione di deodorante per ambienti a base d'acqua e senza profumo, adatta all'uso tramite pompa-spray. Gli esperimenti reologici scelti con cura hanno contribuito ad accelerare l'identificazione di una composizione con proprietà e stabilità adeguate.
Il mio lavoro in reologia è iniziato quando sono entrato in Kodak. Nel 1988 abbiamo scelto un reometro rotazionale Bohlin VOR, uno strumento a controllo di deformazione, come nostro cavallo di battaglia. Da allora, la tecnologia a sollecitazione controllata è progredita rapidamente, quindi dopo diverse versioni dei reometri Bohlin CS (in Kodak e poi in Schlumberger) sono stato felice che il consiglio di amministrazione di Aqdot abbia approvato l'acquisto di due reometri Kinexus Pro+, i successori degli strumenti Bohlin.
„Scegliere questi strumenti NETZSCH è stata una decisione facile. Gli strumenti hanno (e, soprattutto, rispettano!) specifiche eccellenti. Gli scienziati e gli ingegneri di NETZSCH sono sempre molto disponibili, fornendo soluzioni chiare a problemi "facili" e suggerimenti perspicaci per aiutare a superare le sfide più "di frontiera" o nuove.“
Il portafoglio di prodotti NETZSCH Kinexus Prime
Servizio e assistenza clienti eccezionali
Scegliere questi strumenti NETZSCH è stata una decisione facile. Gli strumenti hanno (e, soprattutto, rispettano!) specifiche eccellenti. NETZSCH Gli scienziati e gli ingegneri di NETZSCH sono sempre molto disponibili, fornendo soluzioni chiare a problemi "facili" e suggerimenti utili per superare le sfide più "innovative" o di frontiera.
Più di recente, i webinar hanno fornito buone intuizioni e un aiuto diretto più ampio agli utenti, non solo rispondendo a domande comuni, ma forse indicando opportunità per nuovi modi in cui gli strumenti possono essere utilizzati.
Ho apprezzato il recente seminario sugli artefatti reologici: la comprensione degli artefatti è essenziale per effettuare le migliori misure possibili e per poter descrivere con sicurezza i risultati ad altri.
Recupero petrolifero con polimeri: L'insolito comportamento di flusso di soluzioni acquose di polimeri ad altissimo peso molecolare
Le tipiche misurazioni quotidiane riguardano sia il taglio continuo (curve di flusso) che quello oscillatorio (sweep di frequenza e di sollecitazione). Lavorare nell'industria significa che la maggior parte delle misurazioni non può essere divulgata. Tuttavia, con Andrew Clarke e i colleghi di Schlumberger abbiamo pubblicato una serie di articoli sul comportamento insolito del flusso di soluzioni acquose di polimeri ad altissimo MW in mezzi porosi, con l'applicazione del recupero del petrolio greggio.[1]
Il nostro lavoro ha seguito il fenomeno precedentemente osservato che con fluidi contenenti polimeri flessibili ad altissimo MW (>15 MDa), le contropressioni aumentavano oltre quelle coerenti con la viscosità di taglio al di sopra di una portata critica: tale portata critica era accessibile in condizioni di flusso del giacimento petrolifero. Abbiamo confermato che la portata critica era indipendente dalla concentrazione del polimero, ma diminuiva con il quadrato del MW del polimero. Tali dipendenze sono molto inaspettate.gli studi microfluidici hanno indicato che il flusso diventava instabile al di sopra di questa portata critica. Siamo stati in grado di replicare l'instabilità del flusso in un semplice flusso di taglio, come dimostrato nella Figura 1 per il polimero parzialmente idrolizzato ad alto MW (18-20 MDa).a basse velocità, è evidente un comportamento convenzionale (assottigliamento newtoniano a legge di potenza) che può essere adattato con un modello di Carreau-Yasuda, dando un tempo di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento lCY. Tuttavia, c'è un apparente ispessimento a partire da 100s-1 che, in un primo momento, sembra sorprendente.
Questo tempo di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento più brevelt aumenta (la velocità di insorgenza diminuisce) con il quadrato del MW del polimero, come si è visto nel flusso di questi fluidi attraverso i nuclei rocciosi (Figura 2).
La viscosità a taglio zero h(0), i tempi di RilassamentoQuando si applica una deformazione costante a una mescola di gomma, la forza necessaria per mantenere tale deformazione non è costante, ma diminuisce nel tempo; questo comportamento è noto come rilassamento delle sollecitazioni. Il processo responsabile del rilassamento delle tensioni può essere fisico o chimico e, in condizioni normali, si verificano entrambi contemporaneamente. rilassamento per l'inizio dell'assottigliamento lCY e l'incrocio G'=G" (losc) aumentano con la concentrazione del polimero C3, mentre l'inizio dell'ispessimento ad alto taglio (riscalato come lPM) e nella roccia (lcore) sono indipendenti dalla concentrazione (Figura 3).
L'ispessimento corrisponde a una transizione verso un flusso instabile: nelle misure di step-Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress in "stato stazionario" c'è un'isteresi nel valore della viscosità apparente, mentre nello Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress-ramp (0,3 s per ogni valore di Lo stressLa sollecitazione è definita come un livello di forza applicato su un campione con una sezione trasversale ben definita. (Sollecitazione = forza/area). I campioni con sezione trasversale circolare o rettangolare possono essere compressi o allungati. I materiali elastici come la gomma possono essere allungati fino a 5-10 volte la loro lunghezza originale.stress) il flusso è instabile con valori fluttuanti della viscosità "istantanea" (Figura 4).
La transizione verso un flusso instabile è coerente con la "turbolenza elastica"[2], un fenomeno associato ai polimeri ad alto MW che scorrono in linee di flusso curve: i mezzi porosi come le rocce hanno strutture altamente curve, le geometrie reometriche molto meno. Tuttavia, anche i bassi livelli di curvatura in una geometria a piastra conica sono sufficienti per generare un flusso instabile con questo meccanismo.[3]
Gli esperimenti con coni di1o e 4o hanno prodotto i dati sovrapponibili attesi a basso shear, ma l'addensamento/il flusso instabile ad alte velocità inizia a velocità inferiori con il cono con angolo r large.
Questo comportamento è molto diverso dai flussi secondari (vortici di Turian) che insorgono a velocità più elevate all'aumentare della viscosità: per questi polimeri, l'insorgenza del flusso instabile dipende dalla MW, dalla velocità e dall'angolo del cono, ma non dalla viscosità.
Conclusione
Prima di questo lavoro, la comprensione del recupero di petrolio con polimeri si basava sul semplice comportamento viscoelastico nei mezzi porosi. Questi studi hanno dimostrato che il flusso di equilibrio non è una descrizione appropriata del comportamento locale: nella turbolenza elastica il campo di flusso fluttua fortemente intorno alla media, sia in termini di direzione che di ampiezza, e di conseguenza è significativamente più efficace nello spostare un fluido intrappolato ad alta viscosità come il petrolio greggio di quanto ci si aspetterebbe.
Questi dati hanno permesso di capire perché e in quali condizioni i polimeri ad alto MW spostano più petrolio di quanto previsto dal loro comportamento viscoelastico lineare. Il ruolo delle misure reometriche con reometri di alta qualità è stato cruciale nel generare questa comprensione.
Ringraziamenti:
Come spesso accade, le discussioni con Adrian Hill e Shona Marsh (assistenza clienti del Regno Unito) hanno contribuito a guidare le condizioni sperimentali ottimali per gli studi sulle sollecitazioni di rampa/passo! E Darren Tennant ha mantenuto i reometri in condizioni ottimali"
Andrew, grazie mille per questi interessanti approfondimenti sul tuo lavoro di ricercaarch e per la fiducia che hai riposto in NETZSCH e nei nostri reometri per decenni!
[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. Effetto del peso molecolare e della concentrazione di MW sull'insorgenza della turbolenza elastica in varie geometrie. A M Howe, A Clarke e D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
Monitoraggio in tempo reale della saturazione del petrolio in carote di roccia con NMR a basso campo 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.
Come l'allagamento viscoelastico dei polimeri migliora l'efficienza di spostamento, 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] Elastic turbulence in a polymer solution flow A Groisman and V Steinberg, Nature 405, 53 (2000).
miscelazione efficiente a bassi numeri di Reynolds utilizzando additivi polimerici A Groisman e V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] Instabilità elastica e linee di flusso curve P Pakdel e G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.