Cristallisation de l’hydrate de méthane sur les gouttelettes d’eau sessile

Les hydrates de gaz sont des cages de molécules d’eau liées à l’hydrogène qui piègent les molécules de gaz invitées via des interactions de van der Waals. Les hydrates de méthane se forment dans des conditions de haute pression et de basse température, qui se produisent dans la nature dans les sédiments souterrains le long des marges continentales, sous le pergélisol arctique et sur d’autres corps planétaires du système solaire¹. Les hydrates de gaz stockent plusieurs milliers de gigatonnes de carbone, avec des implications importantes pour le climat et l’énergie². Les hydrates de gaz peuvent également être dangereux dans l’industrie du gaz naturel car des conditions favorables aux hydrates se produisent dans les gazoducs, ce qui peut obstruer les tuyaux entraînant des explosions mortelles et des déversements d’hydrocarbures³.

En raison de la difficulté d’étudier les hydrates de gaz in situ,des expériences de laboratoire sont souvent utilisées pour caractériser les propriétés des hydrates et l’influence des inhibiteurs et des substrats⁴. Ces expériences de laboratoire sont réalisées en cultivant de l’hydrate de gaz à pression élevée dans des cellules de différentes formes et tailles. Les efforts visant à prévenir la formation d’hydrates de gaz dans les gazoducs ont conduit à la découverte de plusieurs inhibiteurs chimiques et biologiques des hydrates de gaz, notamment des protéines antigel (AFP), des tensioactifs, des acides aminés et de la polyvinylpyrrolidone (PVP)^5,6. Pour déterminer les effets de ces composés sur les propriétés des hydrates de gaz, ces expériences ont utilisé diverses conceptions de cuves, y compris des autoclaves, des cristalliseurs, des réacteurs agités et des cellules à bascule, qui supportent des volumes de 0,2 à 10⁶ centimètres cubes⁴.

La méthode des gouttelettes sessiles utilisée ici et dans les études précédentes^{7,8,9,10,11,12} consiste à former un film d’hydrate de gaz sur une gouttelette d’eau sessile à l’intérieur d’une cellule de pression. Ces récipients sont en acier inoxydable et en saphir pour supporter des pressions allant jusqu’à 10-20 MPa. La cellule est reliée à une bouteille de méthane. Deux de ces études ont utilisé la méthode des gouttelettes pour tester les AFP en tant qu’inhibiteurs d’hydrates de gaz par rapport aux inhibiteurs d’hydrates cinétiques (KHI) commerciaux, tels que le PVP^7,11. Bruusgard et al.⁷ se sont concentrés sur l’influence morphologique des inhibiteurs et ont constaté que les gouttelettes contenant des AFP de type I ont une surface plus lisse et vitreuse que la surface des gouttelettes dendritiques sans inhibiteurs à des forces motrices élevées.

Udegbunam et al.¹¹ ont utilisé une méthode développée pour évaluer les KHI dans une étude précédente¹⁰, qui permet l’analyse de la morphologie / mécanismes de croissance, de la température / pression d’équilibre hydrate-liquide-vapeur et de la cinétique en fonction de la température. Jung et al. ont étudié le remplacement du CH_4-CO2 en inondant la cellule de CO₂ après avoir formé une coquille d’hydrate de_CH4 ^8. Chen et al. ont observé la maturation d’Ostwald lorsque la coquille hydrate se forme⁹. Espinoza et al. ont étudié les coquilles d’hydrate de CO₂ sur divers substrats minéraux^12. La méthode des gouttelettes est une méthode relativement simple et peu coûteuse pour déterminer l’effet morphologique de divers composés et substrats sur les hydrates de gaz et nécessite de petites quantités d’additifs en raison du faible volume. Cet article décrit une méthode pour former de telles coquilles d’hydrate sur une gouttelette d’eau à l’aide d’une cellule en acier inoxydable avec une fenêtre en saphir pour la visualisation, jusqu’à une pression de service allant jusqu’à 10 MPa.