(a) Fasdiagram av PEG 8000-Na2SO4-vattensystem och lösningssystem som används i denna studie. Region I är en enfasregion och region II är en tvåfasregion. När koncentrationen är inställd i röd triangel, lösningen delas upp i två faser, fas L och fas H. Lösningskompositionerna som används i det oblandbara, fullt blandbar, och delvis blandbara system indikeras med rött, svart, och gröna cirklar, respektive. (b) När en mer viskös vätska injiceras från en enda punkt i en Hele-Shaw-cell (ett gap mellan två parallella platta plattor med ett mycket litet avstånd b (=0,3 mm)) fylld med en mindre trögflytande vätska, deras gränssnitt blir hydrodynamiskt stabilt och breder ut sig i en cirkel. (c) Hydrodynamiskt stabil förskjutning i det oblandbara, fullt blandbar, och delvis blandbara system för en given flödeshastighet. Bilderna tas när förskjutningsmönstrets längsta radie är 42 mm och insprutningstiden visas i det nedre högra hörnet av varje bild. Cirklarna i figuren motsvarar cirklarna i fasdiagrammet i (a). Det är, i det oblandbara systemet, sammansättningarna av den mer viskösa lösningen och den mindre trögflytande lösningen representeras av öppen cirkel i rött och hel cirkel i rött. I det fullt blandbara systemet, sammansättningen av den mer viskösa lösningen, av de mindre trögflytande, och av deras blandade lösning representeras av öppen cirkel i svart, heldragen cirkel i svart, och stjärna i svart. I det delvis blandbara systemet, de representeras av öppen cirkel i svart, heldragen cirkel i svart, och stjärna i grönt. Kredit:Yuichiro Nagatsu/ TUAT
Det internationella samarbetsteamet vid Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT, Japan), IIT Ropar (Indien), Osaka Univ. (Japan) har upptäckt att "delvis blandbarhet, " där två vätskor inte blandas helt med ändlig löslighet, är kapabel att deformera vätske-vätska-gränsytan. Denna gränssnittsdeformation uppstår på grund av den spontana rörelsen som drivs av fasseparation mellan de lösliga arterna, och är ett fenomen som inte kan ses med helt blandad (fullständigt blandbar) med oändlig löslighet eller (nästan) oblandbar utan löslighet.
Forskarna publicerade sina resultat i Fysisk granskning Vätskor den 29 oktober, 2019.
Processen att ersätta en vätska i ett poröst medium genom att injicera en annan vätska är viktig vid reaktioner och separationer i kemiska processer, samt förbättrad oljeåtervinning och CO 2 kvarstad. Särskilt, när en mindre trögflytande vätska tränger undan en mer trögflytande vätska, gränsytan mellan de två vätskorna blir hydrodynamiskt instabil och deformeras i fingerform. Detta fenomen kallas "viskös fingersättning, " och det har studerats sedan 1950-talet som ett vätskedynamikproblem. Nu, det är allmänt känt att egenskaperna hos dessa två vätskor traditionellt kan klassificeras efter om de är helt blandbara eller oblandbara. Å andra sidan, när en mer trögflytande vätska tränger undan en mindre trögflytande vätska, klassiskt sprider sig gränssnittet stabilt, oavsett om de två vätskorna är helt blandbara eller icke blandbara.
"Det har länge varit känt att två vätskor är delvis blandbara i underjordiska processer med högtrycksförhållanden, såsom oljeutvinning och CO 2 lagring, sa Dr Nagatsu, motsvarande författare på tidningen och en docent vid institutionen för kemiteknik vid TUAT. "Dock, den komplicerade underskattningen av gränssnittsdynamiken i delvis blandbara system har inte studerats väl. En av anledningarna är att vätskeförträngningsforskning hittills huvudsakligen har bedrivits av vätskemekanikforskare, och de missade att hitta de experimentella systemen som är delvis blandbara vid rumstemperatur och atmosfärstryck."
Forskargruppen lyckades ändra systemets blandbarhet till fullt blandbart, oblandbar, och delvis blandbar med liten förändring av viskositeterna för vätskor med hög viskositet eller låg viskositet vid rumstemperatur och atmosfärstryck genom att använda ett vattenhaltigt tvåfassystem bestående av polyetylenglykol (PEG), natriumsulfat, och vatten och genom att ändra saltkoncentrationen (natriumsulfat) (se fig. a).
"Vi fann att en ny gränsytedeformation observeras i det fall där de två vätskorna är delvis blandbara (se fig. c) när en mer trögflytande vätska tränger undan en mindre trögflytande i en Hele-Shaw-cell (fig. b) vilket är en modell som efterliknar flöde i porösa medier. Detta är mycket kontraintuitivt eftersom ingen deformation äger rum i en sådan situation när de två vätskorna är helt blandbara eller oblandbara (Fig. b). Vi visade att denna gränsyteinstabilitet uppstår på grund av spontan flöde som drivs av fasseparation mellan de lösliga arterna, " förklarar Nagatsu.
"Vårt resultat visar att effekten av partiell blandbarhet av vätskor på gränssnittshydrodynamik inte är mitt i fullt blandbar och oblandbar, men har helt andra egenskaper. Vi betonar att detta kommer att öppna ett nytt tvärvetenskapligt forskningsområde som involverar hydrodynamik och kemisk termodynamik. Också, förskjutningen med partiell blandbarhet i ett poröst medium sker i oljeutvinningsprocessen från formationen och CO 2 injektionsprocessen i formationen, och därför förväntas vårt fynd bidra till att förbättra noggrannheten i fenomenförutsägelsen av dessa processer, ", tillägger Nagatsu.
