science >> Wetenschap >  >> Chemie

Manipuleren van oppervlaktespanning in vloeistoffen om aan verschillende industriële behoeften te voldoen

Krediet:Agentschap voor Wetenschap, Technologie en Onderzoek (A*STAR), Singapore

Wat hebben afwasmiddel en pannen met antiaanbaklaag met elkaar gemeen? Naast het feit dat de ene wordt gebruikt om de andere schoon te maken na het koken, beide huishoudelijke artikelen ontlenen hun nut aan de fysieke eigenschappen van vloeistoffen en de oppervlakken waarmee deze vloeistoffen in contact komen.

Afwasmiddel verwijdert olie van oppervlakken omdat de chemische samenstelling bestaat uit één waterafstotende (hydrofobe) groep die zich bij voorkeur aan olie bindt, en een 'waterminnende' (hydrofiele) groep die zich bij voorkeur aan water bindt. Dit vermindert effectief de oppervlaktespanning van olie, waardoor het gemakkelijk kan worden afgespoeld.

Anderzijds, pannen met antiaanbaklaag zijn meestal gecoat met een materiaal dat bekend staat als polytetrafluorethyleen - beter bekend als teflon - dat extreem hydrofoob is. Vrijwel alles glijdt van teflon-gecoate oppervlakken omdat de hechtkrachten tussen teflon en veel andere materialen of moleculen bijna te verwaarlozen zijn.

Oppervlakteactieve stoffen zoals afwasmiddel en materialen zoals teflon hebben andere toepassingen dan alledaagse huishoudelijke taken. In feite, ze zijn betrokken bij een hele reeks industriële processen, inclusief de winning van ruwe olie en het voorkomen van vervuiling in biomedische apparaten. Om aan dergelijke uiteenlopende industriële behoeften te voldoen, A*STAR-wetenschappers onderzoeken voortdurend nieuwe materialen en technieken om de interactie van vloeistoffen met elkaar en met oppervlakken te wijzigen.

Aanwijzingen uit de natuur

Hoewel menselijk vernuft de bron is geweest van veel synthetische methoden om de interactie tussen olie en water te beheersen, de natuur is vaak een grotere uitvinder, als Nanji Hadia, een onderzoekswetenschapper bij A*STAR's Institute of Chemical and Engineering Sciences (ICES), ontdekt.

Werken aan het probleem van de winning van ruwe olie, Hadia zocht naar meer milieuvriendelijke manieren om restolie in reservoirs terug te winnen. "In de meeste oliereservoirs een grote hoeveelheid olie blijft onherstelbaar omdat het vastzit in de poriën op micronschaal van reservoirgesteenten, " zei Hadia. "Capillaire krachten zijn een sleutelfactor die de olie in deze kleine poriekelen tegenhoudt."

Om de hoeveelheid ruwe olie die uit elke oliebron kan worden gewonnen te maximaliseren, de olie-industrie heeft een aanpak ontwikkeld die bekend staat als verbeterde oliewinning. "Eén type verbeterde oliewinning omvat het gebruik van oppervlakteactieve stoffen om de capillaire krachten die de olie op zijn plaats houden te overwinnen en olie en water te laten mengen tot emulsies die vervolgens gemakkelijker door de poriën kunnen stromen, ' zei Hadia.

Echter, veel bestaande synthetische oppervlakteactieve stoffen omvatten sulfaten en sulfonaten die niet altijd biologisch afbreekbaar zijn en zorgen voor het milieu. "Vanwege de steeds strengere milieubeperkingen, het is een prioriteit voor de aardolie-exploratie- en -productie-industrie om over te stappen op groene oppervlakteactieve stoffen, ’ merkte Hadia op.

Hadia besloot daarom een ​​blad uit het innovatiehandboek van de natuur te halen, samenwerken met zijn collega Christoph Ottenheim om natuurlijke oppervlakteactieve stofachtige moleculen uit bacteriën te produceren, ook wel biosurfactanten genoemd. Twee soorten biosurfactanten zijn uitgebreid bestudeerd in de context van verbeterde oliewinning:glycolipiden, dat zijn vetmoleculen waaraan een suikerketen is vastgemaakt; en lipopeptiden, vetmoleculen met daaraan een korte keten van aminozuren (de basisbouwstenen van eiwitten).

Spanning wegnemen

In hun studie hebben Hadia en Ottenheim concentreerden zich op een lipopeptide genaamd surfactine, geproduceerd door de Bacillus-familie van bacteriën. "Surfactins staan ​​bekend om hun vermogen om de grensvlakspanning tussen olie en water drastisch te verminderen, "Zei Hadia. Maar het produceren van oppervlakteactieve stoffen in voldoende grote hoeveelheden zonder astronomische kosten te maken, blijft een moeilijk op te lossen probleem en is een belangrijke overweging voor de olieproductie-industrie.

Momenteel, surfactine wordt verkregen door fermentatie, waarbij Bacillus wordt voorzien van een specifieke mix van voedingsstoffen en onder nauwkeurige pH wordt gehouden, temperatuur en beluchtingsomstandigheden die de synthese van surfactine bevorderen. "In ons geval, we gebruikten Bacillus subtilis 22.2-stammen en lieten ze een nacht bij 30°C een voedingsbouillon fermenteren, " legde Ottenheim uit. Het fermentatieproduct bevatte een mengsel van surfactines, met een opbrengst van minder dan 1 g/L bouillon.

Evaluatie van het effect van hun surfactine-mengsel op ruwe olie uit twee voorraadtanks, de onderzoekers ontdekten dat een lage concentratie aan oppervlakteactieve stoffen van 0,025% de grensvlakspanning van beide oliën met honderd tot duizend keer kon verminderen, waardoor de vorming van olie-in-water-emulsies wordt vergemakkelijkt. Hierdoor kan olie op zijn beurt gemakkelijk uit de poriën van de keel stromen.

Krediet:Agentschap voor Wetenschap, Technologie en Onderzoek (A*STAR), Singapore

Om de werkelijke omstandigheden waaronder het surfactinemengsel zou moeten presteren beter na te bootsen, Het team van Hadia voerde ook kernoverstromingsexperimenten uit door olie op te vangen in Berea-zandsteen, een natuurlijk poreus zandsteenmateriaal, dan proberen om de olie terug te winnen. "We waren in staat om 1,5-5% meer olie te winnen door 0,1% surfactine-oplossing in de gesteentemonsters te injecteren [in vergelijking met wanneer surfactine niet werd gebruikt], ' zei Hadia.

Een deel van deze verbetering kan ook worden toegeschreven aan het feit dat surfactine de bevochtigbaarheid van de gesteentemonsters veranderde om ze meer waternat te maken (op dezelfde manier dat afwasmiddel werkt), waardoor de olie kan worden weggespoeld met water. Bij elkaar genomen, surfactines vormen een haalbare en milieuvriendelijkere oplossing voor verbeterde oliewinning in de aardolie-industrie, Hadia opgemerkt.

Een contactsport

De mogelijkheid om de bevochtigbaarheid van het oppervlak af te stemmen is net zo nuttig buiten het gebied van oliewinning. Bijvoorbeeld, in microfluïdica, waarbij vloeistoffen door zeer kleine kanalen gaan, de bevochtigbaarheid van die kanalen heeft een aanzienlijke invloed op hoe vloeistoffen erin stromen, of dat biologische cellen zich kunnen hechten aan de oppervlakken van de kanalen voor orgel-op-chip-doeleinden.

In plaats van een coating aan te brengen (zoals teflon of surfactine), een andere strategie om de bevochtigbaarheid van het oppervlak te wijzigen, is door het gebruik van lasers. Onderzoekers onder leiding van Zhongke Wang, een onderzoekswetenschapper aan het Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) van A*STAR, laserstraling hebben gebruikt om de bevochtigbaarheid van polycarbonaat nauwkeurig te regelen, een soort plastic dat transparant en biocompatibel is.

"Tot dusver, de meeste bestaande technieken kunnen de bevochtigbaarheid van polycarbonaat alleen maar verhogen of verlagen, maar stem de bevochtigbaarheid niet in beide richtingen af, "Wang zei, eraan toevoegend dat de huidige methoden ook niet de flexibiliteit hebben om willekeurige contacthoeken te creëren tussen polycarbonaatoppervlakken en vloeistoffen. Een contacthoek van meer dan 90° betekent dat een oppervlak hydrofoob is, terwijl een contacthoek van minder dan 90° aangeeft dat een oppervlak hydrofiel is. Met andere woorden, een hydrofiel oppervlak heeft een hogere bevochtigbaarheid dan een hydrofoob oppervlak.

Met behulp van een femtoseconde laser, zo genoemd omdat het ultrakorte pulsen van gefocust licht uitzendt, Wang's team was in staat om polycarbonaatoppervlakken in verschillende mate hydrofoob of hydrofiel te maken, afhankelijk van parameters zoals laserintensiteit, het aantal toegepaste laserpulsen en de scansnelheid van de laser.

Bijvoorbeeld, een hoge scansnelheid van 0,5 mm/s met een pulsgetal van 60 resulteerde in een contacthoek van meer dan 150° tussen polycarbonaat en een waterdruppel van 0,5 mm, wat betekent dat het polycarbonaat superhydrofoob werd. Anderzijds, een lagere scansnelheid van 29 mm/s met minder pulsen resulteerde in een contacthoek van minder dan 5°, indicatief voor een superhydrofiel oppervlak.

"De veranderingen in chemische bindingen op het polycarbonaatoppervlak als gevolg van verschillende laserbestralingsomstandigheden bepalen de bevochtigbaarheid van het lasergescande oppervlak. Polaire groepen veroorzaakt door laserbestraling resulteerden in een hydrofiel oppervlak, terwijl niet-polaire groepen geïnduceerd door laserbestraling resulteerden in een hydrofoob oppervlak, ' legde Wang uit.

Op zoek naar synergieën

Na te hebben aangetoond dat het oppervlak van polycarbonaat chemisch en fysiek is veranderd door de femtoseconde laser, de onderzoekers wilden de stabiliteit van de oppervlakte-eigenschappen testen in het kader van microfluïdica. Bij microfluïdica, ultrasone trillingen - de toepassing van hoogfrequente geluidsgolven - wordt vaak gebruikt om de kleine kanaaltjes uit te spoelen in de aanwezigheid van water of chemicaliën.

Wang's team ontdekte dat de ruwheid van hydrofobe oppervlakken werd verhoogd door ultrasone trillingen met water en ethanol. In tegenstelling tot, de ruwheid van hydrofiele oppervlakken werd verminderd. De onderzoekers merkten ook op dat de hydrofobiciteit en hydrofiliciteit van de met laser behandelde polycarbonaatoppervlakken afnam na ultrasone trillingen met water en ethanol.

"We denken dat er twee mogelijkheden zijn voor de verandering in de bevochtigbaarheid van het oppervlak na de behandeling:ultrasone trillingen kunnen vuil van de met laser behandelde oppervlakken hebben losgemaakt, of ultrasone trillingen kunnen hebben geleid tot aanvullende veranderingen in de chemische bindingen op het polycarbonaatoppervlak, " legde Wang uit. Hij voegde eraan toe dat toekomstige experimenten met röntgenfoto-elektronspectroscopie nodig zullen zijn om te verduidelijken of er inderdaad veranderingen in de chemische bindingen zijn opgetreden na ultrasone trillingen.

De bevindingen van Wang's werk kunnen implicaties hebben voor Hadia's onderzoek, aangezien microfluïdica nuttig is voor het visualiseren van stromingen op zeer kleine schaal. "In het geval van verbeterde oliewinningsstudies, microfluidics helpt onderzoekers de verplaatsing van de ene vloeistof door de andere te begrijpen in een glazen microfluïdische chip met een poriënnetwerk dat een poreus gesteentemonster vertegenwoordigt, "Zei Hadia. Vandaar, terwijl Wang en Hadia verschillende problemen bestuderen, hun onderzoeksgebieden overlappen elkaar subtiel en genereren synergieën.

Beide wetenschappers bieden ook verschillende benaderingen voor oppervlaktemodificatie, hetzij door chemische middelen (coating met surfactine) of fysieke methoden (lasers). Hun ontdekkingen effenen de weg voor meer efficiëntie en verminderde milieu-impact van industriële processen, een voorbeeld van hoe onderzoek en ontwikkeling handige oplossingen kunnen opleveren voor enkele van de meest uitdagende problemen van de samenleving.