Łatwa tensjometria z Attension

czwartek, 2 stycznia 2025

Zwiększone wydobycie ropy (EOR): porównanie metod pomiaru zwilżalności złóż ropy naftowej

Istnieją trzy powszechnie stosowane techniki pomiaru zwilżalności w charakterystyce złóż ropy naftowej: pomiar kąta zwilżania, metoda Amotta-Harveya oraz metoda USBM. Techniki te zostały już omówione w naszym wcześniejszym wpisie na blogu, dlatego tutaj skupimy się na ich porównaniu.

Zwilżalność powierzchni a średnia zwilżalność rdzenia

Podstawowa różnica polega na tym, że pomiar kąta zwilżania określa zwilżalność powierzchni próbki, natomiast metody Amotta-Harveya i USBM dostarczają informacji o średniej zwilżalności całego rdzenia skalnego. Pomiar kąta zwilżania daje wartość kąta bezpośrednio związaną ze zwilżalnością powierzchni rdzenia. Metody Amotta-Harveya oraz USBM wyznaczają natomiast wskaźniki zwilżalności.

Czas pomiaru

Choć czas pomiaru nie zawsze jest czynnikiem krytycznym, w niektórych przypadkach ma istotne znaczenie. Szczególnie w badaniach przesiewowych surfaktantów pomiary kąta zwilżania są bardzo użyteczne, ponieważ można je wykonać w stosunkowo krótkim czasie.

Metoda Amotta-Harveya jest najbardziej czasochłonna z trzech omawianych, ponieważ częściowo opiera się na spontanicznej imbibicji cieczy do rdzenia. Etap ten trwa zazwyczaj co najmniej 10 dni. Metoda USBM jest szybsza, ponieważ nie obejmuje spontanicznej imbibicji – cały pomiar prowadzony jest w warunkach wymuszonej imbibicji z użyciem wirówki.

Pomiary w warunkach złożowych

Podczas badań metod zwiększonego wydobycia ropy pomiary zwilżalności powinny być wykonywane w warunkach złożowych. Właściwości międzyfazowe zależą od warunków otoczenia, a tym samym wpływają na zwilżalność.

Zwilżalność może być badana metodą kąta zwilżania, ponieważ dostępna aparatura umożliwia prowadzenie pomiarów w wysokich temperaturach, a nawet pod ciśnieniem. W przypadku metod Amotta-Harveya i USBM nie istnieją obecnie na rynku urządzenia umożliwiające prowadzenie pomiarów w warunkach złożowych.

Ograniczenia wynikające z typu złoża

Rodzaj złoża może stanowić istotne wyzwanie dla pomiarów zwilżalności. Pomiary kąta zwilżania wykonywane są na powierzchni próbki, co sprawia, że metoda ta może być stosowana praktycznie do wszystkich typów rdzeni złożowych. Metoda Amotta-Harveya nie jest natomiast odpowiednia dla łupków oraz innych złóż o bardzo niskiej przepuszczalności, ponieważ spontaniczna imbibicja w takich materiałach nie zachodzi. Chociaż metoda USBM opiera się na imbibicji wymuszonej, to siły odśrodkowe wymagane do badań bardzo ciasnych (tight) złóż są zbyt wysokie dla większości dostępnych wirówek.

Dlaczego zwilżalność jest ważna w metodach zwiększania wydobycia ropy (EOR)?

Zwilżalność to zdolność cieczy do rozpływania się po powierzchni ciała stałego. W metodach zwiększania wydobycia ropy (Enhanced Oil Recovery, EOR) zwilżalność odgrywa kluczową rolę, ponieważ determinuje oddziaływania pomiędzy ciałem stałym (skałą zbiornikową) a cieczami obecnymi w złożu (ropa naftowa, solanka). Zwilżalność jest uznawana za jeden z najważniejszych parametrów kontrolujących ilość ropy pozostającej w złożu.

Złoża charakteryzują się określoną zwilżalnością

Skały zbiornikowe można sklasyfikować jako:

wodozwilżalne,
mieszanie zwilżalne,
ropozwilżalne.

W przypadku skały wodozwilżalnej woda ma preferencyjny kontakt z minerałem, a ropa znajduje się jako faza otaczająca. Skała jest określana jako ropozwilżalna, gdy to ropa znajduje się w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią skały. Stan pośredni nazywany jest zwilżalnością pośrednią lub mieszaną.

Do oceny zwilżalności stosuje się pomiary kąta zwilżania, na podstawie których można zdefiniować zakresy kątów odpowiadające poszczególnym stanom zwilżalności.

Zmiana zwilżalności z ropozwilżalnej na wodozwilżalną

Modyfikacja zwilżalności jest skutecznym podejściem w metodach EOR. Celem zmiany zwilżalności jest przesunięcie stanu zwilżania skały w kierunku bardziej wodozwilżalnego. Na zwilżalność wpływa wiele czynników, w tym skład ropy, solanki i skały, a także ciśnienie oraz temperatura.

Metody modyfikacji zwilżalności

Zastosowano różne podejścia do regulacji zwilżalności złóż. W przypadku zbiorników węglanowych, które często są ropozwilżalne, główne metody obejmują:

zatłaczanie CO₂,
zatłaczanie chemiczne, np. z użyciem polimerów.

Alternatywne metody są stale rozwijane, co wynika z rosnącego znaczenia złóż węglanowych jako przyszłego źródła ropy naftowej.

Zwilżalność baterii litowo-jonowych

Zwilżalność baterii litowo-jonowych

Baterie litowo-jonowe są podstawową technologią magazynowania energii w urządzeniach mobilnych, takich jak smartfony i laptopy. Niedawny wzrost zapotrzebowania na pojazdy hybrydowe typu plug-in oraz samochody elektryczne zapoczątkował dyskusję, czy technologia baterii litowo-jonowych będzie kiedykolwiek wystarczająco dobra, aby umożliwić pełną elektryfikację rynku masowego.

Struktura baterii litowo-jonowej

Bateria litowo-jonowa składa się z porowatych elektrod dodatniej i ujemnej, które są wypełnione roztworem elektrolitu i oddzielone separatorem. Elektroda dodatnia – katoda – jest zazwyczaj wykonana z tlenku kobaltu litu (LiCoO₂) lub tlenku manganu litu (LiMn₂O₄). Elektroda ujemna – anoda – jest tradycyjnie wytwarzana z grafitu lub innych materiałów węglowych. Elektrolit stanowi zwykle sól litu rozpuszczona w rozpuszczalniku organicznym; często stosuje się także elektrolity polimerowe. Elektrolit umożliwia transport wyłącznie jonów litu pomiędzy anodą a katodą. Separator jest fizyczną barierą oddzielającą anodę od katody. Podczas gdy katoda i anoda decydują o wydajności baterii, elektrolit i separator odpowiadają przede wszystkim za jej bezpieczeństwo.

Zwilżalność elektrod

Zwilżalność poszczególnych elementów baterii litowo-jonowych stała się jednym z kluczowych zagadnień zarówno z punktu widzenia procesu produkcji, jak i wydajności oraz bezpieczeństwa baterii.

Zwilżalność materiału elektrodowego

Zwilżalność materiału elektrodowego przez roztwór elektrolitu jest jednym z głównych wyzwań w rozwoju wysokowydajnych baterii litowo-jonowych. Przejście od małych baterii do zastosowań wielkoskalowych, takich jak pojazdy elektryczne, stawia istotne wyzwania przed produkcją. Jednym z kluczowych etapów wytwarzania jest wprowadzenie elektrolitu do porowatej elektrody za pomocą precyzyjnej pompy. Na tym etapie elektrolit powinien przeniknąć i wypełnić pory elektrody. Proces ten nazywany jest procesem zwilżania i – ze względu na słabą zwilżalność elektrody, długie drogi dyfuzji oraz utrudnioną dyfuzję spowodowaną obecnością uwięzionych w porach gazów – może trwać nawet kilka dni w podwyższonej temperaturze. Tak długi proces wydłuża czas produkcji i jednocześnie zwiększa jej koszty.

Ponadto niewystarczające zwilżenie porowatych elektrod przez elektrolit prowadzi do nieregularnych reakcji elektrochemicznych oraz niestabilnego formowania się warstwy stałego elektrolitu (SEI). Skutkuje to pogorszeniem parametrów ogniwa i skróceniem jego żywotności cyklicznej. Niepełne zwilżenie sprzyja także powstawaniu dendrytów metalicznego litu, co stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa. Niezawilżony materiał aktywny prowadzi również do niewykorzystania pełnej pojemności elektrody oraz wzrostu jej oporu.

Zwilżalność separatora

Separator jest kluczowym elementem baterii, ponieważ znajduje się pomiędzy elektrodą dodatnią i ujemną. Zapobiega on zwarciu baterii poprzez fizyczne oddzielenie elektrod, jednocześnie umożliwiając przepływ jonów litu. Choć separator bywał uznawany za element bierny, jego właściwości mają fundamentalne znaczenie dla wydajności i bezpieczeństwa baterii.

Separator jest porowatą membraną umieszczoną pomiędzy elektrodami o przeciwnych polaryzacjach. Na przestrzeni lat stosowano różne materiały separatorów, jednak obecnie komercyjne separatory są najczęściej wytwarzane z poliolefin, takich jak polietylen lub polipropylen.

Zwilżalność separatora przez elektrolit jest krytyczną cechą, ponieważ adsorpcja elektrolitu jest niezbędna do transportu jonowego. Polimerowe materiały separatorów są z natury hydrofobowe i wykazują niewystarczającą zwilżalność wobec konwencjonalnych elektrolitów organicznych. W celu zwiększenia zwilżalności separatorów rozważano różne podejścia, w tym stosowanie powłok (np. metodą elektroprzędzenia lub osadzania warstw atomowych – ALD) oraz wytwarzanie separatorów kompozytowych.

Na podstwie tekstu Susanny Lauren

Wpływ chropowatości powierzchni na zwilżalność papieru i tektury

Czy wiesz, że chropowatość powierzchni wpływa na zwilżalność papieru i tektury? Ze względu na swoją włóknistą strukturę powierzchnie papieru i tektury niemal zawsze charakteryzują się pewnym stopniem chropowatości. Ta chropowatość w sposób naturalny oddziałuje na zwilżalność, ponieważ wzmacnia efekt zwilżania wynikający z chemii powierzchni. W przypadku powierzchni hydrofilowych zwiększona chropowatość powoduje jeszcze większą hydrofilowość, natomiast dla powierzchni hydrofobowych efekt ten jest odwrotny – chropowatość potęguje hydrofobowość.

Zwilżalność zawsze składa się zatem z dwóch komponentów: zwilżalności wynikającej z chemii powierzchni oraz zwilżalności wynikającej z chropowatości powierzchni. Wiele metod powlekania i obróbki wpływa jednocześnie zarówno na chemię powierzchni, jak i na jej chropowatość, co sprawia, że ocena skuteczności powłoki staje się złożona. Aby w pełni przeanalizować wpływ powlekania, konieczne jest wykonanie pomiarów zarówno zwilżalności, jak i chropowatości w tym samym miejscu próbki, a następnie połączenie uzyskanych wyników w celu rozdzielenia wpływu chropowatości od wpływu chemii powierzchni na zwilżalność.

Na podstawie tekstu Anny Oom

Zwilżalność elektrod – kalandrowanie elektrod w bateriach litowo-jonowych

Zwilżalność elektrod – kalandrowanie elektrod w bateriach litowo-jonowych

Kalandrowanie jest powszechnie stosowanym procesem zagęszczania elektrod w bateriach litowo-jonowych. Celem kalandrowania jest zmniejszenie porowatości elektrody, co poprawia kontakt pomiędzy cząstkami, a tym samym zwiększa gęstość energii baterii. Proces ten znacząco wpływa na strukturę porów, a w konsekwencji również na zwilżalność elektrody.

Zwilżalność materiału elektrodowego

Zwilżalność materiału elektrodowego przez roztwór elektrolitu stanowi jedno z kluczowych wyzwań w rozwoju wysokowydajnych baterii litowo-jonowych. Niewystarczające zwilżenie porowatych elektrod przez elektrolit prowadzi do nierównomiernego przebiegu reakcji elektrochemicznych oraz do niestabilnego tworzenia się warstwy stałego elektrolitu (SEI – solid electrolyte interphase). Może to skutkować pogorszeniem parametrów ogniwa oraz skróceniem jego żywotności cyklicznej. Ponadto niepełne zwilżenie sprzyja powstawaniu dendrytów litu metalicznego, co stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa. Niezawilżony materiał aktywny prowadzi również do niepełnego wykorzystania pojemności elektrody oraz wzrostu jej oporu.

Wyznaczanie szybkości zwilżania za pomocą tensjometru siłowego

Zwilżanie elektrody przez elektrolit można badać poprzez pomiar szybkości zwilżania przy użyciu tensjometru siłowego. Pomiar opiera się na tzw. metodzie Washburna, w której porowata próbka jest zanurzana w cieczy, a bardzo czuła waga rejestruje przyrost masy w funkcji czasu w wyniku wnikania cieczy w pory próbki.

Metoda ta została wykorzystana do określenia wpływu kalandrowania na zwilżalność elektrod w bateriach litowo-jonowych. Mierzono pochłanianie elektrolitu przez folie elektrodowe o różnej grubości, wynikającej z procesu kalandrowania, rejestrując przyrost masy w funkcji czasu.

Wykazano, że umiarkowane kalandrowanie poprawia zwilżalność materiału elektrodowego dzięki lepszemu ułożeniu cząstek oraz zwiększeniu rozgałęzienia sieci porów. Jeżeli jednak kalandrowanie zostanie przeprowadzone powyżej poziomu optymalnego, zwilżalność elektrody ulega pogorszeniu, ponieważ średnica porów zmniejsza się, a całkowita porowatość elektrody zostaje zredukowana.

Wpływ kalandrowania na chropowatość powierzchni

Proces kalandrowania zmienia strukturę powierzchni elektrody. Chropowatość powierzchni ma wyraźny wpływ na zwilżalność, ponieważ wzmacnia efekt wynikający z chemii powierzchni. Jeżeli powierzchnia jest chemicznie hydrofilowa, zwiększona chropowatość sprawia, że staje się ona jeszcze bardziej hydrofilowa. Z tego względu jednoczesny pomiar chropowatości powierzchni oraz kąta zwilżania dostarcza pełniejszej wiedzy na temat właściwości zwilżania elektrody.

Zwilżalność w powlekaniu tabletek

Zwilżalność odgrywa kluczową rolę w powlekaniu tabletek

Zwilżalność odgrywa kluczową rolę w wielu procesach przemysłowych, w których zachodzi kontakt cieczy z ciałem stałym. Dotyczy to również przemysłu farmaceutycznego, gdzie zwilżalność ma fundamentalne znaczenie na różnych etapach procesu – od wytwarzania stałych postaci leku, aż po ich dezintegrację i rozpuszczanie. Tabletki są najpopularniejszą postacią leku ze względu na liczne zalety, jakie oferują. Z punktu widzenia produkcji nadają się do wytwarzania na dużą skalę, a koszty ich produkcji mogą być relatywnie niskie. Dla pacjentów tabletki są wygodne w stosowaniu i łatwe w obsłudze. Powlekanie tabletek stosuje się w celu poprawy ich wyglądu, maskowania smaku i zapachu oraz kontroli szybkości uwalniania substancji czynnej. Zwilżalność odgrywa w tym procesie kluczową rolę.

Znaczenie zwilżalności dla adhezji powłoki

Adhezja powłoki filmowej do powierzchni tabletki ma istotne znaczenie, ponieważ warstwa powlekająca często pełni również ważną funkcję w procesie uwalniania leku. Niejednorodna powłoka może prowadzić do przedwczesnego uwalniania substancji czynnej. Sposób rozprowadzania formulacji powlekającej na powierzchni tabletki oraz siła wiązania są determinowane przez właściwości powierzchniowe podłoża. Aby zapewnić prawidłowe wiązanie, należy ocenić chropowatość powierzchni oraz jej hydrofobowość.

Modyfikacja napięcia powierzchniowego powłoki za pomocą surfaktantów

Napięcie powierzchniowe formulacji powlekających, w połączeniu z właściwościami podłoża, decyduje o sposobie ich rozpływania się i adhezji do powierzchni tabletki. W szczególności w przypadku wodnych formulacji powlekających napięcie powierzchniowe jest zazwyczaj zbyt wysokie, aby umożliwić dobre rozpływanie. Z kolei zbyt niskie napięcie powierzchniowe może zaburzać proces poziomowania powłoki, prowadząc do powstawania powierzchni typu „skórka pomarańczy”. Napięcie powierzchniowe można modyfikować poprzez dodatek surfaktantów. Do powszechnie stosowanych surfaktantów w przemyśle farmaceutycznym należą między innymi Spany i Tweeny.

Dlaczego warto zastąpić pisaki dyne / pisaki napięcia powierzchniowego pomiarem kąta zwilżania?

Zrozumienie sposobu, w jaki ciecze oddziałują z powierzchniami stałymi — czyli zwilżalności powierzchni — ma kluczowe znaczenie w wielu branżach, takich jak elektronika, powłoki, wyroby medyczne czy opakowania. Dwiema najczęściej stosowanymi metodami oceny zwilżalności i energii powierzchniowej są pomiar kąta zwilżania oraz testy pisakami dyne (pisakami napięcia powierzchniowego). Jak te metody wypadają w porównaniu i dlaczego warto zastąpić pisaki dyne pomiarem kąta zwilżania?

Porównanie technik

Pomiar kąta zwilżania

Pomiar kąta zwilżania jest ilościową metodą, która określa kąt, jaki tworzy kropla cieczy na granicy z powierzchnią stałą. Kąt ten bezpośrednio odzwierciedla stopień zwilżalności:

Niski kąt zwilżania = wysoka zwilżalność (ciecz rozpływa się po powierzchni)
Wysoki kąt zwilżania = niska zwilżalność (ciecz tworzy kroplę)

Pomiary są zazwyczaj wykonywane przy użyciu tensjometru optycznego, który zapewnia wysoką dokładność i powtarzalność wyników. Pomiar kąta zwilżania może obejmować kąty statyczne, kąty natarcia i cofania, dostarczając szczegółowych informacji o właściwościach powierzchni.

Pisaki dyne / pisaki napięcia powierzchniowego

Pisaki dyne (pisaki napięcia powierzchniowego) to szybka i prosta jakościowa metoda szacowania energii powierzchniowej materiałów, szczególnie tworzyw sztucznych i folii. Są to markery z filcową końcówką, wypełnione cieczami o znanym napięciu powierzchniowym (wyrażanym w dynach/cm).

Podczas testu rysuje się linię na badanej powierzchni i obserwuje zachowanie cieczy:

jeśli ciecz rozpływa się i pozostaje ciągła przez co najmniej 2 sekundy, energia powierzchniowa powierzchni jest wyższa niż wartość pisaka,
jeśli ciecz zbiera się w krople lub linia się rozpada, energia powierzchniowa jest niższa niż wartość pisaka.

Choć pisaki dyne / pisaki napięcia powierzchniowego umożliwiają szybki test, uzyskiwane wyniki są subiektywne, zależne od operatora i wyłącznie jakościowe. Dodatkowo nie ma możliwości zapisu wyników do celów kontroli jakości, a zastosowanie tej metody jest ograniczone do określonych typów powierzchni.

Dlaczego pomiar kąta zwilżania jest lepszą alternatywą?

Pomiar kąta zwilżania pozwala na ilościową i obiektywną ocenę powierzchni. Jest wykonywany automatycznie przy użyciu tensjometru optycznego, co eliminuje wpływ operatora na wynik. Uzyskane dane mogą być łatwo zapisywane, archiwizowane i wykorzystywane w procedurach kontroli jakości.

Metoda ta nadaje się do szerokiego zakresu materiałów — od bardzo hydrofilowych po silnie hydrofobowe — oraz umożliwia analizę dynamicznych efektów zwilżania.

Porównanie metod

Cecha	Pomiar kąta zwilżania	Pisaki dyne / pisaki napięcia powierzchniowego
Rodzaj danych	Ilościowe (kąt, energia powierzchniowa)	Jakościowe / progowe
Precyzja	Wysoka	Niska
Zakres powierzchni	Szeroki (metale, szkło, polimery)	Głównie gładkie, nieporowate
Zależność od operatora	Niska (automatyzacja)	Wysoka (subiektywność)
Szybkość	Umiarkowana (sekundy–minuty)	Bardzo szybka (sekundy)
Koszty eksploatacji	Jednorazowy koszt aparatu	Koszt regularnej wymiany pisaków
Informacje zaawansowane	Tak (histereza, dynamika, niejednorodność)	Nie

Jak zastąpić pisaki dyne pomiarem kąta zwilżania?

Najczęściej stosowanym podejściem przy zastępowaniu pisaków dyne / pisaków napięcia powierzchniowego jest pomiar kąta zwilżania wody. Sam kąt zwilżania wody może służyć do oszacowania swobodnej energii powierzchniowej (SFE):

Niski kąt zwilżania wody = wysoka energia powierzchniowa
Wysoki kąt zwilżania wody = niska energia powierzchniowa

Możliwe jest również przygotowanie krzywej kalibracyjnej, która pozwala powiązać konkretną wartość kąta zwilżania z wymaganymi parametrami powierzchni. Jeżeli konieczne jest dokładne wyznaczenie energii powierzchniowej, można je łatwo przeprowadzić przy użyciu tego samego tensjometru optycznego, stosując odpowiednie modele obliczeniowe.

Podsumowanie

Zarówno pomiar kąta zwilżania, jak i testy pisakami dyne / pisakami napięcia powierzchniowego mają swoje miejsce w badaniach powierzchni i kontroli jakości. Wybór metody zależy od wymaganej precyzji, szybkości oraz kontekstu zastosowania. Jednak w przypadku aplikacji wymagających wysokiej dokładności, powtarzalności i pełnej dokumentacji wyników, pomiar kąta zwilżania pozostaje złotym standardem, zapewniającym znacznie więcej informacji niż metody jakościowe.

na podstawie tekstu Susanny Lauren