[논문]계면활성제가 공극 구조 내 비혼성 유체의 거동과 분포에 미치는 영향

박규령; 김선옥; 왕수균

doi:10.9719/eeg.2021.54.1.105

계면활성제가 공극 구조 내 비혼성 유체의 거동과 분포에 미치는 영향
The Effect of the Surfactant on the Migration and Distribution of Immiscible Fluids in Pore Network 원문보기

자원환경지질 = Economic and environmental geology, v.54 no.1, 2021년, pp.105 - 115

박규령 (부경대학교 에너지자원공학과) , 김선옥 (부경대학교 에너지자원공학과) , 왕수균 (부경대학교 에너지자원공학과)

초록
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대규모로 포집된 이산화탄소를 고갈된 석유·가스 저류층, 대염수층과 같은 심부 지질구조에 주입하는 이산화탄소 지중저장은 대기중 CO2 배출을 저감하기 위한 가장 유망한 기술 중 하나로 연구되고 있다. 이산화탄소 지중저장은 공극수로 포화된 다공성 지질 구조 내부로 초임계상 이산화탄소를 주입함으로써 그 흐름이 공극수와 비혼성 대체를 일으키며 진행된다. 따라서, 공극 구조 내에서 초임계상 이산화탄소와 공극수의 거동과 분포, 그리고 그 결과로 나타나는 대체효율은 두 유체의 상호작용에 의해 좌우되는데, 특히, 점성력과 모세관력은 지질 구조 내부의 환경 조건과 주입 조건에 의해 결정된다. 본 연구에서는 상온상압조건에서 대체유체를 수적법에 적용하여 고온고압조건에서 계면활성제가 초임계상 이산화탄소와 공극수 간 계면장력에 미치는 영향을 산정하였다. 또한, 다공성 매체 내에서의 비혼성 유체의 거동과 분포 양상을 관찰함으로써 계면활성제 농도가 초임계상 이산화탄소의 대체율에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위하여 초임계상 이산화탄소와 공극수의 대체 유체로서 헥산과 탈이온수를 적용하는 마이크로모델 실험을 수행하였으며, 공극 구조 내로의 헥산 주입에 의한 탈이온수의 대체 과정을 정량적으로 분석하기 위하여 이미징 시스템을 통해 두 유체의 비혼성 대체 양상에 관한 이미지를 확득하여 분석하였다. 실험의 결과는 계면활성제의 첨가는 낮은 농도에서도 헥산과 탈이온수 간 계면장력을 급격하게 감소시키며 이후 농도가 증가함에 따라 일정한 값에 접근하는 양상을 보여주었으며, 이러한 변화는 다공성 매체 내부의 공극 규모에서 진입 유체의 흐름 경로에 직접적인 영향을 미침으로써 평형 상태에서 헥산의 대체율에도 동일한 효과를 나타내는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과는 다공성 매체 내에서 일어나는 비혼성 유체의 대체에 관한 중요한 정보를 제공하며, 계면활성제의 적용이 이산화탄소 지중저장의 효율을 향상시킬 수 있는 가능성을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The geological CO2 sequestration in underground geological formation such as deep saline aquifers and depleted hydrocarbon reservoirs is one of the most promising options for reducing the atmospheric CO2 emissions. The process in geological CO2 sequestration involves injection of supercritical CO2 (scCO2) into porous media saturated with pore water and initiates CO2 flooding with immiscible displacement. The CO2 migration and distribution, and, consequently, the displacement efficiency is governed by the interaction of fluids. Especially, the viscous force and capillary force are controlled by geological formation conditions and injection conditions. This study aimed to estimate the effects of surfactant on interfacial tension between the immiscible fluids, scCO2 and porewater, under high pressure and high temperature conditions by using a pair of proxy fluids under standard conditions through pendant drop method. It also aimed to observe migration and distribution patterns of the immiscible fluids and estimate the effects of surfactant concentrations on the displacement efficiency of scCO2. Micromodel experiments were conducted by applying n-hexane and deionized water as proxy fluids for scCO2 and porewater. In order to quantitatively analyze the immiscible displacement phenomena by n-hexane injection in pore network, the images of migration and distribution pattern of the two fluids are acquired through a imaging system. The experimental results revealed that the addition of surfactants sharply reduces the interfacial tension between hexane and deionized water at low concentrations and approaches a constant value as the concentration increases. Also it was found that, by directly affecting the flow path of the flooding fluid at the pore scale in the porous medium, the surfactant showed the identical effect on the displacement efficiency of n-hexane at equilibrium state. The experimental observation results could provide important fundamental information on immiscible displacement of fluids in porous media and suggest the potential to improve the displacement efficiency of scCO2 by using surfactants.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Log M - Log Ca phase diagram showing three immiscible displacement patterns of fluids in porous media and the area of the scCO₂-porewater and hexane-deionized water displacement experiments (adapted from Lenormand et al., 1988)
그림 Fig. 2. Schematic diagram of experimental set-ups for investigating the effects of surfactant on (a) interfacial tension and (b) immiscible displacement.
그림 Fig. 3. Sequential images of an evolving n-hexane bubble in deionized water at ambient pressure and temperature.
그림 Fig. 4. Geometry of a pendant bubble used for estimating interfacial tension between two fluids.
표 Table 1. The equations for 1/H in Equation (3) as a function of S (Misak, 1968)
그림 Fig. 5. Image processing procedure (W: water, H: hexane, G: glass); (a) a original RGB image before n-hexane injection, (b) a original RGB image after n-hexane injection, (c) the gray image of Fig. 5(a), (d) the gray image of Fig. 5(b), (e) the binary image of fig. 5(c), (f) the binary image of fig. 5(d), (g) the binary image of distribution for n-hexane in pore network, (h) the multicolor image of distribution for water (blue), n-hexane (red) and glass (black).
그림 Fig. 6. Images of n-hexane droplets in deionized water before detachment at different surfactant concentrations. (P = 0.1 MPa, T = 25℃).
그림 Fig. 7. Interfacial tension between n-hexane and deionized water at different surfactant concentrations (Experimental conditions: 0.1 MPa, 25℃); ◆: interfacial tension, ◇: cross-sectional area of n-hexane bubble.
그림 Fig. 8. Variation in the displacement efficiency of n-hexane at different surfactant concentration (Experimental conditions: 0.1MPa, 25℃ and 0.01 mL/min); Solid symbols (e.g., ■) are averaged values of three attempts (represented as empty symbols, e.g., □) for each surfactant concentration.
그림 Fig. 9. Images of distribution of n-hexane (red) and pore water (blue) at the equilibrium state in the displacement experiment at a surfactant concentration of (a) E_d = 68.03% for C = 0% and (b) E_d = 83.42% for C = 0.2% (Experiment conditions: 0.1 MPa, 25℃ and 0.01 mL/min). Circle areas denote entrapped pore water in pore network. Boxes are marked for analysis on flow patterns of n-hexane in a single pore.
그림 Fig. 10. Migration process of n-hexane at a single pore. (a) structure of the selected pore in micromodel, and the sequential progress of n-hexane and pore water displacement at a surfactant concentration of (b) 0% and (c) 0.2% (Experiment conditions: 0.1 MPa, 25℃ and 0.01 mL/min). The difference of the color indicates the flow path of n-hexane on time change.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 계면활성제가 지중저장조건에서의 초임 계상 이산화탄소와 공극수 간 비혼성 대체 과정에 미치는 영향을 규명하기 위하여 상온·상압의 실험실 조건에서 두 유체의 거동을 모의할 수 있는 대체 유체를 선택하여 적용한 계면장력 산정 실험과 마이크로모델을 적용한 거동 관찰 실험을 수행하였다. 이를 통하여 계면활성제의 첨가가 두 비혼성 유체 사이의 계면장력에 미치는 영향을 규명하고, 다공성 매체 내에서 일어나는 비 혼성 유체의 대체 과정과 대체율에 미치는 영향을 평형상태에서의 대체 면적으로 산정된 최종 대체율 비교와 함께 시간의 경과에 따른 흐름 경로에 대한 공극 규모에서의 관찰을 통하여 분석하고자 하였다.
본 연구에서는 이산화탄소 지중저장에서 계면활성 제의농도가 주입되는 초임계상 이산화탄소와 공극수 사이에서 일어나는 비혼성 대체 과정과 대체율에 미치는 영향을 규명하기 위하여 초임계상 이산화탄소와 공극수에 대한 대체 유체인 헥산과 탈이온수를 적용한 마이크로모델 실험을 수행하였다. 계면장력 실험에서는 탈이온수 내로 헥산을 주입하여 생성된 헥산 방울의 제원을 이미지 분석을 통하여 측정하고 식 (3)에 적용하여 두 유체간 계면장력과 계면활성제의 영향을 산정하였다.
거동 관찰 실험을 수행하였다. 이를 통하여 계면활성제의 첨가가 두 비혼성 유체 사이의 계면장력에 미치는 영향을 규명하고, 다공성 매체 내에서 일어나는 비 혼성 유체의 대체 과정과 대체율에 미치는 영향을 평형상태에서의 대체 면적으로 산정된 최종 대체율 비교와 함께 시간의 경과에 따른 흐름 경로에 대한 공극 규모에서의 관찰을 통하여 분석하고자 하였다.

가설 설정

34 mN/mm²으로, 각각의 공극목에는 직경에 반비례하는 모세관압이 작용한다. 여기서, 헥산과 탈이온수 간 계면장력과 접촉각은 각각 30.78 mN/m와 60°로 가정하였다.

제안 방법

V셀 내부에 생성되는 헥산 방울의 제원 변화를 영상으로 관찰하고 기록할 수 있도록 V셀의 관측 창 전면에는 고해상도 현미경 카메라(DA-Ri1-U3, Nikon) 를 설치하였다. V셀 내부에 계면활성제가 첨가된 탈이 온수를 채워 실험 준비를 완료한 후, 시린지 펌프를 이용하여 V셀 내부로 헥산을 주입하면서 주입된 헥산의 방울이 주입관 끝부분에서 형성, 성장, 탈착되는 과정을 카메라를 통하여 관찰하고 기록하였다.
2(a) 는 수적법 실험 장치를 표현한 것으로, 외부로부터 헥산 방울의 관찰이 가능한 셀(V셀)과 10 ml 용량의 주사기가 부착된 시린지 펌프를 1/16 " 관으로 연결하여 실험 장치를 구성하였다. V셀 내부에 생성되는 헥산 방울의 제원 변화를 영상으로 관찰하고 기록할 수 있도록 V셀의 관측 창 전면에는 고해상도 현미경 카메라(DA-Ri1-U3, Nikon) 를 설치하였다. V셀 내부에 계면활성제가 첨가된 탈이 온수를 채워 실험 준비를 완료한 후, 시린지 펌프를 이용하여 V셀 내부로 헥산을 주입하면서 주입된 헥산의 방울이 주입관 끝부분에서 형성, 성장, 탈착되는 과정을 카메라를 통하여 관찰하고 기록하였다.
계면장력 실험에서는 탈이온수 내로 헥산을 주입하여 생성된 헥산 방울의 제원을 이미지 분석을 통하여 측정하고 식 (3)에 적용하여 두 유체간 계면장력과 계면활성제의 영향을 산정하였다. 또한, 유리판에 실제 암석의 공극 구조가 식각된 투명한 마이크로모델 내부를 탈이 온수로 포화시킨 후 헥산을 주입하며 마이크로모델 내부에서 일어나는 헥산과 탈이온수의 비혼성 대체 과정을 시각적으로 관찰하였다.
5a, b)를 명도에 따라 0부터 255까지의 색상값을 표현하는 그레이 이미지로 변환하였다. 그레이 이미지의 명암비를 증가시켜 탈이온수-헥산-공극 구조 사이의 경계를 명확하게 구분하고, 블러링 처리를 통하여 명암비가증가되며 발생하는 잡음을 제거하였다(Fig. 5c, d). 보다 선명해진 그레이 이미지에서 각 픽셀의 색상값이 임계 값보다 낮은 부분에 1, 높은 부분에 0의 값을 부여하여 공극 수를 표현하는 흰색 영역(1)과 유리 또는 헥산을 표현하는 검은색 영역(0)으로 구분되는 흑백의 이원화상을 생성하였다(Fig.
(1988)이 제시한 흐름 영역에 실제 지중저장이 수행되는 고온·고압 조건에서의 초임계상 이산화탄소-공극수와 상온·상압의 실험실 조건에서의 헥산-탈이온수 간 점성 비와 모세관수의 범위를 도시한 것으로, 두 쌍의 유체 모두 점성 핑거링과 모세관 핑거링이 주로 발생하는 영역 사이의 천이역에 해당하는 값을 가지는 것으로 나타나 대체 유체로 적용이 가능한 것으로 판단하였다. 다만, 헥산과 탈이온수가 모두 무색의 투명한 액체이기 때문에 비 혼성 대체 과정에서 두 유체의 분포와 경계를 시각적으로 구분하기 위하여 헥산에는 Sudan IV (C₂₄H₂₀N₄₀O, Sigma Aldrich)를 첨가하여 붉은색으로 염색하고, 탈이 온수에는 메틸렌블루 (C₁₆H₁₈ClN₃S.2~3H₂O, Junsei)를 첨가하여 푸른색으로 염색하여 실험에 적용하였다.
계면장력 실험에서는 탈이온수 내로 헥산을 주입하여 생성된 헥산 방울의 제원을 이미지 분석을 통하여 측정하고 식 (3)에 적용하여 두 유체간 계면장력과 계면활성제의 영향을 산정하였다. 또한, 유리판에 실제 암석의 공극 구조가 식각된 투명한 마이크로모델 내부를 탈이 온수로 포화시킨 후 헥산을 주입하며 마이크로모델 내부에서 일어나는 헥산과 탈이온수의 비혼성 대체 과정을 시각적으로 관찰하였다. 실험을 통해 획득한 이미지를 분석하여 헥산의 대체 면적비를 산정하고, 탈이온수 내 계면활성제의 농도가 헥산과 탈이온수 간 대체 양상에 미치는 영향을 분석하였다.
마이크로모델 내부에서 일어나는 비혼성 대체 양상을 분석하기 위하여 공극 구조 내 헥산과 탈이온수의 거동과 분포를 시각적으로 관찰하고 이를 이미지 관측 프로그램(NIS-Elements D, Nikon)을 이용하여 동영상으로 기록한 후, 0.11초 간격의 정지 영상으로 변환하였다. 정지영상은 1280 × 1024 픽셀의 JPEG 파일로 저장한 후, 일정한 시간 간격으로 이미지를 추출하여 분석에 활용하였다.
2b). 마이크로모델은 투명한 아크릴판 위에 수평으로 배치하였으며, 모델의 상부에는 카메라를 설치하고 아크릴판 하부에는 주광색의 LED 조명을 설치하여 공극 구조 내에서 일어나는 비혼성 대체를 관찰할 수 있도록 하였다.
정지영상은 1280 × 1024 픽셀의 JPEG 파일로 저장한 후, 일정한 시간 간격으로 이미지를 추출하여 분석에 활용하였다. 먼저, 흑백의 이원화상 제작을 위한 특정 임계값 설정을 위하여, 정지 영상으로부터 추출된 RGB 이미지 (Fig.5a, b)를 명도에 따라 0부터 255까지의 색상값을 표현하는 그레이 이미지로 변환하였다. 그레이 이미지의 명암비를 증가시켜 탈이온수-헥산-공극 구조 사이의 경계를 명확하게 구분하고, 블러링 처리를 통하여 명암비가증가되며 발생하는 잡음을 제거하였다(Fig.
따라서 주입 유체의 진입이 용이해지며 그 과정에서 공 극 내에 존재하던 대부분의 공극수를 대체하며 진행하기 때문에 주입 유체의 대체율이 증가하는 것으로 보고되었다. 본 실험에서 계면활성제가 혼합되지 않는 탈이온수로 포화된 공극 구조 내로 헥산이 주입되는 경우에는 단일 공극 내 헥산의 압력 증가가 빠르게 이루어지지 않기 때문에 공극목 A의 모세관압(1.22 mN/mm²)을 초과하는 헥산의 압력이 형성되기 이전에 상대적으로 낮은 모세관압 (0.41 mN/mm²)이 작용하는 공극목 C를 따라 선택적으로 진입한다. 일단 헥산이 인접 공극을 따라 진입하기 시작한 후에는 단일 공극 내에 형성된 헥산의 압력이 급격하게 감소하기 때문에 공극목 C와 D로 이어지는 흐름이 나타난다.
, 1938; Arashiro and Demarquette, 1999). 본 실험에서는 0.1 MPa과 25^oC의 상온·상압 조건에서 각각 0% ~ 0.2% 농도로 계면활성제가 첨가된 탈이온수 내로 주입된 헥산 방울의 제원 변화를 관찰하였다. Fig.
4). 본 실험에서는 헥산 방울이 탈착되기 직전의 이미지를 선택하여 분석에 사용하였으며, 계면장력을 산정하는데 필요한 방울의 수평 단면 지름인 d_e와 d_s는 이미지 분석 프로그램(ImageJ, US National Institutes of Health)을 이용하여 측정하였다.
본연구에서는 공극수로 포화된 지질 구조 내부로 초임 계상이산화탄소를 주입하는 상황을 상정하고 있으므로, 공극 수와 초임계상 이산화탄소를 각각 초기 포화 유체와 진입 유체로 고려하였다. 심부 지질구조의 환경 조건과 주입 조건에서의 점도, 유속, 계면장력 등을 식 (2)에 적용하여 산정된 점성비와 모세관수에 따라 공극 구조 내에서 일어나는 초임계상 이산화탄소와 공극수 간 비 혼성대체 양상은 세 가지 형태로 분류할 수 있다(Fig.
또한, 유리판에 실제 암석의 공극 구조가 식각된 투명한 마이크로모델 내부를 탈이 온수로 포화시킨 후 헥산을 주입하며 마이크로모델 내부에서 일어나는 헥산과 탈이온수의 비혼성 대체 과정을 시각적으로 관찰하였다. 실험을 통해 획득한 이미지를 분석하여 헥산의 대체 면적비를 산정하고, 탈이온수 내 계면활성제의 농도가 헥산과 탈이온수 간 대체 양상에 미치는 영향을 분석하였다. 계면장력 실험의 결과는 탈이온수에 계면활성제가 첨가됨에 따라 두 유체 간 계면장력이 크게 감소하였으나, 계면활성제의 농도가 일정 수준에 도달한 이후 추가적 인계면 장력의 감소량은 크지 않은 것으로 나타났다.
산정하였다. 이를 기준으로 두 유체에 대한 점성비 및 모세관수와 유사한 범위를 가지며, 상온·상압 조건에서의 실험에 적합한 헥산(n-hexane, C₆H₆)과 탈이온수를 각각 지중저장 환경에서의 초임계상 이산화탄소와 공극 수에 대한 대체 유체로 선정하였다. 헥산과 탈이온수의 점도와 밀도는 기존 문헌에서 보고된 값을 적용하였다(Mekhtiev et al.
마이크로모델 내 헥산과 탈이 온수의 분포가 평형상태에 도달하면 실험을 완료하고, 헥산과 염료 등 마이크로모델 내부의 표면 특성에 영향을 미칠 수 있는 물질이 잔존하지 않도록 고압펌프(260D Syringe Pump, Teledyne Isco)를 이용하여 메탄올(CH₃OH, Duksan), 아세톤(CH₃COCH₃, Junsei), 탈이온수를 차례로 주입하여 세척한 후, 50^oC의 오븐에서 24시간 이상 건조시켜 다음 실험을 준비하였다. 이상의 과정을 탈이 온수 내 계면활성제 농도를 변화시키며 3회씩 반복적으로 수행하였다.
01 mL/min의 유량으로 헥산을 마이크로모델 내부로 주입하고, 동시에 펌프 W를 이용하여 같은 유량으로 마이크로모델 내부의 탈이온수를 배출하였다. 헥산이 마이크로모델의 공극 구조 내로 유입되고 탈이온수가 배출되는 과정에서 발생하는 두 유체 간 비혼성 대체 과정을 고해상도 현미경 카메라를 통하여 관찰하고 기록하였다. 마이크로모델 내 헥산과 탈이 온수의 분포가 평형상태에 도달하면 실험을 완료하고, 헥산과 염료 등 마이크로모델 내부의 표면 특성에 영향을 미칠 수 있는 물질이 잔존하지 않도록 고압펌프(260D Syringe Pump, Teledyne Isco)를 이용하여 메탄올(CH₃OH, Duksan), 아세톤(CH₃COCH₃, Junsei), 탈이온수를 차례로 주입하여 세척한 후, 50^oC의 오븐에서 24시간 이상 건조시켜 다음 실험을 준비하였다.

대상 데이터

헥산이 마이크로모델의 공극 구조 내로 유입되고 탈이온수가 배출되는 과정에서 발생하는 두 유체 간 비혼성 대체 과정을 고해상도 현미경 카메라를 통하여 관찰하고 기록하였다. 마이크로모델 내 헥산과 탈이 온수의 분포가 평형상태에 도달하면 실험을 완료하고, 헥산과 염료 등 마이크로모델 내부의 표면 특성에 영향을 미칠 수 있는 물질이 잔존하지 않도록 고압펌프(260D Syringe Pump, Teledyne Isco)를 이용하여 메탄올(CH₃OH, Duksan), 아세톤(CH₃COCH₃, Junsei), 탈이온수를 차례로 주입하여 세척한 후, 50^oC의 오븐에서 24시간 이상 건조시켜 다음 실험을 준비하였다. 이상의 과정을 탈이 온수 내 계면활성제 농도를 변화시키며 3회씩 반복적으로 수행하였다.
마이크로모델은 투명한 붕규산 유리판(borosilicate glass, 45 mm × 15 mm × 0.9 mm)에 공극 구조를 식각하여 제작되었으며, 마이크로모델 양 끝의 연결구를 통하여 유체의 주입과 배출이 이루어진다. 본 실험에서는 다양한 형태의 공극 구조로 제작된 마이크로모델 중에서 실제 다공성 매체와 유사한 공극 구조로 이루어진 실물형 공극 모델(physical network model)을 사용하였다.
본 실험에서는 다양한 형태의 공극 구조로 제작된 마이크로모델 중에서 실제 다공성 매체와 유사한 공극 구조로 이루어진 실물형 공극 모델(physical network model)을 사용하였다. 본 연구에서 사용된 마이크로모델 내부 공극의 부피는 2.3 μL이며, 공극률과 고유 투수 계수(intrinsic permeability)는 각각 0.57와 2.47 × 10^-8 cm²이다.
11초 간격의 정지 영상으로 변환하였다. 정지영상은 1280 × 1024 픽셀의 JPEG 파일로 저장한 후, 일정한 시간 간격으로 이미지를 추출하여 분석에 활용하였다. 먼저, 흑백의 이원화상 제작을 위한 특정 임계값 설정을 위하여, 정지 영상으로부터 추출된 RGB 이미지 (Fig.

이론/모형

2차원 공극 구조 내에서 거동하는 헥산과 탈이 온수의 비 혼성 대체 과정을 관찰하기 위하여 Micronit Microfluidic BV에서 제작된 마이크로모델을 사용하였다. 마이크로모델은 투명한 붕규산 유리판(borosilicate glass, 45 mm × 15 mm × 0.
고 온·고압 조건에서 거동하는 초임계상 이산화탄소와공극수를 모의할 수 있는 대체 유체를 선정하기 위하여 기존 문헌에서 보고된 실제 지중환경 조건에서의 초임 계상 이산화탄소와 공극수의 밀도, 점도, 계면장력 등(Grigull and Schmidt, 1979; Bachu and Bennion, 2009)을 식 (2) 에 적용하여 두 유체에 대한 점성비와 모세관수의 범위를 산정하였다. 이를 기준으로 두 유체에 대한 점성비 및 모세관수와 유사한 범위를 가지며, 상온·상압 조건에서의 실험에 적합한 헥산(n-hexane, C₆H₆)과 탈이온수를 각각 지중저장 환경에서의 초임계상 이산화탄소와 공극 수에 대한 대체 유체로 선정하였다.
9 mm)에 공극 구조를 식각하여 제작되었으며, 마이크로모델 양 끝의 연결구를 통하여 유체의 주입과 배출이 이루어진다. 본 실험에서는 다양한 형태의 공극 구조로 제작된 마이크로모델 중에서 실제 다공성 매체와 유사한 공극 구조로 이루어진 실물형 공극 모델(physical network model)을 사용하였다. 본 연구에서 사용된 마이크로모델 내부 공극의 부피는 2.
본 연구에서는 Kim and Santamarina (2014)가 이산화탄소 지중저장에서의 저장효율 제고를 위한 선행 연구에서 적용한 수용성, 비이온성 계면활성제인 SURFONIC POA-25R2(Huntsman)를 실험에 사용하였다. 탈이온수 내에 분산된 계면활성제 분자는 헥산-탈이온수 계면에 흡착하여 두 유체 간 계면장력을 감소시킴으로써 두 비 혼성 유체의 거동 양상을 변화시킨다.
본 연구에서는 탈이온수 내로 주입되는 헥산이 가는 주입관 끝에 매달려 형성하는 방울의 단면 제원을 측정함으로써 두 유체 사이의 계면장력을 측정하는 수적법 (pendant drop method)을 적용하여 탈이온수 내 계면활성제 농도에 따른 헥산과 탈이온수 간 계면장력을 산정하였다(Andreas et al., 1938; Arashiro and Demarquette, 1999). 본 실험에서는 0.
이를 기준으로 두 유체에 대한 점성비 및 모세관수와 유사한 범위를 가지며, 상온·상압 조건에서의 실험에 적합한 헥산(n-hexane, C₆H₆)과 탈이온수를 각각 지중저장 환경에서의 초임계상 이산화탄소와 공극 수에 대한 대체 유체로 선정하였다. 헥산과 탈이온수의 점도와 밀도는 기존 문헌에서 보고된 값을 적용하였다(Mekhtiev et al., 1975; IAPWS, 2008). Fig.

성능/효과

Fig. 8은 본 실험의 결과로부터 계산된 탈이온수 내 계면활성제 농도 변화에 따른 헥산의 대체 면적비를 나타낸 것으로, 이미지 분석 결과에 따르면 탈이온수 내 계면활성제 농도가 0%에서 0.2%로 증가함에 따라 평형상태에서의 헥산의 대체 면적비는 평균 67.01%에서 84.01% 로 25.4% 증가한 것으로 나타났다. 그런데 이러한 증가 경향은 주로 계면활성제의 농도가 낮은 수준을 유지하는 저농도 구간 (0.
실험을 통해 획득한 이미지를 분석하여 헥산의 대체 면적비를 산정하고, 탈이온수 내 계면활성제의 농도가 헥산과 탈이온수 간 대체 양상에 미치는 영향을 분석하였다. 계면장력 실험의 결과는 탈이온수에 계면활성제가 첨가됨에 따라 두 유체 간 계면장력이 크게 감소하였으나, 계면활성제의 농도가 일정 수준에 도달한 이후 추가적 인계면 장력의 감소량은 크지 않은 것으로 나타났다. 또한, 탈이온수 내 계면활성제 농도가 헥산의 대체율에 미치는 영향을 규명하기 위한 실험의 결과는 계면활성제 농도가 0%에서 0.
90 mN/m로 감소한 것으로 나타났다. 계면장력의 감소 경향은 계면활성제 유무에 따라 상대적으로 큰 변화를 보였는데, 계면 화성제가 첨가되지 않은 경우와 비교하여 0.025%의 농도로 계면활성제가 첨가된 경우 계면장력은 59.0% (30.78 mN/m → 12.62 mN/m) 감소한 것으로 계산되었다. 이후 계면활성제의 농도를 추가로 증가시킨 경우에서는 계면장력의 감소량은 점차 감소하여 일정한 값으로 수렴하는 경향을 나타냈다.
이는 탈이온수에 계면활성제가 포함됨에 따라 헥산과 탈이 온수 간 계면장력과 모세관압이 감소하여 발생한 결과로 판단된다. 계면활성제가 포함되지 않은 탈이온수 내로 주입된 헥산은 상대적으로 모세관압이 낮은 공극목을따라 흐름 경로를 형성한 반면에, 계면활성제가 포함된 경우에는 헥산이 전방향으로 흐름 경로를 형성하며 공극 수를 대체하기 때문에 결과적으로 헥산의 탈이온수 대체율이 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 도출된 탈이 온수 내 계면활성제 농도에 따른 헥산과 탈이온수 간 비 혼성 대체 과정과 대체율의 변화 경향은 실제 이산화탄소 지중저장이 수행되는 심부 지질구조 환경에 적용되어 초임계상 이산화탄소와 공극수의 거동과 분포에 대한 기본적인 이해를 제공하고 주입 이산화탄소의 대체율을 제고하는데 활용함으로써 이산화탄소 지중저장의 저장효율을 향상시키는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
2% 농도의 계면활성제가 혼합된 탈이 온수로 포화된 공극 구조 내로 헥산이 주입되는 경우에는 헥산이 상대적으로 직경이 큰 공극목을 통과하려는 선택적인 흐름이 감소하고 직경이 작은 공극목으로도 진입하며 더 많은 흐름 경로를 형성한다. 따라서 계면활성제가 혼합되지 않은 경우에 비하여 주입된 헥산은 더 많은 공극수를 대체하며 공극을 차지하게 되고 결과적으로 대체 면적비가 크게 증가하는 것으로 판단된다.
계면장력 실험의 결과는 탈이온수에 계면활성제가 첨가됨에 따라 두 유체 간 계면장력이 크게 감소하였으나, 계면활성제의 농도가 일정 수준에 도달한 이후 추가적 인계면 장력의 감소량은 크지 않은 것으로 나타났다. 또한, 탈이온수 내 계면활성제 농도가 헥산의 대체율에 미치는 영향을 규명하기 위한 실험의 결과는 계면활성제 농도가 0%에서 0.2%로 증가함에 따라 최종적인 헥산의 대체 면적 비가 평균 67.01%에서 84.01%로 증가함을 보여주었다. 이는 탈이온수에 계면활성제가 포함됨에 따라 헥산과 탈이 온수 간 계면장력과 모세관압이 감소하여 발생한 결과로 판단된다.
마지막으로, 헥산 주입 이전의 초기 이원화상(Fig. 5e)에서 탈이온수로 채워진 영역을 파란색, 대체 과정에서의 각 이원화상(Fig. 5g)에서 헥산으로 대체된 영역을 빨간색으로 표시한 후, 두 이원화상을 중첩하여 공극 구조 내로 유입되는 헥산과 잔류하는 공극수의 거동과 분포를 시각적으로 구분할 수 있는 최종적인 삼색의 이미지를 완성하였다(Fig. 5h).

후속연구

계면활성제가 포함되지 않은 탈이온수 내로 주입된 헥산은 상대적으로 모세관압이 낮은 공극목을따라 흐름 경로를 형성한 반면에, 계면활성제가 포함된 경우에는 헥산이 전방향으로 흐름 경로를 형성하며 공극 수를 대체하기 때문에 결과적으로 헥산의 탈이온수 대체율이 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 도출된 탈이 온수 내 계면활성제 농도에 따른 헥산과 탈이온수 간 비 혼성 대체 과정과 대체율의 변화 경향은 실제 이산화탄소 지중저장이 수행되는 심부 지질구조 환경에 적용되어 초임계상 이산화탄소와 공극수의 거동과 분포에 대한 기본적인 이해를 제공하고 주입 이산화탄소의 대체율을 제고하는데 활용함으로써 이산화탄소 지중저장의 저장효율을 향상시키는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (25)

Aggelopoulos, C.A., Robin, M., Perfetti, E. and Vizika, O. (2010) CO 2 /CaCl 2 solution interfacial tensions under CO 2 geological storage conditions: influence of cation valence on interfacial tension. Adv. Water Resour., v.33, p.691-697.

상세보기
Aggelopoulos, C.A., Robin, M. and Vizika, O. (2011) Interfacial tensions between CO 2 and brine (NaCl + CaCl 2 ) at elevated pressures and temperatures: The additive effect of different salts. Adv. Water Resour., v.34, p.505-501.

상세보기
Andreas, J.M., Hauser, E.A. and Tucker, W.B. (1938) Boundary tension by pendant drops. J. Phys. Chem., v.42, p.1001-1019.

상세보기
Arashiro, E.A. and Demarquette, N.R. (1999) Use of the pendant drop method to measure interfacial tension between molten polymers. Mat. Res., v.2, p.23-32.

상세보기
Bachu, S. and Bennion, B. (2009) Dependence of CO 2 -brine interfacial tension on aquifer pressure, Temperature and water salinity. Energy Procedia, v.1, p.3157-3164.

상세보기
Cao, S.C., Dai, S. and Jung, J. (2016) Supercritical CO 2 and brine displacement in geological carbon sequestration: Micromodel and pore network simulation studies. International Journal of Greenhouse Gas Control, v.44, p.104-114.

상세보기
Chalbaud, C., Robin, M., Lombard, J.M., Martin, F., Bertin, H. and Egermann, P. (2010) Brine/CO 2 interfacial properties and effects on CO 2 storage in deep saline aquifers. Oil Gas Sci. Technol., v.65, p.541-555.

상세보기
Chiquet. P., Broseta, D. and Thibeau, S. (2007) Wettability alteration of caprock minerals by carbon dioxide. Gelofluids, v.7, p.112-122.

상세보기
Dickson, J.L., Smith Jr., P.G., Dhanuka, V.V., Srinivasan, V., Stone, M.T., Rossky, P.J., Behles, J.A., Keiper, J.S., Xu, B., Johnson, C. (2005) Interfacial properties of fluorocarbon and hydrocarbon phosphate surfactant at the water-CO 2 interface. Ind. Eng. Chem. Res., v.44, p.1370-1380.

상세보기
Grigull, U. and Schmidt, E. (1979) Properties of water and steam in Si-Unit. Second Revised and Updated Printing, Springer-Verlag, Berlin, 190 p.
IAPWS, (2008, Release on the IAPWS Formulation (2008) for the Thermodynamic Properties of Seawater. The International Association for the Properties of Water and Steam, Berlin, Germany.
IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) (2005) IPCC special report on carbon dioxide capture and storage. Prepared by Working Group III of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, 4.
Kim, S. and Santamarina, J.C. (2014) Engineered CO 2 injection: The use of surfactant for enhanced sweep efficiency. International Journal of Greenhouse Gas Control, v.20, p.324-332.

상세보기
Kim, Y., Wan, J., Kneafsey, T.J. and Tokunaga, T.K. (2012) Dewetting of silica surfaces upon reactions with supercritical CO 2 and brine: pore-scale studies in micromodels. Environ. Sci. Technol., v.46, p.4228-4235.

상세보기
Kimbrel, E.H., Herring, A.L., Armstrong, R.T., Lunati, I., Bay, B.K. and Wildenschild, D. (2015) Experimental characterization of nonwetting phase trapping and implications for geologic CO 2 sequestration. International Journal of Greenhouse Gas Control, v.42, p.1-15.

상세보기
Lenormand, R., Touboul, E. and Zarcone, C. (1988) Numerical models and experiments on immiscible displacements in porous media. J. Fluid Mech., v.189, p.165-187.

상세보기
Lenormand, R. (1990) Liquids in porous media. J. Phys., v.2, p.79-88.

상세보기
Mekhtiev, S.I., Mamedov, A.A., Khalilov, Sh.Kh. and Aleskerov, M.A. (1975) Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Neft. Gaz, v.3, p.64.
Soroush, M., Wessel-Berg, D., Torsaeter, O. and Kleppe. J. (2013) Investigating impact on flow rate and wettability on residual trapping in CO 2 storage in saline aquifers through relative permeability experiments. Energ. Environ. Res., v.3, p.53.
Trevisan, L., Cihan, A., Fagerlund, F., Agartan, E., Mori, H., Birkholzer, J.T., Zhou, Q. and Illangasekare, T.H. (2014) Investigation of mechanisms of supercritical CO 2 trapping in deep saline reservoirs using surrogate fluids at ambient laboratory conditions. Int. J. Greenhouse Gas Control, v.29, p.35.

상세보기
Wang, Y., Zhang, C.Y., Wei, N., Oostrom, M., Wietsma, T.W., Li, X.C. and Bonneville, A. (2013) Experimental study of crossover from capillary to viscous fingering for supercritical CO 2 -Water displacement in a homogeneous pore network. Environ. Sci. Technol., v.47, p.212-218.

상세보기
Yang, D., Tontiwachwuthikul, P. and Gu, Y. (2005) Interfacial interactions between reservoir brine and CO 2 at high pressure and elevated temperature. Energ. Fuel, v.19, p.216-223.

상세보기
Zhang, C., Oostrom, M., Grate, J.W., Wietsma, T.W. and Warner, M.G. (2011) Liquid CO 2 displacement of water in a dual-permeability pore network micromodel. Environ. Sci. Technol., v.45, p.7581-7588.

상세보기
Zheng, X., Mahabadi, N., Yun, T., and Jang, J. (2017) Effect of capillary and viscous force on CO 2 saturation and invasion pattern in the microfluidic chip. Journal of geophysical research, v.122, p.1634-1647.
Zuo, L., Zhang, C., Falta, R.W., and Banson, S.M. (2013) Micromodel investigations of CO 2 exsolution from carbonated water in sedimentary rocks. Adv. Water Resour., v.53, p.188-197.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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