Emulsification in Porous Media: From Static Phase Behavior to Dynamic Displacement Process

Emulsionen spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen Anwendungen, von alltäglichen Aufgaben wie der Reinigung von ölverschmutztem Geschirr bis hin zu fortgeschrittenen Prozessen wie der tertiären Ölgewinnung und der Sanierung von Böden, die mit ölartigen Substanzen (NAPL) kontaminiert sind. Sie stabilisieren nicht mischbare Flüssigkeiten und spielen daher bei der Reinigung von ölartigen Substanzen und der Kohlenwasserstoffgewinnung eine entscheidende Rolle. Traditionelle Versuche zur Ermittlung des Phasenverhaltens, bei denen die Emulgierung durch Mischen von Ölen und wässrigen Tensidlösungen und der anschließende Phasentrennung unter Schwerkraft beurteilt wird, helfen bei der Optimierung der Injektionswasserchemie zur Ölgewinnung. Jüngste Studien zeigen jedoch, dass sich Emulgierung in porösen Medien unter Fließbedingungen erheblich von diesen herkömmlichen Tests unterscheiden können. Insbesondere Rohöle, die oberflächenaktive Bestandteile enthalten können, weisen oft ein komplexes Phasenverhalten mit breiten Tröpfchengrößenverteilungen auf, die durch Beobachtungen des statischen Phasenverhaltens nicht vollständig erfasst werden. Trotz umfangreicher Forschung ist das Verständnis der dynamischen Emulgierung in porösen Medien nach wie vor begrenzt, was in erster Linie auf die Abhängigkeit von konventionellen Kernflutungsexperimenten zurückzuführen ist, die nur unzureichende Daten über die Komplexität von Verdrängungsprozessen liefern. Jüngste Fortschritte in der Fluiddynamik auf der Porenskala haben tiefere Einblicke ermöglicht. Die meisten dieser Studien wurden jedoch mit Modellflüssigkeiten durchgeführt, die das Verhalten natürlicher NAPLs nur unzureichend wiedergeben. Die vorliegende Arbeit zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen durch eine systematische Untersuchung der Emulgierung mit synthetischen und natürlichen Flüssigkeiten. Die Emulgierung wird unter verschiedenen Strömungsbedingungen mit Hilfe eines in dieser Arbeit entwickelten mikrofluidischen "Lab-on-a-Chip" und auf Mikrocomputertomographie (µCT) basierenden Kernflussexperimenten untersucht. Die Studie integriert statistische und topologische Analysen zur Charakterisierung der Ölphase mit Untersuchungen verschiedener Flüssigkeitspaare innerhalb eines definierten chemischen Parameterraums. Fortgeschrittene Bildsegmentierungs- und maschinelle Lernverfahren ermöglichen die in-situ Charakterisierung der resultierenden Emulsionsphasen. Die Integration statistischer, topologischer und mikrostruktureller Daten ermöglicht die qualitative und quantitative Bestimmung des Zusammenspiels von Emulgierung und Verdrängungseffizienz. Darüber hinaus wurden experimentelle und numerische Arbeitsabläufe so verfeinert, dass nun ein hocheffizientes Screening-Tool für das Design und die Optimierung von Injektionsflüssigkeiten für verschiedene Anwendungen zur Verfügung steht.