Opdagelse af en ny væske-væske grænsefladedeformation ved delvis blandbarhed

Det internationale samarbejdshold fra Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT, Japan), IIT Ropar (Indien), Osaka Univ. (Japan) har opdaget, at "delvis blandbarhed, "hvor to væsker ikke blandes fuldstændigt med begrænset opløselighed, er i stand til at deformere væske-væske-grænsefladen. Denne grænsefladedeformation opstår på grund af den spontane bevægelse drevet af faseadskillelse mellem de opløselige arter, og er et fænomen, der ikke kan ses med fuldstændig blandet (fuldt blandbar) med uendelig opløselighed eller (næsten) ublandbar uden opløselighed.

Forskerne har offentliggjort deres resultater i Fysisk gennemgangsvæske den 29. oktober 2019.

Processen med at fortrænge en væske i et porøst medium ved at injicere en anden væske er vigtig i reaktioner og adskillelser i kemiske processer, samt i forbedret olieindvinding og CO ₂ sekvestrering. I særdeleshed, når en mindre viskøs væske fortrænger en mere viskøs væske, grænsefladen mellem de to væsker bliver hydrodynamisk ustabil og deformeres i en fingerform. Dette fænomen kaldes "viskos fingersætning, " og det er blevet undersøgt siden 1950'erne som ét væskedynamikproblem. Nu, det er almindeligt kendt, at egenskaberne af disse to væsker traditionelt kan klassificeres efter, om de er fuldt blandbare eller ikke-blandbare. På den anden side, når en mere viskøs væske fortrænger en mindre viskøs væske, klassisk spredes grænsefladen stabilt, uanset om de to væsker er fuldt blandbare eller ublandbare.

"Det har længe været kendt, at to væsker er delvist blandbare i underjordiske processer med højtryksforhold, såsom olieindvinding og CO ₂ opbevaring, "sagde Dr. Nagatsu, tilsvarende forfatter på papiret og en lektor ved Institut for Kemiteknik på TUAT. "Imidlertid, den indviklede undervurdering af grænsefladedynamik i delvist blandbare systemer er ikke blevet grundigt undersøgt. En af grundene er, at forskning i væskefortrængning hovedsageligt er blevet udført af væskemekanikforskere hidtil, og de savnede at finde de eksperimentelle systemer, der er delvist blandbare ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk."

Forskerholdet lykkedes med at ændre systemets blandbarhed til fuldt blandbart, ublandbare, og delvist blandbar med ringe ændring i viskositeterne af væsker med høj viskositet eller lav viskositet ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk ved anvendelse af et vandigt tofasesystem bestående af polyethylenglycol (PEG), natriumsulfat, og vand og ved at ændre saltkoncentrationen (natriumsulfat) (se fig. a).

"Vi fandt ud af, at der observeres en ny grænsefladedeformation i det tilfælde, hvor de to væsker er delvist blandbare (se fig. c), når en mere tyktflydende væske fortrænger en mindre tyktflydende væske i en Hele-Shaw-celle (fig. b) som er en model, der efterligner flow i porøse medier. Dette er meget kontraintuitivt, fordi der ikke finder nogen deformation sted i en sådan situation, hvor de to væsker er fuldt blandbare eller ublandbare (fig. b). Vi viste, at denne grænsefladeustabilitet opstår på grund af spontan flow drevet af faseadskillelse mellem de opløselige arter, " forklarer Nagatsu.

"Vores resultat viser, at virkningen af ​​delvis blandbarhed af væsker på grænsefladehydrodynamik ikke er midt imellem fuldt blandbar og ublandbar, men har helt andre egenskaber. Vi understreger, at dette vil åbne et nyt tværfagligt forskningsområde, der involverer hydrodynamik og kemisk termodynamik. Også, forskydningen med delvis blandbarhed i et porøst medium finder sted i olieudvindingsprocessen fra formationen og CO ₂ injektionsproces i formationen, og derfor forventes vores fund at bidrage til at forbedre nøjagtigheden af ​​fænomenforudsigelsen af ​​disse processer, " tilføjer Nagatsu.