Microfluidica toont aan dat hydrofiele oppervlakken meer olie vasthouden dan hydrofobe oppervlakken voor grondwaterremediatie

Schema van een water-olie onmengbare alternatieve microfluïdische experiment uitgevoerd onder constante differentiële druk. Het gebruikte microfluïdische chip is een uniform type met een constante poriënstructuur en een willekeurig gesteente type dat de werkelijke ondergrondse omgeving simuleert.

Dr. Seunghak Lee, Jaeshik Chung en Sang Hyun Kim van het Water Resources Cycle Research Center aan het Korea Institute of Science and Technology (KIST) hebben waargenomen hoe olie en water interageren in poreuze media onder verschillende omstandigheden met behulp van een microfluïdisch systeem dat nauwkeurige observatie van microscopische vloeistofstromen mogelijk maakt.

Ze voerden experimenten uit onder constante drukverschilomstandigheden die vergelijkbaar zijn met de werkelijke grondwaterstroom. De onderzoekers ontdekten dat olie gemakkelijk ontsnapte van hydrophobe oppervlakken, terwijl er meer olie werd vastgehouden op hydrophiele oppervlakken. Deze observaties werden geverifieerd met een onmengbare vervangingsanalytisch model.

Een gangbare methode voor het scheiden van olie uit water is het gebruik van hydrophobe materialen die olie adsorberen. Wat de onderzoekers ontdekten door nauwkeurige observatie, was het tegenovergestelde van wat ze hadden verwacht. In omstandigheden waarbij vloeistof door een poreus medium stroomt, zoals grondwater, bleek dat hydrophiele oppervlakken—die gemakkelijk binden met water moleculen—meer olie vasthouden.

Bij hydrophobe materialen is de contacthoek aan de interface waar water olie afstoot groter dan in hydrophiele media. Dit vermindert de capillaire drukval bij de interface, maar verhoogt het drukverschil door de viscositeit van de vloeistof, wat op zijn beurt de snelheid van de vloeistof in de poriën verhoogt. Deze versnelde stroming van water in de poriën veroorzaakt meer olie die eruit stroomt.

Bij hydrophiele materialen daarentegen wordt de olie niet zo goed naar buiten geduwd door de relatief lage stromingssnelheid in de poriën onder dezelfde drukomstandigheden, wat resulteert in een grote hoeveelheid resterende olie.

Illustratie en analytisch model van de drukval die optreedt wanneer twee vloeistoffen (permeaat en conventioneel) door een capillair bewegen. Dit laat zien dat de vloeistofstroming wordt bepaald door de interactie van capillaire druk en viscose druk, in plaats van alleen door viscositeit of drukverschil.

De experimentele resultaten op poreus niveau worden uitgebreid naar een meer praktisch continuüm met milieu-implicaties. In deze studie tonen we aan dat dit kan leiden tot hogere stroomsnelheden en minder residuele olie in hydrophobe omgevingen. Dit suggereert dat de conventionele opvatting dat “hydrophobie olie vasthoudt” anders kan zijn onder achtergrondvloeistofstroming veroorzaakt door drukverschillen, zoals in grondwateromgevingen.

Deze studie gaat verder dan een eenvoudige analyse van vloeistofgedrag en biedt een nieuw interpretatiekader voor de migratie en afzetting van verontreinigingen in grondwater. De resultaten worden verwacht bij te dragen aan het effectieve ontwerp en de werking van verontreinigingspreventie-installaties zoals Permeable Reactive Barriers (PRB) om olieverontreiniging in grondwater, die vaak voorkomt op militaire bases en tankstations, te beheersen.

“Grondwaterremediatie is niet alleen een kwestie van materiaalkunde, maar een representatief multiphysica fenomeen dat een complexe interactie van vloeistofstroming en interfaciale reacties omvat,” zei Dr. Jaeshik Chung.

“Dit onderzoek kan niet alleen worden toegepast op grondwaterremediatie, maar ook op verschillende onmengbare vervangingsprocessen in poreuze media, zoals Enhanced Oil Recovery (EOR) en koolstofafvang en -opslag (CCS).”

“Deze prestatie toont aan dat ondergrondse vloeistofstroming zich onder bepaalde omstandigheden volledig anders kan gedragen dan bestaande wetenschappelijke theorieën,” zei Dr. Seunghak Lee, en voegde eraan toe: “Dit onderzoek legt de wetenschappelijke basis voor meer precieze controle van de ondergrondse omgeving.”