SUCCESVERSLAG VAN KLANT
Supramoleculaire chemie: Van geurcontrole tot optimalisatie van oliewinning: Hoe NETZSCH reometers kunnen helpen
Een veldverslag door Andrew Howe
"Ik ben Andrew Howe, een industriële colloïde/formulerings/soft-matter wetenschapper die sinds 1988 met veel plezier werkt met NETZSCH reometers en hun directe voorgangers Malvern en Bohlin.
De reometers zijn van onschatbare waarde bij het ontwerpen van materialen voor maximale efficiëntie in productieprocessen en voor optimale prestaties van eindproducten. Ik heb reometrische gegevens gebruikt bij het formuleren voor snelle, efficiënte coating- en droogprocessen bij mijn vorige werkgever, Kodak, en voor het optimaliseren van vloeistofverplaatsing in poreuze geometrieën bij Schlumberger.
Vandaag werk ik bij Aqdot, een bedrijf dat in 2013 is ontstaan aan de Universiteit van Cambridge. Aqdot commercialiseert een supramoleculaire chemietechnologie via cucucbiturils (of "CB's"), macrocyclische moleculen die unieke effectieve supramoleculaire "gastheren" zijn. CB's binden niet-covalent een grote verscheidenheid aan "gasten", met name hydrofobe, zure, basische en kationische verbindingen.
Er is veel academisch werk verricht aan de CB-homologen (CB[6], CB[7] en CB[8]), maar tot nu toe waren er alleen materialen beschikbaar op gramschaal - en dan nog tegen hoge kosten."
Innovatieve geurbestrijding op een schaal van Large
"Aqdot heeft de productie van CB's opgeschaald naar multi-ton schaal en de directe large-schaalmarkt voor dit materiaal is het verwijderen van onaangename geuren en VOC's (vluchtige organische stoffen). De technologie maakt het mogelijk om moleculen van verschillende groottes en moleculaire karakteristieken te binden.
De aanpak van Aqdot is om licenties te verlenen voor hun producten en deze te leveren aan actieve markten, waaronder huishoudelijke en persoonlijke verzorging, textiel en kunststoffen, met name voor toepassingen in de auto-industrie. Een gevolg van het werken in zoveel markten is dat de producten "naadloos" moeten worden opgenomen in veel soorten formuleringen en reologische metingen zijn een uitstekende gids voor hoe succesvol we zijn geweest en geven aanwijzingen over waar we aanpassingen kunnen maken, indien nodig.
Reologie biedt unieke inzichten
Wanneer er een "zachte" (niet zuiver vaste) formulering moet worden onderzocht, biedt de reometer unieke inzichten. Een van de grote voordelen van reologie is dat er geen monsterverdunning nodig is, d.w.z. dat materialen kunnen worden onderzocht bij doelconcentraties.
Veel voorkomende vragen zijn:
- Zal het materiaal stromen, zal het suspenderen, zal het waarschijnlijk spuiten, enz
- Hoe gevoelig is het materiaal voor concentratie, moleculair gewicht, temperatuur en Ionic sterkte?
- Is elke batch van het product identiek?
Voor al deze vragen zijn meestal eenvoudige reometrische metingen mogelijk. Reologieresultaten zijn altijd direct bruikbaar voor het ontwerpen van producten en het optimaliseren van de prestaties. De metingen kunnen helpen bij het beperken van keuzes en het versnellen van de ontwikkeling, maar ook bij het oplossen van problemen.
Zo waren reometrische metingen bijvoorbeeld van groot belang bij de ontwikkeling van "Oderase", een geurloze luchtverfrisser op waterbasis die geschikt is voor gebruik via pompverstuiving. Zorgvuldig gekozen reologische experimenten hielpen bij het snel vinden van een samenstelling met geschikte eigenschappen en stabiliteit.
Mijn tijd in de reologie begon toen ik bij Kodak ging werken. In 1988 kozen we voor een Bohlin VOR rotatierheometer, een vervormingsgestuurd instrument als ons werkpaardinstrument. Sindsdien is de technologie voor gecontroleerde spanning snel vooruitgegaan, dus na verschillende versies van de Bohlin CS reometers (bij Kodak en daarna bij Schlumberger) was ik zeer verheugd dat het bestuur van Aqdot de aanschaf goedkeurde van twee Kinexus Pro+ reometers, de opvolgers van de Bohlin instrumenten.
“De keuze voor deze NETZSCH instrumenten was een gemakkelijke beslissing. De instrumenten hebben (en, nog belangrijker, voldoen!) uitstekende specificaties. NETZSCH wetenschappers en ingenieurs zijn altijd zeer behulpzaam, ze bieden duidelijke oplossingen voor "eenvoudige" problemen en inzichtelijke suggesties om de meer "grensverleggende" of nieuwe uitdagingen te overwinnen.”
De NETZSCH Kinexus Prime productportfolio
Uitstekende service en klantenondersteuning
De keuze voor deze NETZSCH instrumenten was een makkelijke. De instrumenten hebben (en, nog belangrijker, voldoen!) uitstekende specificaties. Ook belangrijk is dat NETZSCH de uitstekende service en klantenondersteuning handhaaft. NETZSCH wetenschappers en ingenieurs zijn altijd zeer behulpzaam, ze bieden duidelijke oplossingen voor "eenvoudige" problemen en inzichtelijke suggesties om de meer "grensverleggende" of nieuwe uitdagingen te helpen overwinnen.
Meer recentelijk hebben webinars goede inzichten en directe hulp geboden aan gebruikers in bredere zin, waarbij niet alleen veelvoorkomende vragen werden beantwoord, maar misschien ook mogelijkheden werden gesignaleerd voor nieuwe manieren waarop instrumenten kunnen worden ingezet.
Ik was erg blij met het recente seminar over reologieartefacten: inzicht in reologieartefacten is essentieel om de best mogelijke metingen te doen en om de resultaten met vertrouwen aan anderen te kunnen beschrijven.
Polymeer verbeterd olieherstel: Het ongebruikelijke stromingsgedrag van waterige oplossingen van polymeren met een zeer hoog moleculair gewicht
Typische dagelijkse metingen omvatten zowel continue (stroomcurves) als oscillerende afschuiving (frequentie- en spanningssweeps). Omdat we in de industrie werken, kunnen de meeste metingen niet openbaar worden gemaakt. Samen met Andrew Clarke en collega's bij Schlumberger publiceerden we echter een serie artikelen over ongewoon stromingsgedrag van waterige oplossingen van polymeren met een zeer hoog MW in poreuze media, met als toepassing het terugwinnen van ruwe olie.[1]
Ons werk volgde het eerder opgemerkte fenomeen dat bij vloeistoffen die extreem hoge MW (>15 MDa) flexibele polymeren bevatten, de tegendruk boven een kritische stroomsnelheid hoger werd dan die welke overeenkomt met afschuifviscositeit: die kritische snelheid was toegankelijk in stromingsomstandigheden in olievelden. We bevestigden dat de kritische snelheid onafhankelijk was van de polymeerconcentratie, maar afnam met het kwadraat van de MW van het polymeer. Dergelijke afhankelijkheden zijn zeer onverwacht.microfluïdisch onderzoek wees uit dat de stroming onstabiel werd boven deze kritische stroomsnelheid. We konden de instabiliteit van de stroming repliceren in eenvoudige schuifstroming, zoals aangetoond in figuur 1 voor gedeeltelijk gehydrolyseerd poly(acrylamide) met een zeer hoge MW (18-20 MDa).bij lage stroomsnelheden is conventioneel gedrag (Newtoniaans power-law dunner worden) zichtbaar dat kan worden ingepast met een Carreau-Yasudamodel, dat een relaxatietijd lCY geeft. Er is echter een duidelijke verdikking vanaf 100s-1 die op het eerste gezicht verrassend lijkt.
Deze kortere relaxatietijd lt neemt toe (de onset-snelheid neemt af) met het kwadraat van de polymeer MW, wat hetzelfde is als wat we zien bij stroming van deze vloeistoffen door rotskernen (Figuur 2).
De nul-schuifviscositeit h(0), de relaxatietijden voor het begin van verdunning lCY en de G'=G"-overgang (losc) nemen elk toe met polymeerconcentratie C3 terwijl het begin van verdikking bij hoge afschuiving (herschaald als lPM) en in het gesteente (lcore) onafhankelijk zijn van de concentratie (figuur 3).
De verdikking komt overeen met een overgang naar instabiele stroming: in "steady state" step-StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress metingen is er een hysterese in de schijnbare viscositeitswaarde, terwijl in StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress-ramp (0,3 s bij elke spanningswaarde) de stroming instabiel is met fluctuerende waarden van de "momentane" viscositeit (Figuur 4).
De overgang naar onstabiele stroming is consistent met "elastische turbulentie"[2], een fenomeen dat geassocieerd wordt met zeer hoge MW polymeren die in gekromde stroomlijnen stromen: poreuze media zoals rotsen hebben zeer gekromde structuren, rheometrische geometrieën veel minder. Echter, zelfs de lage niveaus van kromming in een kegel-plaat geometrie zijn voldoende om onstabiele stroming door dit mechanisme te genereren.[3].
Experimenten met kegels van 1o en 4o leverden de verwachte overlappende gegevens op bij lage afschuifkracht, maar de verdikking/onstabiele stroming bij hoge snelheden begint bij lagere snelheden met de kegel met de grootste hoek.
Dit gedrag verschilt sterk van de secundaire stromingen (Turian wervelingen) die bij toenemende viscositeit bij een hogere snelheid beginnen: voor deze polymeren hangt het begin van onstabiele stroming af van de MW, de snelheid en de kegelhoek, maar niet van de viscositeit.
Conclusie
Vóór dit werk was het begrip van polymeer verbeterd olieherstel gebaseerd op eenvoudig visco-elastisch gedrag in poreuze media. Deze studies toonden aan dat evenwichtsstroming geen geschikte beschrijving is van plaatselijk gedrag: in elastische turbulentie fluctueert het stromingsveld sterk rond het gemiddelde, zowel in richting als in grootte, en daardoor is het aanzienlijk effectiever in het verplaatsen van een ingesloten vloeistof met hoge viscositeit zoals ruwe olie dan verwacht zou worden.
Deze gegevens leidden tot een voorspellend begrip van waarom en onder welke omstandigheden zeer hoog MW-polymeren meer olie verplaatsen dan op basis van hun lineaire visco-elastische gedrag wordt voorspeld. De rol van reometrische metingen met hoogwaardige reometers was cruciaal bij het verkrijgen van dit inzicht.
Dankwoord:
Zoals zo vaak hielpen discussies met Adrian Hill en Shona Marsh (klantenondersteuning UK) bij het bepalen van de optimale experimentele omstandigheden voor de ramp/step StressSpanning wordt gedefinieerd als een niveau van kracht uitgeoefend op een monster met een goed gedefinieerde dwarsdoorsnede. (Spanning = kracht/oppervlak). Monsters met een cirkelvormige of rechthoekige doorsnede kunnen worden samengedrukt of uitgerekt. Elastische materialen zoals rubber kunnen worden uitgerekt tot 5 tot 10 keer hun oorspronkelijke lengte.stress-studies! En Darren Tennant hield de reometers in topconditie."
Andrew, hartelijk dank voor deze interessante inzichten in je onderzoekswerk en voor het vertrouwen dat je al tientallen jaren geeft in NETZSCH en onze reometers!
[1] Mechanisme van anomaal verhoogde olieverplaatsing met waterige visco-elastische polymeeroplossingen, A Clarke, A M Howe, J Mitchell, J Staniland, L Hawkes, K Leeper, Soft Matter, 2015, 11, 3536 - 3541.Visco-elastische stroming van geconcentreerde visco-elastische polymeeroplossingen in poreuze media. Effect van MW moleculair gewicht en concentratie op het ontstaan van elastische turbulentie in verschillende geometrieën. A M Howe, A Clarke en D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
Real-time olieverzadigingsmonitoring in rotskernen met laagveld NMR J Mitchell A M Howe, A Clarke Journal of Magnetic Resonance, (2015) 256, 34-42
Polymeerstromen en elastische turbulentie in driedimensionale poreuze structuren, J Mitchell, K Lyons, A M Howe en 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] Elastic turbulence in a polymer solution flow A Groisman and V Steinberg, Nature 405, 53 (2000).
efficient mixing at low Reynolds numbers using polymer additives A Groisman and V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] Elastische instabiliteit en gekromde stroomlijnen P Pakdel en G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.