Kundens framgångshistoria
Supramolekylär kemi: Från luktkontroll till optimering av oljeutvinning: Hur NETZSCH reometrar kan hjälpa till
En fältrapport av Andrew Howe
"Jag heter Andrew Howe och är en forskare inom industriell kolloid/formulering/mjuk materia som har haft nöjet att arbeta med NETZSCH reometrar, och deras direkta föregångare Malvern och Bohlin, sedan 1988.
Reometrarna är ovärderliga när det gäller att utforma material för maximal effektivitet i tillverkningsprocesser och för optimal prestanda hos slutprodukterna. Jag använde reometriska data när jag formulerade material för snabba och effektiva beläggnings- och torkningsprocesser hos min tidigare arbetsgivare Kodak och för att optimera vätskeförskjutning i porösa geometrier hos Schlumberger.
Idag arbetar jag på Aqdotett företag som har sitt ursprung i University of Cambridge 2013. Aqdot kommersialiserar en teknik för supramolekylär kemi via cucurbituriler (eller "CB"), makrocykliska molekyler som är unikt effektiva supramolekylära "värdar". CB binder icke-kovalent en mängd olika "gäster", särskilt hydrofoba, sura, basiska och katjoniska enheter.
Mycket akademiskt arbete har utförts på CB-homologerna (CB[6], CB[7] och CB[8]) men material har endast varit tillgängliga i gramskala - och även då endast till stora kostnader - fram till nu."
Innovativ luktkontroll på en Large skala
"Aqdot har skalat upp tillverkningen av CBs till flera ton och den omedelbara large-skalmarknaden för detta material är att avlägsna obehagliga lukter och VOC (Volatile Organic Compounds). Tekniken gör det möjligt att binda molekyler av en rad olika storlekar och molekylära egenskaper.
Aqdots strategi är att licensiera och leverera deras produkter och aktiva marknader, inklusive hem- och personlig hygien, textil och plast, särskilt för fordonsapplikationer. En konsekvens av att arbeta på så många marknader är att produkterna måste ingå "sömlöst" i många typer av formuleringar, och reologiska mätningar är en utmärkt vägledning för hur framgångsrika vi har varit och ger ledtrådar om var vi kan göra justeringar, om det behövs.
Reologi ger unika insikter
Närhelst det finns en "mjuk" (inte helt fast) formulering att ta itu med ger reometern unika insikter. En av reologins stora fördelar är att den inte kräver utspädning av provet, dvs. material kan undersökas vid målkoncentrationer.
Vanliga frågor är:
- Kommer materialet att flyta, kommer det att suspenderas, är det troligt att det sprutar etc.?
- Hur känsligt är materialet för koncentration, molekylvikt, temperatur och Ionic styrka?
- Är varje sats av produkten identisk?
Alla dessa frågor kan vanligtvis besvaras med enkla reometriska mätningar. Reologiska resultat är alltid direkt användbara för att utforma produkter och optimera prestanda. Mätningarna kan bidra till att begränsa valmöjligheterna och påskynda utvecklingen samt felsöka problem.
Reometriska mätningar var t.ex. av stor betydelse vid utvecklingen av "Oderase", en vattenbaserad, doftfri luftfräschare som är lämplig för användning via pumpspray. Noggrant utvalda reologiska experiment bidrog till att påskynda identifieringen av en sammansättning med lämpliga egenskaper och stabilitet.
Min tid inom reologi började när jag började på Kodak. År 1988 valde vi en Bohlin VOR rotationsreometer, ett deformationskontrollerat instrument, som vårt arbetsinstrument. Sedan dess har tekniken för kontrollerad spänning utvecklats snabbt, så efter flera versioner av Bohlin CS-reometrarna (i Kodak och sedan Schlumberger) blev jag glad när Aqdots styrelse godkände inköpet av två Kinexus Pro+-reometrar, efterföljarna till Bohlin-instrumenten.
“Att välja dessa NETZSCH instrument var ett enkelt beslut. Instrumenten har (och, vilket är ännu viktigare, uppfyller!) utmärkta specifikationer. NETZSCH forskare och ingenjörer är alltid mycket hjälpsamma och ger tydliga lösningar på "enkla" problem och insiktsfulla förslag för att hjälpa till att övervinna de mer "gränslösa" eller nya utmaningarna.”
NETZSCH Kinexus Prime produktportfölj
Enastående service och kundsupport
Att välja dessa instrument från NETZSCH var ett enkelt beslut. Instrumenten har (och, vilket är ännu viktigare, uppfyller!) utmärkta specifikationer. Det är också viktigt att NETZSCH upprätthåller den enastående servicen och kundsupporten. NETZSCH:s forskare och ingenjörer är alltid mycket hjälpsamma och ger tydliga lösningar på "enkla" problem och insiktsfulla förslag för att hjälpa till att övervinna de mer "avancerade" eller nya utmaningarna.
På senare tid har webbseminarier gett bra insikter och direkt hjälp till användarna, inte bara genom att besvara vanliga frågor utan kanske också genom att peka på möjligheter till nya sätt att använda instrumenten.
Jag var mycket nöjd med det senaste seminariet om reologiska artefakter: en förståelse för artefakter är avgörande för att kunna göra bästa möjliga mätningar och för att med tillförsikt kunna beskriva resultaten för andra.
Polymerförbättrad oljeutvinning: Det ovanliga flödesbeteendet hos vattenlösningar av polymerer med mycket hög molekylvikt
Typiska dagliga mätningar omfattar både kontinuerlig (flödeskurvor) och oscillerande skjuvning (frekvens- och spänningssvepningar). Att arbeta inom industrin innebär att de flesta mätningar inte kan avslöjas. Tillsammans med Andrew Clarke och hans kollegor på Schlumberger publicerade vi dock en serie artiklar om ovanligt flödesbeteende hos vattenlösningar av polymerer med mycket hög MW i porösa medier, där tillämpningen var utvinning av råolja[1]
Vårt arbete följde det tidigare noterade fenomenet att med vätskor som innehåller flexibla polymerer med extremt hög MW (>15 MDa) ökade mottrycken utöver de som överensstämmer med skjuvviskositet över en kritisk flödeshastighet: den kritiska hastigheten var tillgänglig under flödesförhållanden i oljefält. Vi bekräftade att den kritiska hastigheten var oberoende av polymerkoncentrationen men minskade med kvadraten på polymerens MW. Sådana beroenden är mycket oväntade.mikrofluidikstudier visade att flödet blev instabilt över denna kritiska flödeshastighet. Vi kunde återskapa flödesinstabiliteten i ett enkelt skjuvflöde, vilket visas i figur 1 för partiellt hydrolyserad poly(akrylamid) med mycket hög MW (18-20 MDa).vid låga hastigheter syns ett konventionellt beteende (Newtonsk power-law förtunning) som kan anpassas med en Carreau-Yasuda modell, vilket ger en relaxationstid lCY. Det finns dock en uppenbar förtjockning från 100s-1 som till en början verkar förvånande.
Denna kortare relaxationstidlt ökar (starthastigheten minskar) med kvadraten på polymerens MW, vilket är samma sak som ses vid flöde av dessa vätskor genom bergkärnor (figur 2).
Viskositeten vid nollskjuvning h(0), relaxationstiderna för början av förtunningen lCY och G'=G"-övergången (losc) ökar var och en med polymerkoncentrationenC3 medan början av förtjockningen vid hög skjuvning (omskalad som lPM) och i berget (lcore) är oberoende av koncentrationen (figur 3).
Förtjockningen motsvarar en övergång till instabilt flöde: i "steady state" stegvisa spänningsmätningar finns det en hysteres i det skenbara viskositetsvärdet, medan flödet i spänningsrampen (0,3 s vid varje spänningsvärde) är instabilt med fluktuerande värden på den "momentana" viskositeten (Figur 4).
Övergången till instabilt flöde överensstämmer med "elastisk turbulens"[2], ett fenomen som förknippas med polymerer med mycket hög MW som flyter i krökta strömlinjer: porösa medier som stenar har mycket krökta strukturer, reometriska geometrier mycket mindre. Men även de låga krökningsnivåerna i en konplattgeometri är tillräckliga för att generera instabilt flöde genom denna mekanism[3].
Experiment med koner på 1o och 4o gav de förväntade överlappande uppgifterna vid låg skjuvning, men det förtjockande/instabila flödet vid höga hastigheter börjar vid lägre hastigheter med konen med större vinkel.
Detta beteende skiljer sig mycket från de sekundära flöden (Turian-virvlar) som börjar vid högre hastighet med ökande viskositet: för dessa polymerer beror uppkomsten av instabilt flöde på MW, hastigheten och konvinkeln men inte på viskositeten.
Slutsats
Före detta arbete baserades förståelsen av polymerförstärkt oljeutvinning på enkelt viskoelastiskt beteende i porösa medier. Dessa studier visade att jämviktsflöde inte är en lämplig beskrivning av lokalt beteende: i elastisk turbulens fluktuerar flödesfältet kraftigt kring medelvärdet både vad gäller riktning och storlek, och är följaktligen betydligt effektivare än väntat när det gäller att förflytta en instängd vätska med hög viskositet, t.ex. råolja.
Dessa data ledde till en prediktiv förståelse av varför och under vilka förhållanden polymerer med mycket hög MW förflyttar mer olja än vad som förutses utifrån deras linjära viskoelastiska beteende. Reometriska mätningar med högkvalitativa reometrar spelade en avgörande roll för att skapa denna förståelse.
Erkännande:
Som så ofta har diskussioner med Adrian Hill och Shona Marsh (kundsupport i Storbritannien) hjälpt till att styra de optimala experimentella förhållandena för ramp-/stegspänningsstudierna! Och Darren Tennant höll reometrarna i toppskick."
Andrew, tack så mycket för dessa intressanta inblickar i ditt forskningsarbete och för det förtroende du har gett NETZSCH och våra reometrar i årtionden!
[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. Effekt av MW-molekylvikt och koncentration på uppkomsten av elastisk turbulens i olika geometrier. A M Howe, A Clarke och D Giernalczyk, Soft Matter, (2015) 11 6419 - 6431.
Realtidsövervakning av oljemättnad i bergkärnor med lågfälts-NMR 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 och 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 och V Steinberg, Nature 405, 53 (2000).
efficient mixing at low Reynolds numbers using polymer additives A Groisman och V Steinberg, Nature 410, 905 (2001).
[3] Elastic instability and curved streamlines P Pakdel och G H McKinley, Physical Review Letters, 77, 2459, 1996.