Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Кристаллизация гидрата метана на каплях воды

Published: May 26, 2021 doi: 10.3791/62686
Automatic Translation
1, 2, 2, 2, 1
1Earth and Atmospheric Sciences, Georgia Institute of Technology, 2Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology

Summary

Описан способ образования газового гидрата на каплях воды для изучения влияния различных ингибиторов, промоторов и субстратов на морфологию кристаллов гидрата.

Abstract

В данной работе описан способ образования оболочек гидрата метана на каплях воды. Кроме того, он предоставляет чертежи для ячейки давления, рассчитанной на рабочее давление 10 МПа, содержащую ступень для сидячих капель, сапфировое окно для визуализации и преобразователи температуры и давления. Напорный насос, подключенный к метановой газовой баллоне, используется для создания давления в ячейке до 5 МПа. Система охлаждения представляет собой резервуар объемом 10 галлонов (37,85 л), содержащий 50% раствор этанола, охлаждаемый с помощью этиленгликоля через медные катушки. Эта установка позволяет наблюдать за изменением температуры, связанным с образованием и диссоциацией гидратов во время охлаждения и разгерметизации, соответственно, а также визуализировать и фотографировать морфологические изменения капли. При этом методе наблюдалось быстрое гидратное образование оболочки при ~-6 °C до -9 °C. Во время разгерметизации наблюдалось падение температуры от 0,2 °C до 0,5 °C на кривой стабильности давления/температуры (P/T) из-за диссоциации экзотермических гидратов, подтвержденное визуальным наблюдением за плавлением в начале перепада температур. «Эффект памяти» наблюдался после репрессуризации до 5 МПа с 2 МПа. Эта экспериментальная конструкция позволяет контролировать давление, температуру и морфологию капли с течением времени, что делает его подходящим методом для тестирования различных добавок и субстратов на гидратную морфологию.

Introduction

Газовые гидраты представляют собой клетки водородно-связанных молекул воды, которые захватывают молекулы гостевого газа посредством взаимодействий Ван-дер-Ваальса. Гидраты метана образуются в условиях высокого давления и низкой температуры, которые встречаются в природе в подповерхностных отложениях вдоль континентальных окраин, под арктической вечной мерзлотой и на других планетарных телах Солнечной системы1. Газовые гидраты хранят несколько тысяч гигатонн углерода, что имеет важное значение для климата и энергетики2. Газовые гидраты также могут быть опасными в газовой промышленности, потому что в газопроводах возникают благоприятные условия для гидратов, которые могут засорять трубы, что приводит к смертельным взрывам и разливам нефти3.

Из-за сложности изучения газовых гидратов in situчасто используются лабораторные эксперименты для характеристики гидратных свойств и влияния ингибиторов и субстратов4. Эти лабораторные эксперименты проводятся путем выращивания гидрата газа при повышенном давлении в клетках различных форм и размеров. Усилия по предотвращению образования газовых гидратов в газопроводах привели к открытию нескольких химических и биологических ингибиторов газогидрата, включая белки антифриза (AFP), поверхностно-активные вещества, аминокислоты и поливинилпирролидон (PVP)5,6. Чтобы определить влияние этих соединений на свойства гидрата газа, в этих экспериментах использовались различные конструкции сосудов, включая автоклавы, кристаллизаторы, перемешиваемые реакторы и качающиеся ячейки, которые поддерживают объемы от 0,2 до 10кубических сантиметров4.

Метод сессильной капли, используемый здесь и в предыдущих исследованиях7,8,9,10,11,12, включает образование газогидратной пленки на сессильной капле воды внутри ячейки давления. Эти сосуды изготовлены из нержавеющей стали и сапфира для размещения давления до 10-20 МПа. Ячейка соединена с метановым газовым баллоном. В двух из этих исследований использовался капельный метод для тестирования АФП в качестве ингибиторов газогидрата по сравнению с коммерческими кинетическими ингибиторами гидрата (KHI), такими как PVP7,11. Bruusgard et al.7 сосредоточились на морфологическом влиянии ингибиторов и обнаружили, что капли, содержащие AFP типа I, имеют более гладкую, стекловидную поверхность, чем дендритная поверхность капель без ингибиторов при высоких движущих силах.

Udegbunam et al.11 использовали метод, разработанный для оценки KHIs в предыдущем исследовании10,который позволяет анализировать морфологию / механизмы роста, равновесную температуру / давление гидрат-жидкость-пар и кинетику в функции температуры. Jung et al. изучали замену CH4-CO2 путем затопления клетки CO2 после формирования гидратной оболочкиCH4 8. Chen et al. наблюдали созревание Оствальда по мере того, как гидратная оболочка образует9. Espinoza et al. изучали гидратные оболочкиCO2 на различных минеральных субстратах12. Капельный метод является относительно простым и дешевым методом определения морфологического действия различных соединений и субстратов на газовые гидраты и требует небольшого количества добавок из-за небольшого объема. В данной работе описан способ формирования таких гидратных оболочек на капле воды с использованием ячейки из нержавеющей стали с сапфировым окном для визуализации, рассчитанной на рабочее давление до 10 МПа.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Проектирование, проверка и механическая машина напорной ячейки.

  1. Спроектируйте клетку, чтобы обеспечить прямую визуализацию образования гидрата из капли воды. Убедитесь, что ячейка имеет основную камеру с просвечим сапфировым окном и четырьмя портами для ввода жидкости / газа, выхода, света и проводов(рисунок 1). Создание окончательного проекта в программном обеспечении инженерного проектирования(Дополнительный рисунок S1).
  2. Чтобы проверить, что ячейка давления безопасна при рабочем высоком давлении, проведите анализ конечных элементов с использованием программного обеспечения для моделирования.
    1. Введите полноразмерную модель ячейки давления из программного обеспечения для инженерного проектирования в программное обеспечение для моделирования.
    2. Назначьте модуль Юнга 400 ГПа и коэффициент Пуассона 0,29 к сапфировой окну.
    3. Для всех деталей из нержавеющей стали назначьте нержавеющую сталь 316 с модулем Юнга 190 ГПа и коэффициентом Пуассона 0,27.
    4. Пошагово применяйте давление воздуха от 0 до 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9 и 10 МПа на внутреннюю часть ячейки(Дополнительное видео S1 и Дополнительное видео S2). Рассматривайте каждый шаг загрузки как статическую задачу, игнорируя зависящие от времени термины в управляющих уравнениях и рассматривая только упругую деформацию во время надавливания.
    5. Используйте решатель прямых линейных уравнений в программном обеспечении для моделирования для расчета распределения напряжений и деформации ячейки при различных условиях давления(Дополнительная таблица S1 и Дополнительная таблица S2).
  3. После того, как конструкция ячейки давления будет проверена на безопасность, обработать все детали на основе программного обеспечения для инженерного проектирования.

2. Соберите ячейку давления(рисунок 1).

  1. Вкрутите четыре резьбы National Pipe Tapered (NPT) в соответствующие порты на напорной ячейке с помощью ленты сантехника.
  2. Соберите порт освещения, используя чертеж(дополнительный рисунок S1,части C, D и E) и подключите к верхнему левому винту NPT.
  3. Подключите датчик давления к верхнему порту NPT с помощью фитинга тройника и соединительного разъема.
  4. Подключите впускной игольчатый клапан в левом боковом винте NPT с помощью соединительной арматуры.
  5. Установите разъем уплотнения давления в правый боковой порт напорной ячейки. Вставьте три провода термопары типа K через разъем уплотнения давления с 3-дюймовым провисание внутри ячейки и 3-дюймовым провисателем снаружи ячейки.
  6. Отполировать поверхность сцены наждачной наждачной(Дополнительный рисунок S1,часть F).
  7. Вставьте термопары в соответствующие отверстия в сцене так, чтобы наконечники были вровень с верхней частью сцены. Используйте небольшую каплю клея в каждом отверстии, чтобы закрепить термопары на месте и дать им высохнуть.
  8. Подогнать акриловый диск к задней стенке нажимной ячейки для усиления отражения света. Подогнать ступень в ячейку давления.
  9. Установите сапфировое окно.
    1. Нанесите вакуумную смазку на два статических уплотнительных кольца (одно 1" и одно 1-1/5"). Вставить уплотнительными кольцами в пазы вокруг оконного отверстия на нажимной ячейке.
    2. Вставьте сапфировое окно. Накройте сапфировое окно резиновой шайбой 2-1/4" и винтом на шайбе из нержавеющей стали(Дополнительный рисунок S1,часть B) с помощью восьми винтов из нержавеющей стали M8(Рисунок 2C).

3. Соберите оборудование в большой вытяжной капот(рисунок 2).

ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку метан является легковоспламеняющимся газом под давлением, держите все связанные с метаном трубки и сосуды подальше от тепла, искр, открытого пламени и горячих поверхностей. Установите все оборудование в хорошо проветриваемом помещении (например, вытяжной вытяжке). Надевайте защитные очки и лабораторное покрытие перед работой с газом метаном.

  1. Осторожно поднимите напорный насос в вытяжной капот, достаточно большой, чтобы все оборудование можно было вместить(рисунок 2А). Поместите контроллер насоса поверх основания насоса. Подключите контроллер насоса к насосу и подключите его к разветвителю питания.
  2. Запустите медную трубу высокого давления 1/4" от регулятора на баллоне с метановым газом до вытяжного капота рядом с входом насоса давления(рисунок 2A,B).
  3. Поместите регистратор данных рядом с насосом давления и установите ноутбук на регистратор данных(рисунок 2A). Подключите оба разъема к разветвительу питания. Подключите регистратор данных к ноутбуку через USB-накопитель данных.
  4. На ноутбуке установите соответствующее программное обеспечение для управления регистратором данных, камерой и датчиком давления на ячейке давления.
  5. Установите аквариум рядом с регистратором данных и поместите невыщелачивающую прокладку в нижней части аквариума, чтобы ограничить вибрации в ячейке давления(рисунок 2C).
  6. Используя новую медную трубу 1/4 дюйма, дважды обмяните медную трубу в овал, чтобы поместиться в аквариуме, оставив место для ячейки давления, чтобы сидеть внутри(рисунок 2D). Убедитесь, что катушка не блокирует сапфировое окно в ячейке давления. Поднимите ячейку давления в аквариуме, чтобы увидеть сапфировое окно.
  7. Поместите циркуляционый чиллер на пол возле вытяжного шкафа(рисунок 2А). Наполните чиллер 50/50 в/в этиленгликоля/воды.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Поскольку этиленгликоль опасен, используйте соответствующую защитную одежду, включая перчатки, лабораторное пальто и очки при заливке.
  8. Вырежьте две длины пластиковой трубки 3/8" (внутренний диаметр), чтобы соединить входное и выходное отверстие чиллера с концами медной трубы в аквариуме. Убедитесь, что перед резкими изоляция пенопластовых труб будет достаточно слабиной.
  9. Проведите пластиковую трубку через изоляцию пенопластовой трубы.
  10. Подключите изолированную пластиковую трубку от входного и выходного отверстий на циркулирурующую чиллер к концам медной катушки внутри аквариума. Закрепите уплотнения, обернув ленту сантехника вокруг металлических деталей и затянув соединения с помощью зажимов шлангов червячного привода. Включите чиллер и настройте его на циркуляцию на высокой скорости. Убедитесь, что нет утечек.
  11. Нанесите подводный герметик вокруг медной катушки / пластиковых труб внутри аквариума. Дайте герметику отверждиться. Оберните герметик клейкой лентой.
  12. Установка напорных насосных трубок(рисунок 2E).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Всегда затягивайте соединения вручную перед использованием инструментов и никогда не отсоеживайте соединения NPT с помощью ленты сантехника, потому что они не будут хорошо запечатываться.
    1. Установите трубу из нержавеющей стали 1/8" по обе стороны от напорного насоса с помощью фитингов компании, которые поставлялась с насосом, используя ленту сантехника(рисунок 2F).
    2. С помощью трубогиба сгибайте трубу на 1/8 дюйма вперед под углом 90°, примерно на 2 дюйма от насоса, чтобы избежать изгиба при соединении.
    3. С помощью трубогиба согните трубу на 1/8 дюйма вниз под углом 90°, примерно на 2 дюйма от первого изгиба.
    4. Прикрепите адаптер 1/8" к 1/4" адаптеру к трубе 1/8" с обеих сторон(рисунок 2G).
    5. Прикрепите 1/4" трубу к переходному фитингу с обеих сторон.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы прикрепить клапан к боковой части насоса, обрежьте трубку 1/4" таким образом, чтобы прикрепленный клапан расположился рядом с двумя отверстиями для винтов.
    6. Установите игольчатые клапаны 1/4"(рисунок 2H). При прикреплении клапанов к напорному насосу машина со стальной или пластиковой пластиной с двумя отверстиями 1/16" для винтов и одним отверстием 1/2" для крепления между соединениями игольчатого клапана. Вставьте пластину между соединениями клапанов и прикрутите пластину к боковой части насоса.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что стрелки на игольчатых клапанах указывают от высокого давления (внутри напорного насоса) к низкому давлению (снаружи насоса давления).
    7. Подключите один конец 1/4-дюймового плетеного шланга из нержавеющей стали с номинальным давлением к выпускному клапану на напорном насосе, а другой конец к боковому клапану ячейки давления.
    8. Подключите термопары от ячейки давления к каналам регистратора данных с помощью многоканального регистратора данных. Подключите дополнительный провод термопары для измерения температуры раствора резервуара и поместите другой конец в резервуар.
    9. Подключите датчик давления на ячейке давления к ноутбуку.
    10. Установите ячейку давления внутри аквариума, близко к передней части, для более четкого изображения.
  13. Чтобы изолировать аквариум, оберните внешнюю часть аквариума стекловолокном с фольгой, с отверстием / щелью для камеры, чтобы увидеть сапфировое окно ячейки давления. Накройте верхнюю часть аквариума изоляционным материалом, чтобы предотвратить испарение во время экспериментов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Избегайте плотного уплотнения верхней части аквариума, чтобы избежать накопления тепла от источника света.
  14. Чтобы предотвратить конденсацию влажного воздуха на передней части аквариума, запустите пластиковые трубки от ближайшего воздушного клапана к передней части аквариума, куда будет направлена камера, чтобы трубка не была видна на фотографиях.
  15. Установите блок источника света рядом с аквариумом и подключите его к разветвелю питания.
  16. Установите камеру перед аквариумом, объектив которого направлен в сторону сапфирового окна. Подключите камеру к ноутбуку и разветвитель питания.
  17. Поднимите всю электронику с поверхности капота, чтобы предотвратить потенциальную утечку. Дважды проверьте, что питание распределяется по мощности розеток.

4. Протечка -испытание напорной ячейки с водой.

ПРИМЕЧАНИЕ: Для обеспечения надлежащей герметизации всех соединений проверьте на герметичность напорной ячейки с водой в любое время, когда ячейка была вновь собрана, особенно после отсоединения винтов ДНЯО. Это не обязательно после снятия сапфирового окна или верхнего клапана. Вода безопаснее под давлением, чем газ.

  1. Откройте программное обеспечение датчика давления на ноутбуке и начните сбор данных с интервалом сканирования 1 с.
  2. Включите насос давления и контроллер. Нажмите Насос A на контроллер насоса давления, чтобы контролировать давление.
  3. Если в насосе есть давление, уменьшите давление, нажав Refill на контроллере насоса давления, пока впускной и выпускной клапаны насоса все еще закрыты.
  4. Открыв оба клапана напорной ячейки, слегка откройте выпускной клапан насоса на ~1/16 дюйма, чтобы медленно освободить оставшееся давление.
  5. При подключении отсоедините медную трубу 1/4" от впускного клапана на напорном насосе.
  6. Прикрепите гибкую трубку 1/4" к впускному клапану насоса с помощью набора гаек и наконечников. Поместите конец трубки в галлон воды.
  7. Закройте выпускной клапан насоса и откройте впускной клапан насоса.
  8. Нажмите Refill на контроллере насоса давления, чтобы заполнить поршень насоса водой.
  9. Установите ячейку давления в неглубокий пустой контейнер за пределами аквариума.
  10. Выдувайте воздух из ячейки давления до тех пор, пока вода не выйдет из верхнего порта и полностью не заполнит ячейку давления.
    1. Закройте впускной клапан насоса и откройте выпускной клапан насоса.
    2. Убедитесь, что клапаны на напорной ячейке все еще открыты.
    3. Установите максимальный (максимальный) расход на 100 мл/мин: на регуляторе напорного насоса нажмите Пределы; нажмите 3 для максимального расхода; нажмите 1, чтобы установить максимальный расход; перфоратор в 100; Нажмите клавишу ВВОД.
    4. Нажмите клавишу D, чтобы принять доступ к предыдущей странице.
    5. Установите постоянный расход на 100 мл/мин: на контроллере напорного насоса нажмите Const Flow; нажмите A для получения расхода; перфоратор в 100; Нажмите клавишу ВВОД. Нажмите кнопку Выполнить.
    6. Если вода не выходит или если объем в поршне недостаточный, снова заправляйте поршень, закрыв выпускной клапан насоса, открыв впускной клапан насоса с трубкой в воде и нажимая «Пополнить». Затем продувку воздуха, закрыв впускной клапан насоса, открыв выходной клапан насоса, установив скорость потока на 100и нажав Run.
    7. Как только вода выйдет из верхнего порта напорной ячейки, проверьте наличие утечек и затяните любые протекающие соединения. Нажмите кнопку Стоп. Закройте выпускной (верхний) клапан ячейки давления.
  11. Давление в ячейке давления.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Надевайте защитные очки перед надавливанием на напорной ячейки.
    1. Установите максимальный предел расхода на 10 мл/мин для предотвращения быстрого наддувочного давления в ячейке: на контроллере насоса давления нажмите Пределы; нажмите 3 для максимального расхода; нажмите 1, чтобы установить максимальный расход; перфоратор в 10; Нажмите клавишу ВВОД.
    2. Давление в ячейке до 100 кПа: на контроллере напорного насоса нажмите Const Press; нажмите клавишу A; перфоратор в 100; Нажмите клавишу ВВОД. Нажмите кнопку Выполнить.
    3. Проверьте наличие утечек. Если есть утечка, нажмите Stop на контроллере насоса, затяните протекающие компоненты, нажмите Runи повторяйте до тех пор, пока не покинется утечки при 100 кПа. Убедитесь в отсутствии утечек, закрыв выпускной клапан насоса и контролируя давление в ячейке давления в программном обеспечении датчика давления.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если давление постоянно снижается и не является нормальным колебанием из-за изменения комнатной температуры, происходит утечка.
    4. Увеличивайте давление с шагом 50 кПа со 100 кПа до 500 кПа, затем с шагом 100 кПа с 500 кПа до 1000 кПа и, наконец, с шагом ~1000 кПа с 1000 кПа до ~1000 кПа. Для этого измените настройку Const Press, как и раньше. Между настройками давления закройте выпускной клапан насоса и контролируйте давление в ячейке, как и раньше, чтобы убедиться, что давление постоянное. Если давление падает, тщательно затяните протекающие компоненты.
  12. Достигнув 10 000 кПа, закройте выпускной клапан насоса и посмотрите, насколько хорошо ячейка давления удерживает давление в соответствии с датчиком давления. Поскольку постоянное падение давления указывает на утечку, затягивайте соединения при более низком давлении, ~1000 кПа.
  13. Для разгерметизации откройте выпускной клапан насоса и установите давление на 100 кПа. Как только давление стабилизируется, слегка откройте выпускной клапан ячейки давления.
  14. Чтобы удалить воду из напорного насоса, закройте впускной клапан насоса, измените настройки максимального расхода и const Flow на 100 мл/мини нажмите кнопку Run до тех пор, пока насос не опустеет.
  15. Отсоедините гибкую трубку 1/4" от входного входа насоса. Отсоедините плетеный шланг из нержавеющей стали от напорной ячейки. Откройте оба клапана и слейте воду. Снимите сапфировое окно, чтобы ячейка полностью высохла.

5. На поверхности капель образуется оболочка гидрата метана.

  1. Подготовьте оборудование.
    1. Подключите регулятор метанового цилиндра к насосу с помощью медной трубы 1/4 дюйма с помощью нового набора гаек и наконечников. Убедитесь, что газовый баллон закрыт.
    2. Практикуйте технику введения капель.
      1. Приклейте гибкий наконечник, такой как трубка IV, разрезанный под углом к концу канюли, чтобы помочь направить каплю к сапфировой окну. Прикрепите шприц объемом 1 мл к канюле и втяните нужный объем деионизированной воды (~50-300 мкл). Без прикрепленного игольчатого клапана или сапфирового окна вставьте конец канюли в верхний порт и потренируйтесь выталкивать каплю на центральную сцену. После отработки введения капель удалите каплю и высушите стадию.
        ПРИМЕЧАНИЕ: В этом протоколе в шприц брали 250 мкл деионизированной воды.
    3. Прикрепите сапфировое окно и шайбы с помощью винтов M8. Подключите плетеный шланг из нержавеющей стали от напорного насоса к напорной ячейке и дважды проверьте, что все соединения от газового баллона к напорной ячейке гермеи. Откройте впускной клапан напорной ячейки (боковой клапан) и установите ячейку давления в аквариуме. Вставьте оптоволоконный кабель источника света в порт освещения напорной ячейки.
    4. Добавьте 50/50 этанола/воды (v/v) в аквариум до тех пор, пока он не выровняется с верхней частью напорной ячейки, чуть ниже соединения источника света. Убедитесь, что поток вытяжки включен. Когда уровень раствора упадет до будущих испытаний в последующие недели, добавьте больше этанола. Заменяйте раствор ежемесячно.
    5. Установите чиллер на температуру, которая достигнет от ~0 °C до 3 °C внутри ячейки (~-4 °C) и начните циркулировать через катушки. Включите воздушный поток к передней части аквариума, чтобы предотвратить конденсацию на поверхности аквариума.
    6. Запустите журнал температуры в программном обеспечении регистратора данных. Установите интервал сканирования равным 30 с. Подождите, пока температура внутри ячейки давления не стабилизируется при 2 °C (~6-24 ч).
  2. Добавьте каплю воды в ячейку давления с помощью вида камеры на ноутбуке.
    1. Включите источник света до ~80%. Откройте программное обеспечение камеры. В режиме реального времени сфокусировать объектив камеры на внутренней камере ячейки. Отрегулируйте источник света для получения наилучшего изображения.
    2. Запустите новый журнал температуры с интервалом сканирования 1 с.
    3. Если он прикреплен, отсоедините выпускной игольчатый клапан в верхнем порту напорной ячейки. Прикрепите шприц объемом 1 мл к канюле и втяните нужный объем деионизированной воды (~50-300 мкл).
      ПРИМЕЧАНИЕ: В этом протоколе в шприц втягивалось 250 мкл деионизированной воды.
    4. Вставьте канюлю через верхний порт, пока наконечник не будет виден в программном обеспечении камеры в режиме Live View. Выталкиваем каплю жидкости из шприца над центральной термопарой. Повторно подключите игольчатый клапан.
  3. Сфокусировать камеру на капле в ячейке давления. Начинайте покадровую съемку каждые ~60 с.
  4. Откройте программное обеспечение датчика давления на ноутбуке и начните сбор данных на графике и в журнале данных с интервалом сканирования 1 с (таким же, как интервал сканирования температуры). Подождите, пока температура капель не стабилизируется в диапазоне 0-3 °C.
  5. Давление в ячейке давления до нужного давления.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Надевайте защитные очки перед надавливанием на ячейку.
    1. Включите насос и контроллер. Закройте впускной клапан напорного насоса.
    2. Откройте выпускной клапан насоса и клапаны напорной ячейки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Впускной клапан ячейки давления всегда должен быть открыт.
    3. Подожмите давление насоса, нажав Zero на контроллер насоса давления. Выберите Насос A на контроллере насоса давления, чтобы контролировать давление.
    4. Убедитесь, что напорный насос пуст, если в насосе присутствовала другая жидкость, кроме газа метана. Для этого задав значение максимального расхода и const Flow на 100 мл/мин и нажав кнопку Run. Оставьте его работающим до тех пор, пока насос не опустеет. Закройте выпускной клапан насоса и откройте впускной клапан насоса.
    5. Откройте газовый баллон и установите регулятор газового баллона на 1000 кПа.
    6. Нажмите «Пополнить» на контроллере насоса давления. Когда насос заполняется и приближается к 1000 кПа, закройте впускной клапан насоса и газовый баллон.
    7. Слегка приоткрытый (~1/16" оборот) выпускной клапан насоса к ячейке. Контролируйте давление в ячейке давления в программном обеспечении датчика давления, так как давление может снизиться из-за относительно более низкой температуры в ячейке давления.
    8. Установите максимальный расход на 10 мл/мин:на контроллере насоса давления нажмите Пределы; нажмите 3 для максимального расхода; нажмите 1, чтобы установить максимальный расход; перфоратор в 10; Нажмите клавишу ВВОД.
    9. Установите максимальное давление на 5 000 кПа:на контроллере насоса давления нажмите Пределы; нажмите 1; перфоратор в 5000; Нажмите клавишу ВВОД.
    10. Установите постоянное давление на 1 000 кПа:на контроллере насоса давления нажмите Const Press; нажмите клавишу A; перфоратор в 1000; Нажмите клавишу ВВОД. Нажмите кнопку Выполнить.
    11. Когда будет достигнуто 1 000 кПа, нажмите «Стоп» на контроллере насоса и закройте выпускной клапан насоса. Контролируйте давление в ячейке давления, чтобы убедиться в отсутствии утечек. Если давление падает, используйте течеискатель жидкости, чтобы найти утечку в соединениях и тщательно затянуть протекающие компоненты.
    12. Если ячейка стабильна, откройте выходное отверстие насоса и установите Const Press на 2 000 кПа. Нажмите Стоп и монитор. Если он стабилен при 2 000 кПа, установите const Press значение 3 000 кПа. Нажмите Стоп и монитор. Если он стабилен на уровне 3 000 кПа, установите значение Const Press на 4 000 кПа. Нажмите Стоп и монитор. Если он стабилен на уровне 4 000 кПа, установите const Press значение 5 000 кПа. Нажмите Стоп и монитор.
    13. Если давление стабильное, закройте выходное отверстие насоса.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если объем насоса иссяк, закройте выходное отверстие насоса и слегка приоткройте вход насоса. Медленно откройте газовый баллон и установите газовый регулятор на 1000 кПа. Нажмите «Пополнить» на контроллере насоса. Когда насос будет заправлен, закройте газовый баллон и впускное отверстие насоса. Давление в насосе соответствует давлению в ячейке давления.
    14. Подождите ~ 12-24 ч, пока газ пронимет каплю.
  6. Зародышите гидратную оболочку с помощью сухого льда.
    1. Переключайте покадровую съемку, чтобы делать снимки каждые 2-5 с.
    2. Добавьте сухой лед в верхнюю часть клетки, пока гидратная оболочка не будет видна в замедленной съемке. Если сухой лед скользит, прикрепите ленту вокруг верхней части ячейки.
  7. Наблюдайте за ходом образования гидрата метана с помощью покадровых фотографий в течение ~2-6 ч.
  8. Разгерметизируйте ячейку до 2000 кПа, открыв выходное отверстие насоса и установив Const Press на 2000 кПа. Обратите внимание, когда происходит плавление.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Пузырьки в капле может произойти из-за выхода растворенного газа.
  9. Через ~ 30 мин репрессуйте ячейку давления до 5000 кПа, чтобы наблюдать эффект памяти. Обратите внимание, когда гидратная оболочка начинает реформироваться. Дайте оболочке сформироваться в течение ~30 мин до 2 ч.
  10. Разгерметизируйте ячейку, открыв выходное отверстие насоса и установив Const Press на 0 кПа. Если в ячейке давления есть остаточное давление, слегка откройте верхний клапан ячейки давления на ~1/16".
  11. Сохраняйте данные о давлении и температуре в виде .csv файлов.
  12. Удалите каплю, удалив верхний клапан ячейки давления, как и раньше, и извлеките каплю с помощью шприца / канюли / внутривенной трубки. Если есть опасения по поводу загрязнения между испытаниями, снимите сапфировое окно и продезинфицируйте сцену и замените вакуумную смазку. Используйте присосу, чтобы удалить сапфировое окно, как только ячейка давления нагреется до комнатной температуры.

6. Проанализируйте данные.

  1. Откройте файлы .csv температуры и давления.
  2. Создать новую электронную таблицу. Скопируйте столбцы времени и давления из .csv давления, а также время и температуру из файла температуры .csv в новую электронную таблицу.
  3. Сделайте точечный график со временем по оси X и двумя осями Y с температурой и давлением(Дополнительный рисунок S2).
  4. Сделайте еще две колонки для кривой устойчивости гидрата. В первой колонке введите температуры от 273,15 К до ~279,15 К с интервалом 0,1 К. Во втором столбце рассчитайте давление, используя формулу (1) из Sloan & Koh13.
    P [кПа] = exp(a+b/T [K]), где a = 38,98 и b = -8533,80 (1)
  5. Сделайте диаграмму рассеяния границы устойчивости гидрата с температурой (K) по оси x и давлением (kPa) по оси Y. Добавить второй ряд на точечном графике с экспериментальной температурой и давлением на осях x и y соответственно(рисунок 4).
  6. Обратите внимание на графики, где гидратная оболочка стала видимой, согласно покадровой визуализации.

7. Техническое обслуживание оборудования.

  1. Перед каждым испытанием заправляйте раствор в резервуаре этанолом, чтобы заменить испарившуюся этанол. Полностью заменяйте раствор в баке ежемесячно.
  2. Меняйте уплотнительным кольцам и резиновой шайбе каждые 2 месяца регулярного использования.
  3. Замените портовые соединения, если происходит постоянная утечка, которая не фиксируется затягивания.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

С помощью этого метода оболочка газогидрата на капле может контролироваться визуально через сапфировое окно ячейки давления и с помощью датчиков температуры и давления. Для нуклеации гидратной оболочки после давления до 5 МПа сухой лед может быть добавлен в верхнюю часть ячейки давления, чтобы вызвать тепловой удар, чтобы вызвать быструю кристаллизацию гидрата. Существует явная морфологическая разница при образовании гидратной оболочки сухим льдом. Капля воды переходила от гладкой, отражающей поверхности(рисунок 3А)к непрозрачной гидратной оболочке со слегка дендритной поверхностью(рисунок 3В). Добавление 100 мкг мл-1 типа I АФП изменяло морфологию гидрата, индуцируя ребристые края вдоль капли и выступы из верхней части капли(рисунок 3C,D).

После того, как гидратная оболочка развивалась в течение ~1 ч, клетку разгерметизировали до 2 МПа(Supplemental Video S3). Во время разгерметизации наблюдалось падение температуры от 0,2 °C до 0,5 °C вблизи кривой стабильности P/T13 (рисунок 4)из-за диссоциации экзотермического гидрата. Диссоциация гидратов была подтверждена визуальным расплавлением с помощью покадровой визуализации в начале снижения температуры, отмеченного звездами на рисунке 4. После полной диссоциации гидрата мы репрессурируем клетку для наблюдения за морфологией и температурой плавления с «эффектом памяти»14,явлением, при котором гидрат образуется быстрее после того, как гидрат уже сформировался в системе (Supplemental Video S4). При повторном надавливании гидратная оболочка реформировалась в течение нескольких минут после достижения 5 МПа, и мы наблюдали такое же снижение температуры на кривой стабильности во время диссоциации.

Отрицательные контрольные испытания без капель и с капелькой, не образующие гидратной оболочки(Рисунок 4,Испытания 4 и 5), не показали снижения температуры во время разгерметизации. При разгерметизации ниже 2 МПа мы наблюдали пузырьки газа внутри капли от быстрой дегазации. Поскольку вершина каждого снижения температуры была выше ранее установленной кривой стабильности P/T13 (кривая гидратной стабильности #1 на рисунке 4),кривая регрессии была рассчитана на основе вершины P/T этих испытаний (P [kPa] = EXP(38,98+-8533,8/T [K]), кривая гидратной стабильности No 2 на рисунке 4).

Figure 1
Рисунок 1:Ячейка давления. Сцена, на которой находится капля, и встроенные термопары раскрываются путем удаления сапфирового окна и вышележащих резиновых и стальных шайб. Все детали и соединения маркированы. Верхняя левая вставка:сцена, показанная сверху со встроенными термопарами центральной и боковой ступеней. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 2
Рисунок 2:Экспериментальная установка гидрата метана. (A) Вытяжной капюшон, в котором расположена экспериментальная установка. (B) Газовый баллон соединен через медную катушку с напорным насосом. На панели(A)выделены(C)собранная ячейка давления,(D)10-галлонный (37,85 л) резервуар без изоляции или раствора,(E)напорный насос и(F, G, H)увеличенные изображения соединений насоса давления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 3
Рисунок 3:Оболочки гидрата метана. Репрезентативные изображения капли до(A)и после(B)оболочки гидрата метана, образованной на деионизированной капле воды, и до(C)и после(D)гидратной оболочки, образованной на капле, содержащей 100 мкгмл-1 белка антифриза типа I. Шкала = 5 мм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Figure 4
Рисунок 4:Диаграмма стабильности давления и температуры. Данные о давлении и температуре во время разгерметизации показаны с помощью кривых стабильности P/T гидрата метана (No 1 из Sloan and Koh 200713 и No 2, рассчитанных на основе взятия кривой регрессии из пиков плавления гидратов из этого исследования). Испытаниями с успешно сформированными гидратными оболочками на каплях воды DI являются испытания 1, 2 и 3. Испытание 4 было отрицательным контролем без капель на сцене. Капля в исследовании 5 была еще одним отрицательным контролем, в котором не образовалась гидратная оболочка. Звезды указывают, когда началось плавление визуальных гидратов во время разгерметизации. Испытание 1 имеет разрешение 30 с (точка данных каждые 30 с); другие судебные процессы имеют разрешение 1 с. Сокращения: T = судебное разбирательство; M.E. = эффект памяти; P/T = давление-температура; DI = деионизированный; res = разрешение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Дополнительный рисунок S1: Изображения САПР для обработки напорной ячейки. Части A-F напорной ячейки маркируются буквой и размерами. Аббревиатура: CAD = автоматизированное проектирование. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительный рисунок S2: Данные о давлении и температуре с течением времени для испытаний 2-4. Испытания 2 и 3 представляли обычные деионизированные капли воды, которые образовывали гидратные оболочки. Испытание 4 было отрицательным контролем, в котором не было капель. Испытания выстраиваются в линию при первой разгерметизации, которая происходит в нулевое время. Небольшое падение температуры происходит в начале разгерметизации из-за смешивания газа с напорным насосом. Большее падение температуры происходит из-за плавления гидрата после первоначального падения давления, как показано в испытаниях 2 и 3. Колебания температуры в конце испытания 4 обусловлены открытием клапана, приводящим к полной разгерметизации, которая также происходит в конце испытаний 2 и 3. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Дополнительная таблица S1: Допустимое напряжение (МПа) обработанной ячейки давления. Аббревиатура: FS = коэффициент безопасности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Дополнительная таблица S2: Коэффициент безопасности для обработанной ячейки давления. Аббревиатура: FS = коэффициент безопасности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.

Дополнительное видео S1: Штамм. Видео моделирования деформации на обработанной ячейке давления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.

Дополнительное видео S2: Стресс. Видео моделирования напряжений на обработанной ячейке давления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.

Дополнительное видео S3: Испытание 3 диссоциации гидратной оболочки. Покадровое видео диссоциации гидратной оболочки на скорости 25x. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.

Дополнительное видео S4: Испытание 3 нуклеации эффекта памяти. Покадровое видео формирования гидратной оболочки эффектом памяти после репрессуризации от 2 МПа до 5 МПа на 10-кратной скорости. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить это видео.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Мы разработали метод безопасного формирования оболочек гидрата метана на каплях воды и совместно использовать этот метод для машины и сборки ячейки давления, рассчитанной на рабочее давление 10 МПа, а также для систем герметизации и охлаждения. Напорная ячейка оснащена ступенью для капли, содержащей встроенные термопары, сапфировым окном для визуализации капли и датчиком давления, закрепленным в верхней части ячейки. Система охлаждения включает охлажденный этиленгликоль, циркулирующий через медные катушки в резервуаре с 50% раствором этанола, в который помещена напорная ячейка. Напорный насос сжимает газ из цилиндра в ячейку давления. Гидратная оболочка образуется при быстром снижении температуры с добавлением сухого льда в верхнюю часть ячейки давления. Мы смотрим на формирование оболочки в течение 2 ч, в течение которых, по-моему, газ проникает через стохастическое растрескивание гидратной оболочки, а Оствальд созревает в течение более длительного периода. Действительно, это устройство можно было бы использовать для изучения этих явлений.

Критические шаги для этого протокола включают: 1) испытание на герметичности напорной ячейки с водой перед давлением ее газом, 2) практику добавления капли воды на ступень перед установкой сапфирового окна, 3) охлаждение капли, чтобы она была стабильной при ~ 2 °C перед давлением, 4) давление с максимальной скоростью потока 10 мл мин-1-5 МПа с шагом 1 МПа, 5) закрыть выпускной клапан на напорном насосе (к ячейке), чтобы ограничить газообмен с напорным насосом, 6) установить температуру, давление и программное обеспечение для замедления каждые 1 с, 1 с и 5 с (или менее), соответственно, перед добавлением сухого льда, 7) непрерывно прикладывать сухой лед к верхней части ячейки до тех пор, пока в пока в пока не будет наблюдаться гидратная оболочка, 8) дать гидратной оболочке сформироваться не менее 1 ч, 9) разгерметизироваться с той же скоростью, что и герметизация.

Во время разработки метода мы оптимизировали переменные и методы, включая время охлаждения, герметизации, разгерметизации, размер капель и технику введения капель. Существует несколько ограничений при использовании этого метода. Одним из ограничений является разрешение капельного изображения из-за разрешения камеры и материалов между камерой и каплей (резервуар, раствор этанола, толстое сапфировое окно). Кроме того, в то время как другие исследования наблюдают поверхностную каплю на микромасштабе7,9,10,этот метод позволяет проводить только макромасштабные наблюдения. Крепление для линз микроскопа может быть установлено, если есть интерес к микронаблюдениям.

Другим ограничением этого метода является невозможность точного измерения толщины гидратной оболочки. Однако толщину гидрата можно оценить, вычитая площадь поперечного сечения до и после гидратообразования и вычисляя расход газа с использованием изменения температуры во время разгерметизации для определения объема образующегося гидрата. Другим ограничением является то, что эта капля не может быть просмотрена в 3D, потому что есть только одна сторона ячейки давления, содержащая сапфировое окно. Напротив, в других исследованиях использовались клетки, полностью изготовленные из сапфира, для наблюдения за каплей с нескольких углов7. Мы также не устанавливали10-ю ступень контроля температуры или спектроскопические методы; однако они, безусловно, могут быть установлены с помощью этой установки.

С помощью этого метода морфологию, давление и температуру диссоциации, а также изменение температуры во время диссоциации гидратов можно наблюдать с помощью капель, содержащих добавки или субстраты альтернативной стадии. Этот метод относительно дешев, и существует несколько тщательных протоколов для формирования газогидратных оболочек. Поскольку системы высокого давления могут быть опасными, мы включаем советы по безопасности для испытаний на герметичность и герметичность. Кроме того, многие установки не позволяют визуализировать образование газовых гидратов или делают это в гораздо меньшем или гораздо большем масштабе. Лабораторные эксперименты вносят основной вклад в понимание природных газовых гидратов и гидратов природного газа, которые могут вызвать смертельные взрывы газопроводов. Этот метод может быть использован для быстрой оценки влияния добавок на температуру диссоциации и морфологию и способность добавок устранять эффект памяти. Эффективные добавки могут быть использованы в качестве ингибиторов в газопроводах или для изучения биологической активности глубоководных бактериальных белков6,15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Нет конкурирующих финансовых интересов.

Acknowledgments

Грант NASA Exobiology 80NSSC19K0477 финансировал это исследование. Мы благодарим Уильяма Уэйта и Николаса Эспинозу за ценные обсуждения.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bohrmann, G., Torres, M. E. Gas hydrates in marine sediments. Marine Geochemistry. Schulz, H. D., Zabel, M. , Springer. Heidelberg, Germany. 481-512 (2006).
  2. Ruppel, C. D., Kessler, J. D. The interaction of climate change and methane hydrates. Reviews of Geophysics. 55 (1), 126-168 (2017).
  3. Hammerschmidt, E. G. Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines. Industrial and Engineering Chemistry. 26, 851-855 (1934).
  4. 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).
  5. Kelland, M. A. A review of kinetic hydrate inhibitors from an environmental perspective. Energy & Fuels. 32 (12), 12001-12012 (2018).
  6. Walker, V. K., et al. Antifreeze proteins as gas hydrate inhibitors. Canadian Journal of Chemistry. 93 (8), 839-849 (2015).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Chen, X., Espinoza, D. N. Ostwald ripening changes the pore habit and spatial variability of clathrate hydrate. Fuel. 214, 614-622 (2018).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Sloan, E. D., Koh, C. A. Clathrate Hydrates of Natural Gases. 3rd edn. , CRC Press. (2007).
  14. Makogon, I. F. Hydrates of natural gas. , PennWell Books. Tulsa, Oklahoma, USA. 125 (1981).
  15. 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).

Tags

Науки об окружающей среде Выпуск 171 Метан гидрат капли высокое давление добавки ингибиторы границы стабильности
Кристаллизация гидрата метана на каплях воды
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Johnson, A. M., Zhao, Y., Kim, J.,… More

Johnson, A. M., Zhao, Y., Kim, J., Dai, S., Glass, J. B. Methane Hydrate Crystallization on Sessile Water Droplets. J. Vis. Exp. (171), e62686, doi:10.3791/62686 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter