Cristallizzazione dell'idrato di metano su goccioline d'acqua sessili

Gli idrati di gas sono gabbie di molecole d’acqua legate all’idrogeno che intrappolano le molecole di gas ospite attraverso le interazioni di van der Waals. Gli idrati di metano si formano in condizioni di alta pressione e bassa temperatura, che si verificano in natura nei sedimenti del sottosuolo lungo i margini continentali, sotto il permafrost artico e su altri corpi planetari nel sistema solare¹. Gli idrati di gas immagazzinano diverse migliaia di gigatonnellate di carbonio, con importanti implicazioni per il clima e l’energia². Gli idrati di gas possono anche essere pericolosi nell’industria del gas naturale perché condizioni favorevoli per gli idrati si verificano nei gasdotti, che possono ostruire i tubi portando a esplosioni fatali e fuoriuscite di petrolio³.

A causa della difficoltà di studiare gli idrati di gas in situ,gli esperimenti di laboratorio sono spesso impiegati per caratterizzare le proprietà degli idrati e l’influenza di inibitori e substrati⁴. Questi esperimenti di laboratorio vengono eseguiti coltivando idrato di gas a pressione elevata in celle di varie forme e dimensioni. Gli sforzi per prevenire la formazione di idrati di gas nei gasdotti hanno portato alla scoperta di diversi inibitori chimici e biologici degli idrati di gas, tra cui proteine antigelo (AFP), tensioattivi, amminoacidi e polivinilpirrolidone (PVP)^5,6. Per determinare gli effetti di questi composti sulle proprietà dell’idrato di gas, questi esperimenti hanno impiegato diversi progetti di vasi, tra cui autoclavi, cristallizzatori, reattori agitati e celle a dondolo, che supportano volumi da 0,2 a^{10 6} centimetri cubici⁴.

Il metodo delle goccioline sessili utilizzato qui e in studi precedenti^7,8,9^,10,11,12 comporta la formazione di un film di idrato di gas su una goccia sessile di acqua all’interno di una cella di pressione. Questi recipienti sono realizzati in acciaio inossidabile e zaffiro per adattarsi a pressioni fino a 10-20 MPa. La cella è collegata a una bombola di gas metano. Due di questi studi hanno utilizzato il metodo delle goccioline per testare gli AFP come inibitori degli idrati di gas rispetto agli inibitori cinetici commerciali degli idrati (KHI), come PVP^7,11. Bruusgard et al.⁷ si sono concentrati sull’influenza morfologica degli inibitori e hanno scoperto che le goccioline contenenti AFP di tipo I hanno una superficie più liscia e vetrosa rispetto alla superficie delle goccioline dendritiche senza inibitori ad alte forze motrici.

Udegbunam et al.¹¹ hanno utilizzato un metodo sviluppato per valutare i KHI in un precedente studio^10,che consente l’analisi della morfologia / meccanismi di crescita, della temperatura / pressione di equilibrio idrato-liquido-vapore e della cinetica in funzione della temperatura. Jung et al. hanno studiato la sostituzione di CH₄-CO₂ inondando la cellula con CO₂ dopo aver formato un guscio idrato CH₄ ⁸. Chen et al. hanno osservato ostwald maturare mentre il guscio idrato si forma⁹. Espinoza et al. hanno studiato i gusci idrati di CO₂ su vari substrati minerali¹². Il metodo delle goccioline è un metodo relativamente semplice ed economico per determinare l’effetto morfologico di vari composti e substrati sugli idrati di gas e richiede piccole quantità di additivi a causa del piccolo volume. Questo documento descrive un metodo per formare tali gusci idrati su una goccia d’acqua utilizzando una cella in acciaio inossidabile con una finestra di zaffiro per la visualizzazione, valutata fino a 10 MPa di pressione di esercizio.