Cristalización del hidrato de metano en gotas de agua sésil
Summary
Describimos un método para formar hidrato de gas en gotas de agua sésil para estudiar los efectos de varios inhibidores, promotores y sustratos en la morfología del cristal de hidrato.
Abstract
Este artículo describe un método para formar conchas de hidrato de metano en gotas de agua. Además, proporciona planos para una celda de presión clasificada a 10 MPa de presión de trabajo, que contiene una etapa para gotas sésiles, una ventana de zafiro para visualización y transductores de temperatura y presión. Se utiliza una bomba de presión conectada a un cilindro de gas metano para presurizar la celda a 5 MPa. El sistema de enfriamiento es un tanque de 10 galones (37.85 L) que contiene una solución de etanol al 50% enfriada a través de etilenglicol a través de bobinas de cobre. Esta configuración permite la observación del cambio de temperatura asociado con la formación y disociación de hidratos durante el enfriamiento y la despresurización, respectivamente, así como la visualización y fotografía de los cambios morfológicos de la gota. Con este método, se observó una rápida formación de conchas de hidrato a ~ -6 ° C a -9 ° C. Durante la despresurización, se observó una caída de temperatura de 0,2 °C a 0,5 °C en la curva de estabilidad presión/temperatura (P/T) debido a la disociación exotérmica de hidratos, confirmada por la observación visual de la fusión al comienzo de la caída de temperatura. El “efecto memoria” se observó después de represurizar a 5 MPa desde 2 MPa. Este diseño experimental permite el monitoreo de la presión, la temperatura y la morfología de la gota a lo largo del tiempo, lo que lo convierte en un método adecuado para probar varios aditivos y sustratos en la morfología del hidrato.
Introduction
Los hidratos de gas son jaulas de moléculas de agua unidas al hidrógeno que atrapan moléculas de gas invitadas a través de las interacciones de van der Waals. Los hidratos de metano se forman en condiciones de alta presión y baja temperatura, que ocurren en la naturaleza en el sedimento subsuperficial a lo largo de los márgenes continentales, bajo el permafrost ártico y en otros cuerpos planetarios en el sistema solar1. Los hidratos de gas almacenan varios miles de gigatoneladas de carbono, con importantes implicaciones para el clima y la energía2. Los hidratos de gas también pueden ser peligrosos en la industria del gas natural porque las condiciones favorables para los hidratos ocurren en los gasoductos, que pueden obstruir las tuberías que conducen a explosiones fatales y derrames de petróleo3.
Debido a la dificultad de estudiar los hidratos de gas in situ,a menudo se emplean experimentos de laboratorio para caracterizar las propiedades de los hidratos y la influencia de los inhibidores y sustratos4. Estos experimentos de laboratorio se realizan mediante el cultivo de hidrato de gas a presión elevada en células de diversas formas y tamaños. Los esfuerzos para prevenir la formación de hidratos de gas en los gasoductos han llevado al descubrimiento de varios inhibidores químicos y biológicos de los hidratos de gas, incluidas las proteínas anticongelantes (AFP), surfactantes, aminoácidos y polivinilpirrolidona (PVP)5,6. Para determinar los efectos de estos compuestos en las propiedades de los hidratos de gas, estos experimentos han empleado diversos diseños de recipientes, incluidos autoclaves, cristalizadores, reactores agitados y células mecedoras, que soportan volúmenes de 0,2 a 106 centímetros cúbicos4.
El método de gotas sésiles utilizado aquí y en estudios anteriores7,8,9,10,11,12 consiste en formar una película de hidrato de gas en una gota sésil de agua dentro de una celda de presión. Estos recipientes están hechos de acero inoxidable y zafiro para acomodar presiones de hasta 10-20 MPa. La celda está conectada a un cilindro de gas metano. Dos de estos estudios utilizaron el método de gotas para probar las AFP como inhibidores del hidrato de gas en comparación con los inhibidores comerciales del hidrato cinético (KHIs), como la PVP7,11. Bruusgard et al.7 se centraron en la influencia morfológica de los inhibidores y encontraron que las gotas que contienen AFP de tipo I tienen una superficie más lisa y vítrea que la superficie de gotas dendríticas sin inhibidores a altas fuerzas motrices.
Udegbunam et al.11 utilizaron un método desarrollado para evaluar los KHIs en un estudio previo10,que permite el análisis de los mecanismos de morfología/crecimiento, la temperatura/presión del equilibrio hidrato-líquido-vapor y la cinética en función de la temperatura. Jung et al. estudiaron el reemplazo de CH4-CO2 inundando la célula con CO2 después de formar una cáscara de hidrato CH4 8. Chen et al. observaron la maduración de Ostwald a medida que la cáscara hidratada se forma9. Espinoza et al. estudiaron conchas de hidratos de CO2 sobre diversos sustratos minerales12. El método de gotas es un método relativamente simple y barato para determinar el efecto morfológico de varios compuestos y sustratos sobre los hidratos de gas y requiere pequeñas cantidades de aditivos debido al pequeño volumen. Este documento describe un método para formar tales conchas de hidrato en una gota de agua utilizando una celda de acero inoxidable con una ventana de zafiro para la visualización, con una presión de trabajo de hasta 10 MPa.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hemos desarrollado un método para formar capas de hidrato de metano en gotas de agua sésil de forma segura y compartimos este método para mecanizar y ensamblar una celda de presión clasificada a 10 MPa de presión de trabajo, así como los sistemas de presurización y enfriamiento. La celda de presión está equipada con una etapa para la gota que contiene termopares incrustados, una ventana de zafiro para visualizar la gota y un transductor de presión fijado a la parte superior de la celda. El sistema de enfriamien…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La subvención de exobiología de la NASA 80NSSC19K0477 financió esta investigación. Agradecemos a William Waite y Nicolás Espinoza por sus valiosas discusiones.
Materials
| CAMERA AND LAPTOP | |||
| Camera Body | Nikon | D7200 | Name in Protocol: camera |
| Camera Control Pro 2 Software | Nikon | Name in Protocol: camera software | |
| Laptop | HP Pavilion | hp-pavilion-laptop-14-ce0068st | Needs to be PC with plenty of storage (~ 1 Tb) Name in Protocol: laptop |
| Macrophotography Lens | Nikon | AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Lens | Name in Protocol: lens |
| CONSUMABLES | |||
| Deionized water | Name in Protocol: DI water | ||
| Dry Ice | VWR or grocery store | Buy just before nucleation Name in Protocol: dry ice |
|
| Ethanol | Name in Protocol: ethanol | ||
| Ethylene Glycol | Name in Protocol: ethylene glycol | ||
| COOLING SYSTEM | |||
| 1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 25 ft. Polyethylene Tubing | Everbilt | Model # 301844 | For circulating coolant from chiller to copper coils in aquarium Name in Protocol: 3/8” (inner diameter) plastic tubing |
| Circulating chiller | Polyscience | Name in Protocol: chiller | |
| Economical Flexible Polyethylene Foam Pipe Insulation | McMaster-Carr | 4530K162 | 3/4" thick wall; 1/2" inner diameter; R Value 3; 6' long Name in Protocol: foam pipe insulation |
| Plastic tubing | use any tubing that fits the airline connection in the lab and long enough to travel from the airline connection to the front of the aquarium | ||
| DATALOGGER | |||
| Armature Multiplexer Module for 34970A/ 34972A, 20-Channel |
Keysight Technologies | 34901A | Name in Protocol: datalogger multichannel |
| Benchvue or Benchlink software | Benchvue or Benchlink | Name in Protocol: temperature transducer software | |
| Data Acquisition/Switch Unit. GPIB, RS232 | Keysight Technologies | 34970A | Name in Protocol: datalogger |
| USB/GPIB interface | Keysight Technologies | 82357B | Name in Protocol: datalogger USB |
| datalogger multichannel | |||
| Schott Fostec -Llc 20510 Ace Fiber Optic Light Source | Schott Fostec | A20500 | 3115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W Name in Protocol: light source unit |
| Schott Fostec light source guide – single bundle | Schott Fostec | A08031.40 | Name in Protocol: fiber optic light source cable |
| METHANE GAS AND REGULATOR | |||
| 1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil | Everbilt | Model # D 04020PS | For pressurizing ISCO pressure pump. An additional pack is needed for coolant circulation, as listed below. Name in Protocol: high pressure-rated 1/4” copper pipe |
| Methane cylinder regulator | Airgas | Y11N114G350-AG | Name in Protocol: methane cylinder regulator |
| Methane gas cylinder | Airgas | ME UHP300 | Name in Protocol: methane gas cylinder |
| PRESSURE PUMP | |||
| 1/4 in. flexible tubing, ~ 3 ft. | Connect to pump inlet for leak test Name in Protocol: 1/4" flexible tubing |
||
| 260D Syringe Pump W/Controller | Teledyne Instruments Inc. | 67-1240-520 | Name in Protocol: pressure pump |
| Controller − Ethernet/USB | Teledyne Instruments Inc. | 62-1240-114 | Purchase if you would like to install Labview onto computer and control pressure pump remotely. We did not do this. |
| Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/4" OD, 0.035" Wall Thickness, 1 Foot Long (x5) | McMaster-Carr | 89785K824 | Name in Protocol: 1/4" pipe |
| Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/8" OD, 0.02" Wall Thickness, 1 Foot Long (x4) | McMaster-Carr | 89785K811 | Name in Protocol: 1/8" pipe |
| Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Reducing Union, 1/4 in. x 1/8 in. Tube OD (x4) | Swagelok | SS-400-6-2 | Name in Protocol: 1/8” to 1/4” adapter |
| PRESSURE CELL | |||
| 316 Stainless Steel Nut and Ferrule Set (1 Nut/1 Front Ferrule/1 Back Ferrule) for 1/4 in. Tube Fitting (20) | Swagelok | SS-400-NFSET | Used for fitting connections where necessary Name in Protocol: ferrule set |
| 316L Stainless Steel Convoluted (FM) Hose, 1/4 in., 316L Stainless Steel Braid, 1/4 in. Tube Adapters, 60 in. (1.5 m) Length | Swagelok | SS-FM4TA4TA4-60 | Connects pressure pump to pressure cell Name in Protocol: 1/4" braided stainless steel flexible pressure-rated hose |
| ABAQUS | ABAQUS FEA | Name in Protocol: simulation software | |
| Abrasion-Resistant Cushioning Washer for 7/8" Screw Size, 0.875" ID, 2.25" OD, packs of 10 (x1) | McMaster-Carr | 90131A107 | Name in Protocol: 2.25" rubber washer |
| Abrasion-Resistant Sealing Washer, Aramid Fabric/Buna-N Rubber, 3/8" Screw Size, 0.625" OD, packs of 10 (x1) | McMaster-Carr | 93303A105 | Used for illumination port |
| Acrylic Sheet | White 2447 / WRT31 Extruded Paper-Masked (Translucent 55% (0.118 x 12 x 12) |
Interstate Plastics | ACRW7EPSH | Machine a circle of acrylic to fit in the inner chamber of the pressure cell to serve as the background for imaging Name in Protocol: acrylic disc |
| AutoCAD | AutoCAD | Name in Protocol: engineering design software | |
| Conax fitting | Conax Technologies | 311401-011 | TG(PTM2/)-24-A6-T, OPTIONAL 1/4" NPT Name in Protocol: pressure seal connector |
| High Accuracy Oil Filled Pressure Transducers/Transmitters for General industrial applications (x2) |
Omega Engineering, Inc. | PX409-3.5KGUSBH | Buy two so there is a backup. Name in Protocol: pressure transducer |
| HIGH PRESSURE CHAMBER PARTS | Wither Tool, Die and Manufacturing Company | Machining for pressure cell parts as listed in CAD drawings (Figure S1) Name in Protocol: Part B = stainless steel washer |
|
| High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M5 x 0.80 mm Thread, 14 mm Long (x20) | McMaster-Carr | 90037A119 | Used for illumination port |
| High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M8 x 1.25 mm Thread, 25 mm Long (x20) | McMaster-Carr | 90037A133 | Name in Protocol: M8 stainless steel screws |
| Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 120, packs of 50 (x1) | McMaster-Carr | 5308T178 | Name in Protocol: 1" o-ring |
| Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 128, packs of 50 (x1) | McMaster-Carr | 5308T186 | Name in Protocol: 1.5" o-ring |
| Omega Inc. pressure transducer software | Omega Engineering, Inc. | Name in Protocol: pressure transducer software | |
| Polycarbonate Disc | McMaster-Carr | 8571K31 | Listed in CAD drawings for illumination port, Fig. S1 Part E |
| Sapphire windows (x3) | Guild Optical Associates, Inc. | Optical Grade Sapphire Window, C-Plane Diameter: 1.811” ±.005” Thickness: .590” ±.005” Surface Quality: 60/40 Edges ground and safety chamfered |
Buy three so there are two backups. Name in Protocol: sapphire window |
| Solid Thermocouple Wire FEP Insulation and Jacket, Type K, 24 Gauge, 50 ft. Length (x1) | McMaster-Carr | 3870K32 | Name in Protocol: thermocouples |
| Stainless Steel Integral Bonnet Needle Valve, 0.37 Cv, 1/4 in. Swagelok Tube Fitting, Regulating Stem (x4) | Swagelok | SS-1RS4 | Two will be used for the pressure pump as well. Name in Protocol: 1/4" needle valves |
| Stainless Steel Pipe Fitting, Hex Nipple, 1/4 in. Male NPT (x2) | Swagelok | SS-4-HN | Used for illumination port |
| Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Female Branch Tee, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Female NPT (x2) | Swagelok | SS-400-3-4TTF | Used with pressure transducer Name in Protocol: branch tee fitting |
| Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Male Connector, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Male NPT (x4) | Swagelok | SS-400-1-4 | Used on top port and side port leading to needle valves Name in Protocol: NPT screws |
| Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Port Connector, 1/4 in. Tube OD (x8) | Swagelok | SS-401-PC | Use as tube connections between NTP and valve connections Name in Protocol: port connector fitting |
| TANK | |||
| 1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil | Everbilt | Model # D 04020PS | For circulating coolant Name in Protocol: 1/4" copper pipe |
| 10 gallon aquarium | Tetra | Name in Protocol: 10 gallon tank | |
| 2 oz. Waterweld | J-B Weld | Model # 8277 | Name in Protocol: underwater sealant |
| 3 in. x 25 ft. Foil Backed Fiberglass Pipe Wrap Insulation | Frost King | Model # SP42X/16 | For wrapping around aquarium Name in Protocol: foil-lined fiberglass |
| 3/8 7/8 in. Stainless Steel Hose Clamp (10 pack) | Everbilt | Model # 670655E | Name in Protocol: worm drive hose clamps |
| Styrofoam | Name in Protocol: insulating material | ||
| TOOLS | |||
| 1-1/8 in. Ratcheting Tube Cutter | Husky | Model # 86-036-0111 | |
| 1/2 in. to 1 in. Pipe Cutter | Apollo | Model # 69PTKC001 | |
| Adjustable wrench (x2) | Steel Core | Model # 31899 | Need two wrenches with jaw at least 1" |
| Allen wrench set | Home Depot | ||
| Duct tape | Name in Protocol: duct tape | ||
| Flexible tubing, like an IV line, to fit on the end of grainger probe (canula) | Name in Protocol: IV tube | ||
| Grainger 18 gauge probe | Grainger | For inserting droplet Name in Protocol: cannula |
|
| High Vacuum Grease | Dow corning | Apply to o-rings before inserting sapphire window Name in Protocol: vacuum grease |
|
| Klein Tools Professional 90 Degree 4-in-1 Tube Bender | Klein Tools | Model # 89030 | Name in Protocol: tube bender |
| Snoop liquid leak detector | Swagelok | MS-SNOOP-8OZ | To detect leaks when pressurized when methane Name in Protocol: liquid leak detector |
| Suction cup | Home Depot | For removing tight fitting sapphire window Name in Protocol: suction cup |
|
| Teflon Tape | Name in Protocol: plumber's tape | ||
| Temflex 3/4 in. x 60 ft. 1700 Electrical Tape Black | 3M | Model # 1700-1PK-BB40 | Name in Protocol: electrical tape |
References
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