מתאן הידרציה התגבשות על טיפות מים יסילי
Summary
אנו מתארים שיטה ליצירת לחות גז על טיפות מים ססיל כדי לחקור את ההשפעות של מעכבים שונים, מקדמים, ומצעים על מורפולוגיה קריסטל לחות.
Abstract
מאמר זה מתאר שיטה ליצירת קליפות לחות מתאן על טיפות מים. בנוסף, הוא מספק שרטוטים עבור תא לחץ המדורג ללחץ עבודה של 10 MPa, המכיל שלב עבור טיפות סיסיל, חלון ספיר להדמיה, ומתמרים בטמפרטורה ובלחץ. משאבת לחץ המחוברת לצילינדר גז מתאן משמשת ללחץ על התא ל-5 MPa. מערכת הקירור היא מיכל 10 גלון (37.85 ליטר) המכיל תמיסת אתנול 50% מקוררת באמצעות אתילן גליקול דרך סלילי נחושת. התקנה זו מאפשרת התבוננות בשינוי הטמפרטורה הקשורים להיווצרות לחות ודיסוציאציה במהלך קירור ודיכאון, בהתאמה, כמו גם הדמיה וצילום של השינויים המורפולוגיים של הטיפה. בשיטה זו, היווצרות קליפת הידרציה מהירה נצפתה ב ~ -6 °C (50 °F) עד -9 °C (50 °F). במהלך הפחתת לחץ, 0.2 °C (5 °F) ירידה בטמפרטורה נצפתה בעקומת היציבות לחץ / טמפרטורה (P / T) עקב ניתוק לחות exothermic, אושר על ידי התבוננות חזותית של נמס בתחילת ירידת הטמפרטורה. “אפקט הזיכרון” נצפתה לאחר דיכוי ל 5 MPa מ 2 MPa. עיצוב ניסיוני זה מאפשר ניטור של לחץ, טמפרטורה, ומורפולוגיה של טיפה לאורך זמן, מה שהופך את זה שיטה מתאימה לבדיקת תוספים שונים ומצעים על מורפולוגיה hydrate.
Introduction
הידרציה של גז היא כלובים של מולקולות מים מלוכדות מימן שלוכדות מולקולות גז אורחות באמצעות אינטראקציות של ואן דר ואלס. מתאן מעניק לחות נוצר בתנאי לחץ גבוה וטמפרטורה נמוכה, המתרחשים בטבע במים התת-קרקעיים לאורך השוליים היבשתיים, מתחת לאדמה הקצונית הארקטית, ובגופים פלנטריים אחרים במערכת השמש1. לחות גז מאחסנת כמה אלפי ג’יגה טון של פחמן, עם השלכות חשובות על האקלים והאנרגיה2. הידרציה גז יכול גם להיות מסוכן בתעשיית הגז הטבעי כי תנאים נוחים עבור hydrates להתרחש צינורות גז, אשר יכול לסתום את הצינורות המובילים פיצוצים קטלניים ודליפת נפט3.
בשל הקושי ללמוד הידרטות גז במקום, ניסויי מעבדה משמשים לעתים קרובות כדי לאפיין תכונות hydrate ואת ההשפעה של מעכבים ומצעים4. ניסויי מעבדה אלה מבוצעים על ידי גידול לחות גז בלחץ גבוה בתאים בצורות וגדלים שונים. המאמצים למנוע היווצרות לחות גז בצינורות גז הובילו לגילוי של מספר מעכבי לחות גז כימי וביולוגי, כולל חלבונים נגד קפיאה (AFPs), פעילי שטח, חומצות אמינו, פוליווינילפירולידון (PVP)5,6. כדי לקבוע את ההשפעות של תרכובות אלה על תכונות לחות גז, ניסויים אלה השתמשו עיצובים כלי מגוון, כולל autoclaves, גבישים, כורים מעורבבים, ותאי נדנדה, התומכים בנפחים מ 0.2 עד 106 ס”מ מעוקב4.
שיטת טיפת ההסתה המשמשת כאן ובמחקרים קודמים7,8,9,10,11,12 כוללת יצירת סרט הידרציה גז על טיפת מים sessile בתוך תא לחץ. כלי דם אלה עשויים נירוסטה וספיר כדי להתאים לחצים עד 10-20 MPa. התא מחובר לבלון גז מתאן. שניים ממחקרים אלה השתמשו בשיטת טיפה כדי לבדוק AFPs כמעכבי לחות גז בהשוואה למעכבי לחות קינטיים מסחריים (KHIs), כגון PVP7,11. Bruusgard ואח ‘7 התמקדו בהשפעה המורפולוגית של מעכבים ומצא כי טיפות המכילות AFPs מסוג I יש משטח חלק יותר, מזוגג מאשר משטח טיפה דנדריטי ללא מעכבים בכוחות נהיגה גבוהה.
Udegbunam ואח ‘11 השתמש בשיטה שפותחה כדי להעריך KHIs במחקר הקודם10, המאפשר ניתוח של מורפולוגיה / מנגנוני צמיחה, לחות נוזל-אדי שיווי משקל טמפרטורה / לחץ, וקינטיקה כפונקציה של טמפרטורה. Jung ואח ‘ למד CH4-CO2 תחליף על ידי הצפת התא עם CO2 לאחר יצירת CH4 לחותפגז 8. חן ואח ‘ הבחין אוסטוולד מבשיל כמו קליפת הידרציה צורות9. אספינוזה ואח ‘ למד CO2 קליפות לחות על מצעים מינרליים שונים12. שיטת הטיפה היא שיטה פשוטה וזולה יחסית לקביעת ההשפעה המורפולוגית של תרכובות ומצעים שונים על לחות גז ודורש כמויות קטנות של תוספים בשל הנפח הקטן. מאמר זה מתאר שיטה ליצירת קליפות הידרציה כאלה על טיפת מים באמצעות תא נירוסטה עם חלון ספיר להדמיה, מדורג עד 10 לחץ עבודה MPa.
Protocol
Representative Results
Discussion
פיתחנו שיטה ליצירת קליפות לחות מתאן על טיפות מים ססיל בבטחה ולשתף שיטה זו למכונה ולהרכיב תא לחץ המדורג ללחץ עבודה של 10 MPa, כמו גם את מערכות הלחץ והקירור. תא הלחץ מצויד בשלב לטיפה המכילה תרמי-קופלים מוטבעים, חלון ספיר להדמיית הטיפה, ומתמר לחץ קבוע לחלק העליון של התא. מערכת הקירור כוללת אתילן ג…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מענק אקסוביולוגיה של נאס”א 80NSSC19K0477 מימן את המחקר הזה. אנו מודים לוויליאם ווייט וניקולס אספינוזה על דיונים חשובים.
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
- Bohrmann, G., Torres, M. E., Schulz, H. D., Zabel, M. Gas hydrates in marine sediments. Marine Geochemistry. , 481-512 (2006).
- Ruppel, C. D., Kessler, J. D. The interaction of climate change and methane hydrates. Reviews of Geophysics. 55 (1), 126-168 (2017).
- Hammerschmidt, E. G. Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines. Industrial and Engineering Chemistry. 26, 851-855 (1934).
- Ke, W., Kelland, M. A. Kinetic hydrate inhibitor studies for gas hydrate systems: a review of experimental equipment and test methods. Energy & Fuels. 30 (12), 10015-10028 (2016).
- Kelland, M. A. A review of kinetic hydrate inhibitors from an environmental perspective. Energy & Fuels. 32 (12), 12001-12012 (2018).
- Walker, V. K., et al. Antifreeze proteins as gas hydrate inhibitors. Canadian Journal of Chemistry. 93 (8), 839-849 (2015).
- Bruusgaard, H., Lessard, L. D., Servio, P. Morphology study of structure I methane hydrate formation and decomposition of water droplets in the presence of biological and polymeric kinetic inhibitors. Crystal Growth & Design. 9 (7), 3014-3023 (2009).
- Jung, J. W., Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. Properties and phenomena relevant to CH4-CO2 replacement in hydrate-bearing sediments. Journal of Geophysical Research. 115 (10102), 1-16 (2010).
- Chen, X., Espinoza, D. N. Ostwald ripening changes the pore habit and spatial variability of clathrate hydrate. Fuel. 214, 614-622 (2018).
- DuQuesnay, J. R., Diaz Posada, M. C., Beltran, J. G. Novel gas hydrate reactor design: 3-in-1 assessment of phase equilibria, morphology and kinetics. Fluid Phase Equilibria. 413, 148-157 (2016).
- Udegbunam, L. U., DuQuesnay, J. R., Osorio, L., Walker, V. K., Beltran, J. G. Phase equilibria, kinetics and morphology of methane hydrate inhibited by antifreeze proteins: application of a novel 3-in-1 method. The Journal of Chemical Thermodynamics. 117, 155-163 (2018).
- Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. Water-CO2-mineral systems: Interfacial tension, contact angle, and diffusion – Implications to CO2 geological storage. Water Resources Research. 46 (7537), 1-10 (2010).
- Sloan, E. D., Koh, C. A. . Clathrate Hydrates of Natural Gases. 3rd edn. , (2007).
- Makogon, I. F. . Hydrates of natural gas. , 125 (1981).
- Johnson, A. M., et al. Mainly on the plane: deep subsurface bacterial proteins bind and alter clathrate structure. Crystal Growth & Design. 20 (10), 6290-6295 (2020).
