A Multidisciplinary Approach to Characterize Coalescence in Petroemulsions

Majones, vinaigretter, melk og petroleum er alle emulsjoner: en væske-væskeblanding sammensatt av to eller flere ublandbare komponenter. Når majones deler seg eller blir krøllet, kreves det en del innsats for å gjenopprette den opprinnelige emulsjonstilstanden. Tilsvarende genererer petro-emulsjon betydelige problemer i ekstraksjonen og transporten når blandingen er "brutt". Selv om problemet er enkelt å visualisere, er prosessen faktisk ekstremt kompleks å beskrive, kontrollere og forutsi for de store variasjonene av petroleumstyper og behandlingsforhold. I dette prosjektet kombinerte vi ekspertisen til tre fremtredende forskere som arbeider innen tre forskjellige, men tilstøtende, felt (kjemiteknikk, bioteknologi og teoretisk kjemi). Spesifikt studerte vi området mellom to væskedråper nedsenket i den andre væsken (f.eks. to oljedråper i vann) i nærvær av såper (overflateaktive stoffer)og andre komponenter. Deretter beskrev vi drop-drop-sammenslåingen, vanligvis definert som koalesens, via eksperimenter, datasimuleringer og teoretiske modeller. Dette prosjektet produserte ikke bare publikasjoner om emnet, også åpen kildekode PyVISA og PyRETIS ble utviklet for visualisering, analyse av COALES-simuleringer og kjøring av langtidsskala-dynamikk (rare event algoritmer). Disse kodene var medvirkende til de kombinerte molekylære simulerings/eksperimentelle artiklene, som avslørte strukturen til den tynne filmen rett før brudd. I tillegg til dette ble den samme koden brukt for to artikler om membranpermeasjon, som ble publisert med Ghent University. Dette samarbeidet fortsetter for tiden, og de nyutviklede Monte Carlo-teknikkene vil bli brukt for å avdekke de gjenværende ukjente aspektene ved kullfenomenet ytterligere. Å få tak i de eksperimentelle resultatene, som førte til publikasjonene nevnt ovenfor, var svært utfordrende. Imidlertid klarte stipendiat Ola Aarøen å overvinne disse, noe som førte til en vellykket oppgavelevering og forsvar den 29. oktober. Den kontinuerlige modelleringsgruppen var også ganske vellykket. De etablerte en veldig nyttig modell som ga resultater som var i samsvar med andre eksperimentelle studier (filmtynningseksperimenter) som den kritiske hastighetsverdien, der det ikke er noen koalescens, men rebound-regimet starter. Ozan forsvarte sin avhandling med suksess 17. september. Ozan er i dag forsker ved Sintef med tilknytning til NTNU.

The project has delivered two PhD's and also the postdoc in the project made a next career move in the field of Machine Learning at the university of Oslo. Besides a set of papers, we also established novel simulation methods that were implemented in the open source computer code PyRETIS that is developed and maintained by the van Erp group. Despite that the project itself is now finished, some of the research lines are still continued such as rare event simulations applied to thin film breakage, on which Dr. Enricco Riccardi and Prof. Titus van Erp are still working together. The methods developed in the Coales project are presently also used in other fields such as membrane permeation and DNA protein assembly that is continued with the University of Ghent, Belgium, and the University of Amsterdam, the Netherlands.

Coalescence is a critical phenomenon in separation and transport processes involving petroleum emulsions. Extensive experimental campaigns inferred that the primary factor controlling the dynamics of coalescence is the interactions between inter-phase layers enveloping individual droplets which are composed of surface active resins and asphaltene molecules. This project proposes a methodology based on a multiscale and multidisciplinary combination of advanced experimental and simulation techniques in order to close the gap between the mechanisms considered in state of the art models for film drainage during coalescence and the mechanisms responsible for the stability behaviour of petroemulsions. Specifically, the proposed methodology combines (a) novel equilibration procedures and rare event methods for molecular simulations providing a description of the inter-phase layers and of the thin film formed between two droplets at a molecular resolution to study the effects of long range intermolecular forces on inter-phase stability and film rupture, (b) the experimental technique of ultra-sensitive Optical Tweezers to control the separation distance between two emulsion droplets and to measure their interaction forces (and vice versa) as well as facilitate the determination of the eventual dimension of the thin film present in between two interacting drops, and (c) numerical film drainage modeling that will employ the simulated and measured interfacial force functionalities and critical film rupture thicknesses. The new methodology will first be applied to systems employing simple surfactants and work towards model asphaltene and resin surfactants. The proposed methodology to improve coalescence models would add value to the development of next-generation process concepts and equipment for energy efficient production of petroleum. The fundamental perspective of the project is applicable to a broad set of fields, such as food, pharmaceutical, separation, etc.