Cristalización del hidrato de metano en gotas de agua sésil

Los hidratos de gas son jaulas de moléculas de agua unidas al hidrógeno que atrapan moléculas de gas invitadas a través de las interacciones de van der Waals. Los hidratos de metano se forman en condiciones de alta presión y baja temperatura, que ocurren en la naturaleza en el sedimento subsuperficial a lo largo de los márgenes continentales, bajo el permafrost ártico y en otros cuerpos planetarios en el sistema solar¹. Los hidratos de gas almacenan varios miles de gigatoneladas de carbono, con importantes implicaciones para el clima y la energía². Los hidratos de gas también pueden ser peligrosos en la industria del gas natural porque las condiciones favorables para los hidratos ocurren en los gasoductos, que pueden obstruir las tuberías que conducen a explosiones fatales y derrames de petróleo³.

Debido a la dificultad de estudiar los hidratos de gas in situ,a menudo se emplean experimentos de laboratorio para caracterizar las propiedades de los hidratos y la influencia de los inhibidores y sustratos⁴. Estos experimentos de laboratorio se realizan mediante el cultivo de hidrato de gas a presión elevada en células de diversas formas y tamaños. Los esfuerzos para prevenir la formación de hidratos de gas en los gasoductos han llevado al descubrimiento de varios inhibidores químicos y biológicos de los hidratos de gas, incluidas las proteínas anticongelantes (AFP), surfactantes, aminoácidos y polivinilpirrolidona (PVP)^5,6. Para determinar los efectos de estos compuestos en las propiedades de los hidratos de gas, estos experimentos han empleado diversos diseños de recipientes, incluidos autoclaves, cristalizadores, reactores agitados y células mecedoras, que soportan volúmenes de 0,2 a 10⁶ centímetros cúbicos⁴.

El método de gotas sésiles utilizado aquí y en estudios anteriores^{7,8,9,10,11,12} consiste en formar una película de hidrato de gas en una gota sésil de agua dentro de una celda de presión. Estos recipientes están hechos de acero inoxidable y zafiro para acomodar presiones de hasta 10-20 MPa. La celda está conectada a un cilindro de gas metano. Dos de estos estudios utilizaron el método de gotas para probar las AFP como inhibidores del hidrato de gas en comparación con los inhibidores comerciales del hidrato cinético (KHIs), como la PVP^7,11. Bruusgard et al.⁷ se centraron en la influencia morfológica de los inhibidores y encontraron que las gotas que contienen AFP de tipo I tienen una superficie más lisa y vítrea que la superficie de gotas dendríticas sin inhibidores a altas fuerzas motrices.

Udegbunam et al.¹¹ utilizaron un método desarrollado para evaluar los KHIs en un estudio previo^10,que permite el análisis de los mecanismos de morfología/crecimiento, la temperatura/presión del equilibrio hidrato-líquido-vapor y la cinética en función de la temperatura. Jung et al. estudiaron el reemplazo de CH_4-CO2 inundando la célula con CO₂ después de formar una cáscara de hidrato CH₄ ⁸. Chen et al. observaron la maduración de Ostwald a medida que la cáscara hidratada se forma⁹. Espinoza et al. estudiaron conchas de hidratos de CO₂ sobre diversos sustratos minerales¹². El método de gotas es un método relativamente simple y barato para determinar el efecto morfológico de varios compuestos y sustratos sobre los hidratos de gas y requiere pequeñas cantidades de aditivos debido al pequeño volumen. Este documento describe un método para formar tales conchas de hidrato en una gota de agua utilizando una celda de acero inoxidable con una ventana de zafiro para la visualización, con una presión de trabajo de hasta 10 MPa.