Cristalização do hidrato de metano em gotículas de água sessile

Hidratos de gás são gaiolas de moléculas de água ligadas a hidrogênio que capturam moléculas de gás convidado através de interações van der Waals. Os hidratos de metano formam-se sob condições de alta pressão e baixa temperatura, que ocorrem na natureza nos sedimentos subsuperficial ao longo das margens continentais, sob o permafrost ártico, e em outros corpos planetários no sistema solar¹. Hidratos a gás armazenam vários milhares de gigatoneladas de carbono, com implicações importantes para o clima e a energia². Hidratos de gás também podem ser perigosos na indústria de gás natural porque condições favoráveis para hidratantes ocorrem em gasodutos, que podem entupir os tubos levando a explosões fatais e derramamentos de óleo³.

Devido à dificuldade de estudar hidratos de gás in situ,experimentos laboratoriais são frequentemente empregados para caracterizar propriedades hidratadas e a influência de inibidores e substratos⁴. Esses experimentos de laboratório são realizados pelo cultivo de hidrato de gás a uma pressão elevada em células de várias formas e tamanhos. Os esforços para prevenir a formação de hidratos de gás em gasodutos levaram à descoberta de vários inibidores químicos e biológicos de hidrato de gás, incluindo proteínas anticongelantes (AFPs), surfactantes, aminoácidos e polivinilibrirrolidone (PVP)^5,6. Para determinar os efeitos desses compostos nas propriedades de hidrato a gás, esses experimentos têm utilizado diversos projetos de embarcações, incluindo autoclaves, cristalizadores, reatores agitados e células de balanço, que suportam volumes de 0,2 a 10⁶ centímetros cúbicos⁴.

O método de gotícula sessile utilizado aqui e em estudos anteriores^{7,8,9,10,11,12} envolve a formação de uma película hidrato a gás em uma gotícula sessile de água dentro de uma célula de pressão. Estes vasos são feitos de aço inoxidável e safira para acomodar pressões de até 10-20 MPa. A célula está conectada a um cilindro de gás metano. Dois desses estudos utilizaram o método de gotícula para testar os AFPs como inibidores de hidrato de gás em comparação com os inibidores de hidrato cinético comercial (KHIs), como PVP^7,11. Bruusgard et al.⁷ se concentraram na influência morfológica dos inibidores e descobriram que as gotículas contendo AFPs tipo I têm uma superfície mais lisa e visada do que a superfície de gotícula dendrítica sem inibidores em altas forças motrizes.

Udegbunam et al.¹¹ utilizaram um método desenvolvido para avaliar os KHIs em um estudo anterior¹⁰, que permite a análise de mecanismos de morfologia/crescimento, temperatura/pressão de vapor hidratado-líquido e cinética em função da temperatura. Jung et al. estudaram a substituição ch₄-CO₂ inundando a célula com CO_{2 depois} de formar uma concha de hidratação CH₄ ⁸. Chen et al. observaram o amadurecimento de Ostwald como a casca de hidratação forma⁹. Espinoza et al. estudaram conchas hidratadas de CO₂ em vários substratos minerais¹². O método gotícula é um método relativamente simples e barato para determinar o efeito morfológico de vários compostos e substratos em hidratos a gás e requer pequenas quantidades de aditivos devido ao pequeno volume. Este artigo descreve um método para formar tais conchas hidratadas em uma gota de água usando uma célula de aço inoxidável com uma janela de safira para visualização, avaliada em até 10 MPa de pressão de trabalho.