Methanhydratkristallisation auf sessilen Wassertröpfchen

Gashydrate sind Käfige aus wasserstoffgebundenen Wassermolekülen, die Gastgasmoleküle über Van-der-Waals-Wechselwirkungen einfangen. Methanhydrate bilden sich unter Hochdruck- und Tieftemperaturbedingungen, die in der Natur im unterirdischen Sediment entlang der Kontinentalränder, unter arktischem Permafrost und auf anderen planetaren Körpern im Sonnensystem vorkommen¹. Gashydrate speichern mehrere tausend Gigatonnen Kohlenstoff, mit wichtigen Auswirkungen auf Klima und Energie². Gashydrate können auch in der Erdgasindustrie gefährlich sein, da in Gaspipelines günstige Bedingungen für Hydrate auftreten, die die Rohre verstopfen können, was zu tödlichen Explosionen und Ölverschmutzungen führen kann³.

Aufgrund der Schwierigkeit, Gashydrate in situzu untersuchen, werden häufig Laborexperimente eingesetzt, um die Hydrateigenschaften und den Einfluss von Inhibitoren und Substraten zu charakterisieren⁴. Diese Laborexperimente werden durchgeführt, indem Gashydrat bei erhöhtem Druck in Zellen verschiedener Formen und Größen gezüchtet wird. Bemühungen zur Verhinderung der Gashydratbildung in Gaspipelines haben zur Entdeckung mehrerer chemischer und biologischer Gashydratinhibitoren geführt, darunter Frostschutzproteine (AFPs), Tenside, Aminosäuren und Polyvinylpyrrolidon (PVP)^5,6. Um die Auswirkungen dieser Verbindungen auf die Gashydrateigenschaften zu bestimmen, wurden in diesen Experimenten verschiedene Gefäßdesigns verwendet, darunter Autoklaven, Kristallisatoren, Rührreaktoren und Schaukelzellen, die Volumina von 0,2 bis 10⁶ Kubikzentimetern unterstützen⁴.

Die hier und in früheren Studien 7 , 8 , 9^,10,11,12verwendete sessile Tröpfchenmethode beinhaltet die Bildung eines Gashydratfilms auf^einem sessilen Wassertröpfchen in einer Druckzelle. Diese Behälter bestehen aus Edelstahl und Saphir, um Drücke von bis zu 10-20 MPa aufzunehmen. Die Zelle ist mit einer Methangasflasche verbunden. Zwei dieser Studien verwendeten die Tröpfchenmethode, um AFPs als Gashydratinhibitoren im Vergleich zu kommerziellen kinetischen Hydratinhibitoren (KHIs) wie PVP^{7zu testen,11}. Bruusgard et al.⁷ konzentrierten sich auf den morphologischen Einfluss von Inhibitoren und fanden heraus, dass Tröpfchen, die Typ-I-AFPs enthalten, bei hohen Antriebskräften eine glattere, glasige Oberfläche haben als die dendritische Tröpfchenoberfläche ohne Inhibitoren.

Udegbunam et al.¹¹ verwendeten eine Methode, die entwickelt wurde, um KHIs in einer früheren Studie¹⁰zu bewerten, die die Analyse der Morphologie / Wachstumsmechanismen, der Hydrate-Flüssigkeit-Dampf-Gleichgewichtstemperatur / -druck und der Kinetik als Funktion der Temperatur ermöglicht. Jung et al. untersuchten den CH4-CO2-Ersatz durch Überfluten der Zelle mit_CO2 nach Bildung einer _{CH4-Hydrathülle} ⁸. Chen et al. beobachteten, wie Ostwald reifte, als sich die^{Hydrathülle bildet 9}. Espinoza et al. untersuchten_{CO2-Hydrathüllen} auf verschiedenen mineralischen Substraten¹². Die Tröpfchenmethode ist eine relativ einfache und kostengünstige Methode, um die morphologische Wirkung verschiedener Verbindungen und Substrate auf Gashydrate zu bestimmen und erfordert aufgrund des geringen Volumens geringe Mengen an Additiven. Dieses Papier beschreibt ein Verfahren zur Bildung solcher Hydrathüllen auf einem Wassertropfen unter Verwendung einer Edelstahlzelle mit einem Saphirfenster zur Visualisierung, bewertet mit einem Arbeitsdruck von bis zu 10 MPa.