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Formación de espuma durante el drenaje de la solución tensioactiva en un modelo mesoporoso de microfluidos

Formación de espuma durante el drenaje de la solución tensioactiva en un modelo mesoporoso de microfluidos

La dinámica de la formación de espuma en el espacio poroso de un modelo mesoporoso de microfluidos se analizó durante el desplazamiento de la solución tensioactiva mediante inyección de gas (aire) a un caudal volumétrico constante. La evolución de la estructura de la espuma y la reversibilidad del movimiento del gas (viscosidad aparente del gas) se evaluaron en función de la concentración de tensioactivo.

Modelo de microfluidos

Los experimentos de inyección de fluidos se realizaron en un medio poroso de microfluidos modelo hecho de vidrio de borosilicato, fabricado por Micronit. El micropatrón se humedece con agua y contiene una matriz porosa con una longitud de 20 mm x un ancho de 10 mm y una profundidad de grabado de 20 μm. Las cámaras de distribución de flujo de entrada y salida tienen 500 µm de ancho. El dispositivo está diseñado colocando aleatoriamente estructuras en forma de granos de roca para parecerse a la geometría real de una porción de roca arenisca. Entre las estructuras de matriz sólida aparecen cuerpos porosos y gargantas. El tamaño aproximado del anillo más pequeño es de 12 µm, mientras que el anillo más grande es de aproximadamente 250 µm. El volumen de poros es de 2,3 µL, lo que corresponde a una porosidad de 0,57. La permeabilidad del modelo, según el proveedor, es de 2,5 D. Los valores absolutos de porosidad y permeabilidad son más altos que los de las rocas reservorio típicas, sin embargo, trabajar con una geometría 2D transparente permite visualizar eventos a escala de poros y la correlación entre estos. eventos y comportamiento del flujo macroscópico. La figura 1 muestra una imagen del modelo pequeño. La distribución de fases evolucionó dentro de un área de 9,33 x 5,32 mm.2 El microcosmos, resaltado en amarillo en la figura, se registró durante toda la duración de los experimentos para evaluar la evolución de la textura de la espuma y determinar el número de laminillas en el espacio poroso. Después de alcanzar un estado estacionario, se obtuvo una imagen de todo el espacio poroso.

Figura 1

Imagen del modelo a escala de los medios porosos utilizados en el estudio. El área resaltada en amarillo representa la región donde se midió la evolución del recuento de plaquetas durante la formación de espuma.

Configuración y procedimiento experimentales.

La configuración experimental se muestra en la Figura 2. Se inyectaron ambas fases, acuosa y gaseosa, utilizando una bomba de jeringa (Harvard Apparatus) con jeringas de vidrio herméticas (Hamilton), con terminación de teflón y acoplamiento Luer-Lock. Se utilizó una válvula de tres vías para conectar el transductor de presión a la línea de inyección. El dispositivo de microfluidos se colocó en la platina de un microscopio invertido (Leica DMi8) para su visualización. Se utilizó una cámara Leica MC170 HD para registrar la evolución de la inyección de gas y la formación de placas durante cada experimento.

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La presión diferencial se midió utilizando un transductor de presión DP15TL (Validyne) colocado encima del dispositivo de microfluidos. Las membranas utilizadas tienen una finura del 0,5% y rangos de presión de 0-5 psi y 0-20 psi. El puerto estaba abierto al aire.

Figura 2
Figura 2

Para garantizar una saturación completa del espacio poroso con la fase acuosa sin burbujas de gas, primero se saturó el microcosmos con dióxido de carbono. Después de este paso inicial, el modelo quedó completamente saturado con la fase acuosa (agua o solución tensioactiva).

La fase acuosa se desplazó mediante inyección de gas a un caudal volumétrico constante de \(q_g = 1\) ml/h hasta que la presión diferencial alcance el estado estable. Se exploró la gama de figuras poéticas. \(Ca = \mu _a V / \sigma = 2.1 \times 10^{-5}\) a \(4.1\veces 10^{-5}\). El número de capilares se define en términos de la viscosidad de la fase acuosa. \(\Mo_a\)la tensión superficial entre fases \(\sigma\) Y la velocidad de Darcy Quinto.

El surfactante utilizado en los experimentos fue dodecilsulfato de sodio (SDS). La solución se preparó disolviendo el tensioactivo en polvo en agua desionizada y se filtró a través de un filtro de 0,45 µm. Se añadió un tinte acuoso a la solución de tensioactivo para distinguir mejor el líquido de otros líquidos y de la matriz vítrea en los experimentos de visualización.

Las mediciones de tensión superficial se realizaron en soluciones acuosas de SDS para determinar la concentración micelar crítica (CMC) del sistema. Todas las mediciones se realizaron en un tonómetro DCAT25 de DataPhysics Instruments utilizando una placa Wilhelmy. Los valores informados de tensión superficial se obtuvieron a una temperatura constante de 23 °C. La tensión superficial de equilibrio del agua con el tinte rojo utilizado para preparar las soluciones fue de 61,6 mN/m. El valor de la tensión superficial se estabiliza en 34,4 mN/m con una concentración de tensioactivo suficientemente alta. La concentración micelar crítica (CMC) medida fue de aproximadamente 3 g/l.

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Cuantificación mediante análisis de imágenes.

Las imágenes registradas durante cada experimento se procesaron utilizando Fiji Is Just ImageJ.26, que tiene varios complementos integrados que facilitan el análisis científico de imágenes. El objetivo principal del análisis de imágenes fue evaluar la fase acuosa remanente y determinar la evolución del recuento de plaquetas.

Primero, se utilizó una imagen del dispositivo completamente saturada con aire para determinar la composición de la matriz sólida y el espacio de los poros. Esta imagen se llama mascarilla.

Durante el desplazamiento de la solución tensioactiva mediante inyección de gas, se analizaron fotogramas adquiridos cada 10 s del vídeo grabado. La Figura 3 muestra un ejemplo de estas imágenes. Es evidente la presencia de películas líquidas que delimitan múltiples burbujas de gas.

figura 3
figura 3

Medio poroso después del desplazamiento de la solución tensioactiva por el aire. El espacio poroso presenta varias laminillas.

El complemento se llama BUnwarpJ Se utilizó para alinear las imágenes en cada paso de tiempo y mascarillaque es fundamental para las restas de imágenes que se utilizaron para calcular el número de placas. BUnwarpJ Es un algoritmo para el registro de imágenes flexible y consistente.27. Los macrocomandos de Fiji utilizados para este proceso son:

Figura A

El siguiente paso fue duplicar ambas imágenes. Se utilizaron tres algoritmos de umbralización, Isodata.28Huang29 y el triangulo30, dependiendo de las condiciones de iluminación de cada experimento. Objetos pseudoaislados (menores de 100 píxeles2) Es posible que haya suciedad en el dispositivo de vidrio o que se hayan eliminado impurezas en los fluidos después del proceso dual. Los macrocomandos de Fiji utilizados para estas operaciones son:

Figura B

Para aislar las laminillas y eliminar los límites de la matriz sólida de la imagen, se realizó una operación booleana (Y) entre las imágenes binarias y se alineó para cada paso de tiempo y la imagen invertida. mascarilla. El comando macro de Fiji utilizado para esta operación es:

Figura C

Debido a pequeñas diferencias en la representación de los límites de los granos sólidos en las dos imágenes, el proceso de resta no es ideal y genera objetos muy pequeños. Objetos de menos de 10 píxeles2 Eliminado usando comandos:

Figura D

El resultado de estas operaciones se muestra en la Figura 4. El número de placas no es igual al número de objetos aislados en la Figura 4, ya que se pueden conectar diferentes placas para formar un solo objeto. Para aislar cada corte, los objetos se estructuran, lo que implica eliminar repetidamente píxeles de los límites de los objetos hasta que se reducen a formas de un píxel de ancho. Enchufar Análisis esquelético 2D/3D Se utiliza para ordenar la rama, el nodo y el punto final de cada objeto y representarlos en diferentes colores.31. Los nodos (conexión entre diferentes ramas) tienen un tono inferior a 71, por lo que pueden eliminarse mediante un proceso de umbralización. Los macrocomandos de Fiji utilizados para estas operaciones son:

Figura 4
Figura 4

Una imagen clara que contiene las placas.

Figura E

El resultado de estos procesos se representa en la Figura 5, que muestra (a) la imagen original, que contiene laminillas y límites de grano sólidos, y (b) la imagen estructural después de la resta. mascarilla y (c) la imagen en la que los nodos y las laminillas no están conectados entre sí.

Figura 5
Figura 5

(a(Imagen original, los nodos están marcados con un círculo rojo, (B(Nodos identificados en la imagen estructural, (C) Imagen sin nodos.

Siguiendo la serie de operaciones de imagen descritas anteriormente, el número de placas es igual al número de objetos aislados en la imagen. Durante la cuantificación del recuento de placas, solo se seleccionan objetos de más de 15 píxeles2 (\(\alrededor de 18,2^2 \mu m^2\)) son considerados. El número de hojas de la imagen está determinado por el comando:

Figura F

Los conjuntos anteriores de comandos de macro se agrupan en una única macro que se puede ejecutar de forma automática y repetida. La macro tomó un marco de referencia como entrada y repitió una serie de marcos que contenían placas, dando como salida el número de placas por cuadro.

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