Name: 甲烷水合物在无柄水滴上的结晶 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2021-05-26T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 46 s
Description: 了解在无柄水滴上形成甲烷水合物壳层的方法，用于研究添加剂对晶体形态的影响。该方案可安全、可重复地制备水合物，便于原位分析生物分子相互作用及压力温度稳定性。

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

本研究由美国国家航空航天局（NASA）外空生物学基金80NSSC19K0477资助。我们感谢William Waite和Nicolas Espinoza的有益讨论。

<ol><li>Bohrmann, G., Torres, M. E. Gas hydrates in marine sediments. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBohrmann%2C+G+%22Marine+Geochemistry%22">Marine Geochemistry</a>. Schulz, H. D., Zabel, M. , Springer. Heidelberg, Germany. 481-512 (2006).</li>
<li>Ruppel, C. D., Kessler, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+interaction+of+climate+change+and+methane+hydrates%5BTitle%5D)+AND+%22Reviews+of+Geophysics%22%5BJournal%5D)">The interaction of climate change and methane hydrates.</a> Reviews of Geophysics. 55 (1), 126-168 (2017).</li>
<li>Hammerschmidt, E. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+gas+hydrates+in+natural+gas+transmission+lines%5BTitle%5D)+AND+%22Industrial+and+Engineering+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines.</a> Industrial and Engineering Chemistry. 26, 851-855 (1934).</li>
<li>Ke, W., Kelland, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kinetic+hydrate+inhibitor+studies+for+gas+hydrate+systems%3A+a+review+of+experimental+equipment+and+test+methods%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+%26+Fuels%22%5BJournal%5D)">Kinetic hydrate inhibitor studies for gas hydrate systems: a review of experimental equipment and test methods.</a> Energy & Fuels. 30 (12), 10015-10028 (2016).</li>
<li>Kelland, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+review+of+kinetic+hydrate+inhibitors+from+an+environmental+perspective%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+%26+Fuels%22%5BJournal%5D)">A review of kinetic hydrate inhibitors from an environmental perspective.</a> Energy & Fuels. 32 (12), 12001-12012 (2018).</li>
<li>Walker, V. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Antifreeze+proteins+as+gas+hydrate+inhibitors%5BTitle%5D)+AND+%22Canadian+Journal+of+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Antifreeze proteins as gas hydrate inhibitors.</a> Canadian Journal of Chemistry. 93 (8), 839-849 (2015).</li>
<li>Bruusgaard, H., Lessard, L. D., Servio, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Morphology+study+of+structure+I+methane+hydrate+formation+and+decomposition+of+water+droplets+in+the+presence+of+biological+and+polymeric+kinetic+inhibitors%5BTitle%5D)+AND+%22Crystal+Growth+%26+Design%22%5BJournal%5D)">Morphology study of structure I methane hydrate formation and decomposition of water droplets in the presence of biological and polymeric kinetic inhibitors.</a> Crystal Growth & Design. 9 (7), 3014-3023 (2009).</li>
<li>Jung, J. W., Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Properties+and+phenomena+relevant+to+CH4-CO2+replacement+in+hydrate-bearing+sediments%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Geophysical+Research%22%5BJournal%5D)">Properties and phenomena relevant to CH4-CO2 replacement in hydrate-bearing sediments.</a> Journal of Geophysical Research. 115 (10102), 1-16 (2010).</li>
<li>Chen, X., Espinoza, D. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ostwald+ripening+changes+the+pore+habit+and+spatial+variability+of+clathrate+hydrate%5BTitle%5D)+AND+%22Fuel%22%5BJournal%5D)">Ostwald ripening changes the pore habit and spatial variability of clathrate hydrate.</a> Fuel. 214, 614-622 (2018).</li>
<li>DuQuesnay, J. R., Diaz Posada, M. C., Beltran, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+gas+hydrate+reactor+design%3A+3-in-1+assessment+of+phase+equilibria%2C+morphology+and+kinetics%5BTitle%5D)+AND+%22Fluid+Phase+Equilibria%22%5BJournal%5D)">Novel gas hydrate reactor design: 3-in-1 assessment of phase equilibria, morphology and kinetics.</a> Fluid Phase Equilibria. 413, 148-157 (2016).</li>
<li>Udegbunam, L. U., DuQuesnay, J. R., Osorio, L., Walker, V. K., Beltran, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phase+equilibria%2C+kinetics+and+morphology+of+methane+hydrate+inhibited+by+antifreeze+proteins%3A+application+of+a+novel+3-in-1+method%5BTitle%5D)+AND+%22The+Journal+of+Chemical+Thermodynamics%22%5BJournal%5D)">Phase equilibria, kinetics and morphology of methane hydrate inhibited by antifreeze proteins: application of a novel 3-in-1 method.</a> The Journal of Chemical Thermodynamics. 117, 155-163 (2018).</li>
<li>Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water-CO2-mineral+systems%3A+Interfacial+tension%2C+contact+angle%2C+and+diffusion+-+Implications+to+CO2+geological+storage%5BTitle%5D)+AND+%22Water+Resources+Research%22%5BJournal%5D)">Water-CO2-mineral systems: Interfacial tension, contact angle, and diffusion - Implications to CO2 geological storage.</a> Water Resources Research. 46 (7537), 1-10 (2010).</li>
<li>Sloan, E. D., Koh, C. A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aSloan%2C+ED+%22Clathrate+Hydrates+of+Natural+Gases.+3rd+edn%22">Clathrate Hydrates of Natural Gases. 3rd edn</a>. , CRC Press. (2007).</li>
<li>Makogon, I. F. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aMakogon%2C+IF+%22Hydrates+of+natural+gas%22">Hydrates of natural gas</a>. , PennWell Books. Tulsa, Oklahoma, USA. 125(1981).</li>
<li>Johnson, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mainly+on+the+plane%3A+deep+subsurface+bacterial+proteins+bind+and+alter+clathrate+structure%5BTitle%5D)+AND+%22Crystal+Growth+%26+Design%22%5BJournal%5D)">Mainly on the plane: deep subsurface bacterial proteins bind and alter clathrate structure.</a> Crystal Growth & Design. 20 (10), 6290-6295 (2020).</li>
</ol>

不存在竞争性财务利益。

我们开发了一种在静止水滴上安全形成甲烷水合物壳层的方法，并分享该方法所用的压力容器的加工与组装工艺，该压力容器的工作压力可达10 MPa，同时介绍加压与冷却系统。该压力容器配备有用于放置液滴的载台，载台内嵌热电偶，另设有蓝宝石观察窗以观察液滴形貌，并在容器顶部固定有压力传感器。冷却系统通过铜管盘管在盛有50%乙醇溶液的储罐中循环低温乙二醇，压力容器即置于该储罐内。通过压力泵将气瓶中的气体加压输送至压力容器中。当向压力容器顶部加入干冰导致温度迅速降低时，水合物壳层随即形成。我们让壳层生长时间持续2小时，在此期间我们认为气体通过水合物壳层的随机开裂渗透，并在较长时间内发生奥斯特瓦尔德熟化。事实上，该装置可用于研究这些现象。
本方案的关键步骤包括：1）在用气体加压前，先用水对压力腔进行检漏测试；2）在插入蓝宝石窗口前，练习将水滴添加到载样台上；3）在加压前将水滴冷却至约 2 °C 并保持稳定；4）以不超过 10 mL min-1 的流速，按每步 1 MPa 逐级加压至 5 MPa；5）关闭压力泵通往压力腔的出口阀，以限制压力泵与腔体之间的气体交换；6）在加入干冰前，...

气体水合物是由氢键连接的水分子形成的笼状结构，可捕获客体气体分子 通过 范德华相互作用。甲烷水合物在高压低温条件下形成，这种条件自然存在于大陆边缘海底沉积物中&#160;边缘区域、北极永久冻土层下方以及太阳系其他行星体上1气体水合物储存了数千吉吨的碳，对气候和能源具有重要意义2天然气水合物在天然气工业中也可能构成危害，因为输气管道中的条件有利于水合物形成，可能导致管道堵塞，进而引发致命爆炸和石油泄漏。3.
由于研究气体水合物存在困难 原位, 实验室实验常被用于表征水合物的性质以及抑制剂和基质的影响4这些实验室实验通过在不同形状和尺寸的反应釜中加压培养气体水合物来进行。为防止天然气管道中形成气体水合物，研究人员已发现多种化学和生物抑制剂，包括抗冻蛋白（AFPs）、表面活性剂、氨基酸和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。5,6为了确定这些化合物对天然气水合物性质的影响，这些实验采用了多种反应容器设计，包括高压釜、结晶器、搅拌反应器和摇摆池，其支持的体积范围为0.2至106 立方厘米4.
本研究及以往研究7,8,9,10,11,12中采用的静滴法，涉及在压力容器内水的静滴表面形成气体水合物膜。这些容器由不锈钢和蓝宝石制成，可承受高达10–20 MPa的压力。容器与甲烷气瓶相连。其中两项研究利用静滴法测试了抗冻蛋白（AFPs）作为气体水合物抑制剂的效果，并与商用动力学水合物抑制剂（KHIs）如PVP7,11进行了比较。Bruusgard等7重点研究了抑制剂对形态的影响，发现含有I型AFP的液滴在高驱动力条件下，其表面比无抑制剂时的枝晶状液滴表面更光滑、更具玻璃质感。
Udegbunam 等人11 采用了一种在先前研究中开发的用于评估动力学抑制剂（KHIs）的方法10，可用于分析形态/生长机制、水合物-液体-气体平衡温度/压力以及作为温度函数的动力学。Jung 等人研究了 CH4-一氧化碳2 通过向压力池中注入 CO 进行置换2 在形成CH₄水合物壳后4 水合物壳8陈等人在水合物壳形成过程中观察到了奥斯特瓦尔德熟化现象9. Espinoza 等人研究了 CO2 不同矿物基底上的水合物壳12液滴法是一种相对简单且经济的方法，可用于确定各种化合物和基底对气体水合物形态的影响，且由于液滴体积小，所需添加剂的用量也较少。本文描述了一种在水滴上形成此类水合物壳层的方法，该方法使用带有蓝宝石观察窗的不锈钢压力池，其最大工作压力可达10 MPa。

<table><tbody><tr><td>&lt;strong&gt;相机与笔记本电脑&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>相机机身</td><td>Nikon</td><td>D7200</td><td>方案中名称：camera</td></tr><tr><td>Camera Control Pro 2 软件</td><td>Nikon</td><td></td><td>方案中名称：camera software</td></tr><tr><td>笔记本电脑</td><td>HP Pavilion</td><td>hp-pavilion-laptop-14-ce0068st</td><td>需为具有充足存储空间（约 1 Tb）的 PC&lt;br/&gt; 方案中名称：laptop</td></tr><tr><td>微距摄影镜头</td><td>Nikon</td><td>AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Lens</td><td>方案中名称：lens</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;耗材&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>去离子水</td><td></td><td></td><td>方案中名称：DI water</td></tr><tr><td>干冰</td><td>VWR 或杂货店</td><td></td><td>需在成核前购买&lt;br/&gt; 方案中名称：dry ice</td></tr><tr><td>乙醇</td><td></td><td></td><td>方案中名称：ethanol</td></tr><tr><td>乙二醇</td><td></td><td></td><td>方案中名称：ethylene glycol</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;冷却系统&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>外径 1/2 英寸 × 内径 3/8 英寸 × 25 英尺 聚乙烯管</td><td>Everbilt</td><td>型号 # 301844</td><td>用于将冷却剂从制冷机循环至水族箱中的铜管&lt;br/&gt; 方案中名称：3/8&amp;rdquo;（内径）塑料管</td></tr><tr><td>循环式制冷机</td><td>Polyscience</td><td></td><td>方案中名称：chiller</td></tr><tr><td>经济型柔性聚乙烯泡沫管绝缘材料</td><td>McMaster-Carr</td><td>4530K162</td><td>壁厚 3/4 英寸；内径 1/2 英寸；R 值 3；长 6 英尺&lt;br/&gt; 方案中名称：foam pipe insulation</td></tr><tr><td>塑料管</td><td></td><td></td><td>使用任何可适配实验室气路连接且长度足以从气路连接延伸至水族箱前端的管路</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;数据记录仪&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>34970A/&lt;br/&gt; 34972A 用 20 通道多路复用模块</td><td>Keysight Technologies</td><td>34901A</td><td>方案中名称：datalogger multichannel</td></tr><tr><td>Benchvue 或 Benchlink 软件</td><td>Benchvue 或 Benchlink</td><td></td><td>方案中名称：temperature transducer software</td></tr><tr><td>数据采集/开关单元，GPIB，RS232</td><td>Keysight Technologies</td><td>34970A</td><td>方案中名称：datalogger</td></tr><tr><td>USB/GPIB 接口</td><td>Keysight Technologies</td><td>82357B</td><td>方案中名称：datalogger USB</td></tr><tr><td>datalogger multichannel</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Schott Fostec -Llc 20510 Ace 光纤光源</td><td>Schott Fostec</td><td>A20500</td><td>3115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W&lt;br/&gt; 方案中名称：light source unit</td></tr><tr><td>Schott Fostec 光源导管 — 单束</td><td>Schott Fostec</td><td>A08031.40</td><td>方案中名称：fiber optic light source cable</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;甲烷气源与调压器&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>外径 1/4 英寸 × 20 英尺 铜制软质制冷盘管</td><td>Everbilt</td><td>型号 # D 04020PS</td><td>用于对 ISCO 压力泵加压。冷却剂循环需额外一包，如下所列。&lt;br/&gt; 方案中名称：high pressure-rated 1/4&amp;rdquo; copper pipe</td></tr><tr><td>甲烷气瓶调压器</td><td>Airgas</td><td>Y11N114G350-AG</td><td>方案中名称：methane cylinder regulator</td></tr><tr><td>甲烷气瓶</td><td>Airgas</td><td>ME UHP300</td><td>方案中名称：methane gas cylinder</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;压力泵&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>1/4 英寸&amp;nbsp;柔性管，约 3 英尺</td><td></td><td></td><td>连接至泵入口用于检漏&lt;br/&gt; 方案中名称：1/4&quot;&amp;nbsp; flexible tubing</td></tr><tr><td>260D 注射泵带控制器</td><td>Teledyne Instruments Inc.</td><td>67-1240-520</td><td>方案中名称：pressure pump</td></tr><tr><td>控制器 &amp;minus; 以太网/USB</td><td>Teledyne Instruments Inc.</td><td>62-1240-114</td><td>若需在计算机上安装 Labview 并远程控制压力泵，则需购买。我们未采用此方式。</td></tr><tr><td>光滑无缝 316 不锈钢管，外径 1/4 英寸，壁厚 0.035 英寸，长 1 英尺（×5）</td><td>McMaster-Carr</td><td>89785K824</td><td>方案中名称：1/4&quot; pipe</td></tr><tr><td>光滑无缝 316 不锈钢管，外径 1/8 英寸，壁厚 0.02 英寸，长 1 英尺（×4）</td><td>McMaster-Carr</td><td>89785K811</td><td>方案中名称：1/8&quot; pipe</td></tr><tr><td>不锈钢 Swagelok 管接头，减径接头，1/4 英寸 × 1/8 英寸 管外径（×4）</td><td>Swagelok</td><td>&amp;nbsp;SS-400-6-2</td><td>方案中名称：1/8&amp;rdquo; to 1/4&amp;rdquo; adapter</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;压力室&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>316 不锈钢螺母与卡套组（1 螺母/1 前卡套/1 后卡套），用于 1/4 英寸管接头（20 套）</td><td>Swagelok</td><td>&amp;nbsp;SS-400-NFSET</td><td>必要时用于接头连接&lt;br/&gt; 方案中名称：ferrule set</td></tr><tr><td>316L 不锈钢波纹（FM）软管，1/4 英寸，316L 不锈钢编织层，1/4 英寸管接头，长 60 英寸（1.5 米）</td><td>Swagelok</td><td>SS-FM4TA4TA4-60</td><td>连接压力泵与压力室&lt;br/&gt; 方案中名称：1/4&quot; braided stainless steel flexible pressure-rated hose</td></tr><tr><td>ABAQUS</td><td>ABAQUS FEA</td><td></td><td>方案中名称：simulation software</td></tr><tr><td>耐磨缓冲垫圈，适用于 7/8 英寸螺钉，内径 0.875 英寸，外径 2.25 英寸，每包 10 个（×1）</td><td>McMaster-Carr</td><td>90131A107</td><td>方案中名称：2.25&quot; rubber washer</td></tr><tr><td>耐磨密封垫圈，芳纶织物/丁腈橡胶，3/8 英寸螺钉，外径 0.625 英寸，每包 10 个（×1）</td><td>McMaster-Carr</td><td>93303A105</td><td>用于照明口</td></tr><tr><td>亚克力板 | 白色 2447 / WRT31&lt;br/&gt; 挤出纸面保护（半透明 55%（0.118 × 12 × 12）</td><td>Interstate Plastics</td><td>ACRW7EPSH</td><td>加工成圆形亚克力片，适配压力室内部腔体，作为成像背景&lt;br/&gt; 方案中名称：acrylic disc</td></tr><tr><td>AutoCAD</td><td>AutoCAD</td><td></td><td>方案中名称：engineering design software</td></tr><tr><td>Conax 接头</td><td>Conax Technologies</td><td>311401-011</td><td>TG(PTM2/)-24-A6-T，可选 1/4 英寸 NPT&lt;br/&gt; 方案中名称：pressure seal connector</td></tr><tr><td>高精度油填充压力&lt;br/&gt; 传感器/变送器，适用于通用&lt;br/&gt; 工业应用（×2）</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td>PX409-3.5KGUSBH</td><td>购买两个以备备用。&lt;br/&gt; 方案中名称：pressure transducer</td></tr><tr><td>高压腔&amp;nbsp; 零件</td><td>Wither Tool, Die and Manufacturing Company</td><td></td><td>根据 CAD 图纸（图 S1）加工压力室零件&lt;br/&gt; 方案中名称：Part B = stainless steel washer</td></tr><tr><td>高强度 316 不锈钢内六角圆柱头螺钉，M5 × 0.80 mm 螺纹，长 14 mm（×20）</td><td>McMaster-Carr</td><td>90037A119</td><td>用于照明口</td></tr><tr><td>高强度 316 不锈钢内六角圆柱头螺钉，M8 × 1.25 mm 螺纹，长 25 mm（×20）</td><td>McMaster-Carr</td><td>90037A133</td><td>方案中名称：M8 stainless steel screws</td></tr><tr><td>耐油硬质丁腈橡胶 O 型圈，3/32 英寸宽度，120 号（×1 包，50 个）</td><td>McMaster-Carr</td><td>5308T178</td><td>方案中名称：1&quot; o-ring</td></tr><tr><td>耐油硬质丁腈橡胶 O 型圈，3/32 英寸宽度，128 号（×1 包，50 个）</td><td>McMaster-Carr</td><td>5308T186</td><td>方案中名称：1.5&quot; o-ring</td></tr><tr><td>Omega 公司压力传感器软件</td><td>Omega Engineering, Inc.</td><td></td><td>方案中名称：pressure transducer software</td></tr><tr><td>聚碳酸酯圆盘</td><td>McMaster-Carr</td><td>8571K31</td><td>列于 CAD 图纸照明口部分，图 S1 Part E</td></tr><tr><td>蓝宝石窗口（×3）</td><td>Guild Optical Associates, Inc.</td><td>光学级蓝宝石窗口，C 面&lt;br/&gt; 直径：1.811&amp;rdquo; &amp;plusmn;.005&amp;rdquo;&lt;br/&gt; 厚度：.590&amp;rdquo; &amp;plusmn;.005&amp;rdquo;&lt;br/&gt; 表面质量：60/40&lt;br/&gt; 边缘经磨边和安全倒角处理</td><td>购买三个以备两个备用。&lt;br/&gt; 方案中名称：sapphire window</td></tr><tr><td>实心 K 型热电偶线，FEP 绝缘与护套，24 号，50 英尺长（×1）</td><td>McMaster-Carr</td><td>3870K32</td><td>方案中名称：thermocouples</td></tr><tr><td>不锈钢一体式帽针阀，0.37 Cv，1/4 英寸 Swagelok 管接头，调节阀杆（×4）</td><td>Swagelok</td><td>&amp;nbsp;SS-1RS4</td><td>其中两个也将用于压力泵。&lt;br/&gt; 方案中名称：1/4&quot; needle valves</td></tr><tr><td>不锈钢管接头，六角外螺纹接头，1/4 英寸外螺纹 NPT（×2）</td><td>Swagelok</td><td>&amp;nbsp;SS-4-HN</td><td>用于照明口</td></tr><tr><td>不锈钢 Swagelok 管接头，三通分支接头，1/4 英寸管外径 × 1/4 英寸管外径 × 1/4 英寸内螺纹 NPT（×2）</td><td>Swagelok</td><td>&amp;nbsp;SS-400-3-4TTF</td><td>与压力传感器配合使用&lt;br/&gt; 方案中名称：branch tee fitting</td></tr><tr><td>不锈钢 Swagelok 管接头，外螺纹接头，1/4 英寸管外径 × 1/4 英寸外螺纹 NPT（×4）</td><td>Swagelok</td><td>&amp;nbsp;SS-400-1-4</td><td>用于顶部端口和通向针阀的侧端口&lt;br/&gt; 方案中名称：NPT screws</td></tr><tr><td>不锈钢 Swagelok 管接头，端口连接器，1/4 英寸管外径（×8）</td><td>Swagelok</td><td>&amp;nbsp;SS-401-PC</td><td>用作 NTP 与阀门连接之间的管路连接&lt;br/&gt; 方案中名称：port connector fitting</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;水箱&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>外径 1/4 英寸 × 20 英尺 铜制软质制冷盘管</td><td>Everbilt</td><td>型号 # D 04020PS</td><td>用于冷却剂循环&lt;br/&gt; 方案中名称：1/4&quot; copper pipe</td></tr><tr><td>10 加仑水族箱</td><td>Tetra</td><td></td><td>方案中名称：10 gallon tank</td></tr><tr><td>2 盎司 Waterweld</td><td>J-B Weld</td><td>型号 # 8277</td><td>方案中名称：underwater sealant</td></tr><tr><td>3 英寸 × 25 英尺 铝箔衬玻璃纤维管包裹绝缘材料</td><td>Frost King</td><td>型号 # SP42X/16</td><td>用于包裹水族箱&lt;br/&gt; 方案中名称：foil-lined fiberglass</td></tr><tr><td>3/8 英寸 × 7/8 英寸 不锈钢软管夹（10 个装）</td><td>Everbilt</td><td>型号 # 670655E</td><td>方案中名称：worm drive hose clamps</td></tr><tr><td>聚苯乙烯泡沫</td><td></td><td></td><td>方案中名称：insulating material</td></tr><tr><td>&lt;strong&gt;工具&lt;/strong&gt;</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>1-1/8 英寸棘轮式管割刀</td><td>Husky</td><td>型号 # 86-036-0111</td><td></td></tr><tr><td>1/2 英寸至 1 英寸管割刀</td><td>Apollo</td><td>型号 # 69PTKC001</td><td></td></tr><tr><td>可调扳手（×2）</td><td>Steel Core</td><td>型号 # 31899</td><td>需要两个钳口至少 1 英寸的扳手</td></tr><tr><td>内六角扳手套装</td><td>Home Depot</td><td></td><td></td></tr><tr><td>胶带</td><td></td><td></td><td>方案中名称：duct tape</td></tr><tr><td>柔性管（如输液管），适配 Grainger 探针末端（套管）</td><td></td><td></td><td>方案中名称：IV tube</td></tr><tr><td>Grainger 18 号探针</td><td>Grainger</td><td></td><td>用于插入液滴&lt;br/&gt; 方案中名称：cannula</td></tr><tr><td>高真空润滑脂</td><td>Dow corning</td><td></td><td>在插入蓝宝石窗口前涂抹于 O 型圈上&lt;br/&gt; 方案中名称：vacuum grease</td></tr><tr><td>Klein Tools 专业 90 度 4 合 1 管弯机</td><td>Klein Tools</td><td>型号 # 89030</td><td>方案中名称：tube bender</td></tr><tr><td>Snoop 液体检漏剂</td><td>Swagelok</td><td>MS-SNOOP-8OZ</td><td>甲烷加压时用于检测泄漏&lt;br/&gt; 方案中名称：liquid leak detector</td></tr><tr><td>吸盘</td><td>Home Depot</td><td></td><td>用于取出紧配合的蓝宝石窗口&lt;br/&gt; 方案中名称：suction cup</td></tr><tr><td>聚四氟乙烯胶带</td><td></td><td></td><td>方案中名称：plumber's tape</td></tr><tr><td>Temflex 3/4 英寸 × 60 英尺 1700 黑色电工胶带</td><td>3M</td><td>型号 # 1700-1PK-BB40</td><td>方案中名称：electrical tape</td></tr></tbody></table>

水滴上甲烷水合物的结晶

Methane Hydrate Crystallization on Sessile Water Droplets

本文描述了一种在水滴表面形成甲烷水合物壳层的方法。此外，还提供了工作压力可达10 MPa的压力腔设计蓝图，该压力腔包含用于支撑静滴的载台、蓝宝石观察窗以及温度和压力传感器。通过连接甲烷气瓶的压力泵将压力腔加压至5 MPa。冷却系统由一个10加仑（37.85 L）的储液罐组成，其中盛有50%乙醇溶液，并通过铜管盘管以乙二醇进行冷却。该装置可分别在冷却和降压过程中观察与水合物生成和分解相关的温度变化，同时实现对液滴形态变化的可视化观察与摄影记录。采用该方法，在约-6 °C至-9 °C时观察到快速的水合物壳层形成。在降压过程中，由于放热性水合物分解，在压力/温度（P/T）相平衡曲线上观察到0.2 °C至0.5 °C的温度下降，且在温度下降起始阶段通过肉眼观察到熔融现象，进一步证实了该过程。当从2 MPa重新加压至5 MPa后，观察到了“记忆效应”。该实验设计可实现对液滴压力、温度及形态随时间变化的连续监测，因此适用于研究不同添加剂和基底对水合物形态的影响。

通过该方法，可通过压力池的蓝宝石窗口以及温度和压力传感器，直观监测液滴表面的气体水合物壳层。在加压至 5 MPa 后，可通过向压力池顶部加入干冰以产生热冲击，从而引发水合物快速结晶。加入干冰强制形成水合物壳层后，形态上存在明显差异。水滴表面从光滑、有光泽的状态（图 3A）转变为不透明、表面略呈树枝状的水合物壳层（图 3B）。添加 100 µg mL-1 的 I 型抗冻蛋白（AFP）会改变水合物的形态，导致液滴边缘出现脊状结构，并在液滴顶部形成突起（图 3C，D）。
水合物壳形成约1小时后，将样品池减压至2 MPa（补充视频 S3）。在减压过程中，由于水合物解离释放热量，在压力-温度（P/T）稳定曲线附近出现了0.2 °C至0.5 °C的温度下降13（<strong cl...

我们描述了一种在静止水滴上形成气体水合物的方法，用于研究各种抑制剂、促进剂和基底对水合物晶体形貌的影响。

本文介绍了一种在水滴表面形成甲烷水合物壳层的方法。此外，还提供了工作压力可达10 MPa的压力容器的设计图纸，该容器包含用于支撑静置液滴的载样台、蓝宝石观察窗以及温度和压力传感器。通过连接至甲烷气瓶的压力泵将容器加压至5 MPa。冷却系统由一个10加仑（37.85 L）的储液罐组成，其中盛有50%乙醇溶液，并通过铜管盘管内流通乙二醇进行冷却。该装置可用于观察冷却过程中水合物生成及降压过程中水合物分解所伴随的温度变化，同时实现对液滴形态变化的可视化观察与摄影记录。采用该方法，在约-6 °C至-9 °C时可观察到快速的水合物壳层形成。在降压过程中，由于放热性水合物分解，在压力/温度（P/T）稳定曲线上观察到0.2 °C至0.5 °C的温度下降，并通过温度下降初期的熔化现象目视确认。当从2 MPa重新加压至5 MPa时，观察到了“记忆效应”。该实验设计可实现对液滴的压力、温度及形态随时间变化的连续监测，因此适用于研究不同添加剂和基底对水合物形态的影响。

可以测试各种添加剂对气体水合物形貌及其温度-压力稳定性的影响。但主要研究兴趣在于了解生物分子如何在原位与气体水合物相互作用并影响其形成与分解。本实验方案的主要优势在于，能够在静态水滴上安全且可重复地形成水合物壳层。调平液滴载台具有挑战性，需要经过练习，因为液滴会在不平整的载台上滑动。同时，应熟悉 Swagelok 接头的使用以及高压易燃气体相关的安全操作。首先，使用新的卡套螺母和卡套组件，通过一段 1 英寸 × 4 英寸的铜管将甲烷气瓶减压阀连接至泵。将静脉输液管的软质管尖剪成斜角，粘接到套管末端，以帮助引导液滴朝向蓝宝石窗口。将一个1毫升注射器连接到套管上，并抽取所需体积的去离子水。在未安装针阀或蓝宝石窗口的情况下，将套管末端插入顶板，并练习将液滴排出至中心载台的中央位置。使用 M8 螺丝重新安装蓝宝石窗口和垫圈，并连接上部压力容器阀门。将压力泵的编织不锈钢软管连接到压力容器。并仔细检查从气体钢瓶到压力容器的所有连接是否紧密。打开压力釜的进气阀，并将压力釜放入水族箱中。然后将光纤光源线缆插入压力釜的照明口。在一个装有乙醇与水按50/50比例混合溶液的水族箱中，在接下来的几周内，随着液面下降，逐渐添加乙醇，直至液面与压力釜顶部齐平，略低于光源连接口。将冷水机设定至可在细胞内实现大约零到三摄氏度的温度，并开始通过线圈循环。打开 aquarium 前部的气流，以防止 aquarium 表面产生冷凝。在数据记录软件中开始温度记录。将扫描间隔设置为30秒，并等待压力池内部温度稳定在2摄氏度。放置相机后，将光源开启至约80%，并打开相机软件。在实时预览模式下，将相机镜头对焦于压力池的内腔，并调节光源以获得最佳成像效果。以一秒的扫描间隔开始新的温度记录。如果已连接，将压力室顶部端口上的出口针阀拆下。将一个1毫升的注射器连接到套管上，并抽取所需体积的去离子水。将套管穿过顶板，直至在相机软件的实时模式下可见其尖端。从注射器中排出液滴至中心热电偶上方。然后重新连接针阀。将相机对准压力池中的液滴。开始每60秒一次的时间序列成像。在笔记本电脑上打开压力传感器软件。以每秒一次的扫描间隔开始在图表和数据记录中采集数据，并等待液滴温度稳定在0至3摄氏度之间。开启泵和控制器，关闭压力泵的进气阀。打开泵的出口阀门和压力釜的阀门。按下压力泵控制器上的归零按钮，对泵压进行清零。在压力泵控制器上选择泵A以监测压力。如果压力泵中曾存在甲烷气体以外的其他流体，请确保将泵排空。方法是将最大流量和恒定流量均设为100毫升每分钟，然后按“运行”。持续运行直至泵内完全排空。关闭泵的出口阀，打开泵的进口阀。打开气体钢瓶，并将钢瓶减压阀调至 1,000 千帕。在压力泵控制器上按下“Refill”（填充）按钮。当泵充满且接近 1,000 千帕时，关闭泵的入口阀和气体钢瓶。略微打开泵的出口阀通向压力容器。在压力传感器软件中监测压力容器内的压力，由于压力容器内的温度相对较低，压力可能会下降。根据文稿描述，在压力泵控制器上将最大流速设置为每分钟10毫升，最大压力设置为5,000千帕，恒定压力设置为1,000千帕。按下运行。当压力达到1,000千帕时，按下泵控制器上的停止按钮，并关闭泵的出口阀。监测压力室内的压力，以确保无泄漏。若压力下降，使用液体检漏剂检查连接处的泄漏点，并小心拧紧泄漏部件。若压力室保持稳定，打开泵的出口，逐步将恒定压力设定为 2,000、3,000、4,000 和 5,000 千帕（kPa），每次设定后按下停止键，监测压力室的稳定性。若压力稳定，关闭泵的出口，等待约12至24小时，使气体渗透进入液滴。将延时摄影设置为每两到五秒拍摄一次图像。向细胞顶部添加干冰，直至在延时影像中观察到水合物壳的形成。如果干冰滑动，可在反应池顶部贴上胶带固定。通过延时摄影观察甲烷水合物形成过程，持续两到六小时。打开泵的出口，将压力恒定设置为 2,000 千帕，对反应池进行降压，注意记录融化发生的时间。30分钟后，将压力腔重新加压至5,000千帕，以观察记忆效应。记录水合物壳开始重新形成的时间，并让壳继续形成30分钟至两小时。通过打开泵的出口并将恒定压力设为100千帕，对腔体进行减压。如果压力腔中存在残余压力，将压力腔顶部阀门略微打开 1/16 英寸。将压力和温度数据保存为 CSV 文件。通过拆下压力腔顶部阀门，并使用注射器、套管或静脉输液管取出液滴。如果担心试验之间存在污染问题，请遵循文稿中的操作说明。使用干冰强制形成水合物壳时，可观察到明显的形态学差异，水滴表面从光滑的反光状态转变为不透明的水合物壳，并带有轻微的树枝状表面。添加浓度为每毫升100微克的I型抗冻蛋白后，水合物的形态发生变化，水滴边缘出现脊状结构，并从水滴顶部产生突起。水合物壳形成一小时后，将反应釜减压至2兆帕，在P/T相平衡曲线上观察到2至5摄氏度的温度下降。由于水合物分解为放热过程，通过在温度下降初期进行延时成像观察到的融化现象，可确认水合物的分解。未形成水合物壳的空白对照组（无液滴组以及有液滴但未形成水合物壳的组）在减压过程中均未出现温度下降。由于每次实验的温度峰值均高于先前确定的P/T相平衡曲线，因此根据这些实验的峰值P/T数据计算出了一条回归曲线。在执行本实验方案时，需注意两点：第一，在加压前需检查所有连接处是否牢固；第二，在安装蓝宝石窗口前应先练习排出液滴。按照本方案，可以计算气体消耗量，并通过分析图像来测定水合物壳层厚度，从而确定所形成水合物的体积。

methane-hydrate-crystallization-on-sessile-water-droplets

Research

科研

JoVE Journal

Environment

环境

甲烷水合物在无柄水滴上的结晶

本文描述了在微孔材料（如金属有机框架）上通过等离子体增强化学气相沉积法沉积全氟烷烃以提高其稳定性和疏水性的步骤。此外，还详细介绍了毫克级样品的穿透测试方法。...

通过等离子体增强化学气相沉积全氟烷烃制备疏水金属有机框架用于氨气去除

我们提出了一种用于测量由砂、水、甲烷和甲烷水合物组成的合成含水合物沉积物样品热学性质的实验方案。...

过冷合成砂-水-气体-甲烷水合物样品热物性测量实验方案

本文介绍了一种制备多种微蜂窝整体式材料（MHMs）的通用方案，该材料允许流体以极低的压降通过。所获得的MHMs有望被用作过滤器、催化剂载体、流动型电极、传感器以及生物材料的支架。...

由纤维素纳米纤维溶胶单向冷冻干燥制备微蜂窝整体材料：方法与拓展

我们提出一种研究在环戊烷中浸没的水滴界面处，非离子型表面活性剂存在条件下水合物形成的实验方案。该方案包括构建一个低成本、可编程的温度调节器，并将温度控制系统与可视化技术及内部压力测量相结合。...

使用低成本集成模块化帕尔帖装置研究表面活性剂对油水界面水合物结晶的影响

通过利用遗传算法以及半经验和ab...

从ab initio热化学计算分子团簇的大气浓度

本方案描述了在微流控装置中结晶微观冰晶和笼形水合物的方法，可实现晶体形成后周围液体的交换。这为研究抑制剂的结晶过程及其结合机制提供了前所未有的可能性。...

一种用于研究冰和笼形水合物结晶的微流控方法

湖泊富营养化是全球范围内的水质问题，因此识别和控制营养源至关重要。通过实验室测定沉积物柱芯中磷的释放速率，是评估内源性磷负荷作用并指导管理决策的有效方法。...

湖泊沉积物中实验室测定的磷通量作为内源性磷负荷的度量

EPA 方法 1615 使用带正电滤膜来浓缩环境水和饮用水中的肠道病毒和诺如病毒。本论文描述了用于方法 1615...

EPA 方法 1615. 通过培养法和反转录定量聚合酶链式反应（RT-qPCR）检测水中肠道病毒和诺如病毒的存在。I. 病毒样品的采集

本文介绍了一种利用反转录-定量PCR方法对环境水和饮用水中肠道病毒和诺如病毒进行定量的实验流程。采用美国环境保护署方法1615（EPA Method...

EPA 方法 1615. 通过培养法和反转录定量聚合酶链式反应（RT-qPCR）检测水中肠道病毒和诺如病毒的存在情况。第三部分：通过 RT-qPCR 检测病毒

溶渗仪二氧化碳梯度设施可在温度受控的培养室内，于黏土、粉质黏土和砂质土壤单体上建立250至500 µl...

用于研究 CO2 浓度升高及土壤因素对草地生态系统功能影响的 CO2 浓度梯度实验装置

了解在无柄水滴上形成甲烷水合物壳层的方法，用于研究添加剂对晶体形态的影响。该方案可安全、可重复地制备水合物，便于原位分析生物分子相互作用及压力温度稳定性。

水滴上甲烷水合物的结晶

探索更多视频