Het internationale samenwerkingsteam van de Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT, Japan), IIT Ropar (India), Osaka Univ. (Japan) heeft ontdekt dat "gedeeltelijke mengbaarheid, " waarin twee vloeistoffen niet volledig mengen met eindige oplosbaarheid, is in staat om het vloeistof-vloeistof grensvlak te vervormen. Deze grensvlakvervorming ontstaat door de spontane beweging aangedreven door fasescheiding tussen de oplosbare soorten, en is een fenomeen dat niet kan worden gezien met volledig gemengd (volledig mengbaar) met oneindige oplosbaarheid of (bijna) niet-mengbaar zonder oplosbaarheid.

De onderzoekers publiceerden hun resultaten in Fysieke beoordeling Vloeistoffen op 29 oktober, 2019.

Het proces van het verplaatsen van een vloeistof in een poreus medium door het injecteren van een andere vloeistof is belangrijk bij reacties en scheidingen in chemische processen, evenals in verbeterde oliewinning en CO ₂ beslaglegging. Vooral, wanneer een minder viskeuze vloeistof een meer viskeuze vloeistof verdringt, het grensvlak tussen de twee vloeistoffen wordt hydrodynamisch onstabiel en vervormt in de vorm van een vinger. Dit fenomeen wordt "viskeuze vingeren, " en het is sinds de jaren vijftig bestudeerd als een probleem met de vloeistofdynamica. Nu, het is algemeen bekend dat de eigenschappen van deze twee vloeistoffen traditioneel kunnen worden geclassificeerd naargelang ze volledig mengbaar of niet-mengbaar zijn. Anderzijds, wanneer een meer viskeuze vloeistof een minder viskeuze vloeistof verdringt, klassiek verspreidt de interface zich stabiel, ongeacht of de twee vloeistoffen volledig mengbaar of niet mengbaar zijn.

"Het is al lang bekend dat twee vloeistoffen gedeeltelijk mengbaar zijn in ondergrondse processen onder hoge druk, zoals oliewinning en CO ₂ opslag, "zei Dr. Nagatsu, corresponderende auteur op het papier en een universitair hoofddocent bij de afdeling Chemische Technologie van TUAT. "Echter, de ingewikkelde onderschatting van grensvlakdynamiek in gedeeltelijk mengbare systemen is niet goed bestudeerd. Een van de redenen is dat onderzoek naar vloeistofverplaatsing tot nu toe voornamelijk is uitgevoerd door onderzoekers op het gebied van vloeistofmechanica, en ze misten het vinden van de experimentele systemen die gedeeltelijk mengbaar zijn bij kamertemperatuur en atmosferische druk."

Het onderzoeksteam slaagde erin de mengbaarheid van het systeem te veranderen in volledig mengbaar, niet mengbaar, en gedeeltelijk mengbaar met weinig verandering in de viscositeit van vloeistoffen met hoge of lage viscositeit bij kamertemperatuur en atmosferische druk door gebruik te maken van een waterig tweefasensysteem bestaande uit polyethyleenglycol (PEG), sodium sulfaat, en water en door de zoutconcentratie (natriumsulfaat) te veranderen (zie Fig. a).

"We ontdekten dat een nieuwe grensvlakvervorming wordt waargenomen in het geval dat de twee vloeistoffen gedeeltelijk mengbaar zijn (zie figuur c) wanneer een meer viskeuze vloeistof een minder viskeuze vloeistof verdringt in een Hele-Shaw-cel (figuur b) die is een model dat stroming in poreuze media nabootst. Dit is zeer contra-intuïtief omdat er in een dergelijke situatie geen vervorming plaatsvindt wanneer de twee vloeistoffen volledig mengbaar of niet-mengbaar zijn (Fig. b). We toonden aan dat deze grensvlakinstabiliteit ontstaat door spontane stroom gedreven door fasescheiding tussen de oplosbare soorten, ' legt Nagatsu uit.

"Ons resultaat laat zien dat het effect van gedeeltelijke mengbaarheid van vloeistoffen op de grensvlakhydrodynamica niet in het midden van volledig mengbaar en niet-mengbaar is, maar heeft totaal andere eigenschappen. We benadrukken dat dit een nieuw interdisciplinair onderzoeksgebied zal openen met betrekking tot hydrodynamica en chemische thermodynamica. Ook, de verplaatsing met gedeeltelijke mengbaarheid in een poreus medium vindt plaats in het oliewinningsproces uit de formatie en de CO ₂ injectieproces in de formatie, en dus wordt verwacht dat onze bevinding zal bijdragen aan het verbeteren van de nauwkeurigheid van de voorspelling van fenomenen van die processen, ", voegt Nagatsu toe.