Waiting
Login processing...

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

Environment

تبلور هيدرات الميثان على قطرات الماء Sessile

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

نحن نصف طريقة لتشكيل هيدرات الغاز على قطرات الماء sessile لدراسة آثار مثبطات مختلفة، والمروجين، والركائز على مورفولوجيا الكريستال هيدرات.

Abstract

تصف هذه الورقة طريقة لتشكيل قذائف هيدرات الميثان على قطرات الماء. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يوفر مخططات لخلية ضغط مصنفة إلى ضغط عمل 10 MPa ، تحتوي على مرحلة لقطرات sessile ، ونافذة ياقوتية للتصور ، ومحولات درجة الحرارة والضغط. يتم استخدام مضخة ضغط متصلة باسطوانة غاز الميثان للضغط على الخلية إلى 5 MPa. نظام التبريد هو خزان سعة 10 جالونات (37.85 لتر) يحتوي على محلول إيثانول بنسبة 50٪ يتم تبريده عبر جلايكول الإيثيلين من خلال لفائف النحاس. يتيح هذا الإعداد ملاحظة التغير في درجة الحرارة المرتبط بتكوين هيدرات وتفكك أثناء التبريد والاكتئاب ، على التوالي ، بالإضافة إلى التصور والتصوير الفوتوغرافي للتغيرات المورفولوجية للقطرات. مع هذه الطريقة، لوحظ تشكيل قذيفة هيدرات سريعة في ~ -6 درجة مئوية إلى -9 درجة مئوية. أثناء الاكتئاب، لوحظ انخفاض في درجة الحرارة من 0.2 درجة مئوية إلى 0.5 درجة مئوية عند منحنى استقرار الضغط/درجة الحرارة (P/T) بسبب تفكك الهيدرات الطاردة للحرارة، وهو ما أكدته الملاحظة البصرية للذوبان في بداية انخفاض درجة الحرارة. لوحظ "تأثير الذاكرة" بعد قمع إلى 5 MPa من 2 MPa. يسمح هذا التصميم التجريبي بمراقبة الضغط ودرجة الحرارة ومورفولوجيا القطيرات بمرور الوقت ، مما يجعل هذه طريقة مناسبة لاختبار الإضافات والركائز المختلفة على مورفولوجيا الهيدرات.

Introduction

هيدرات الغاز هي أقفاص من جزيئات الماء المستعبدين بالهيدروجين التي تحبس جزيئات غاز الضيوف عبر تفاعلات فان دير وال. تتشكل هيدرات الميثان تحت ظروف الضغط العالي ودرجة الحرارة المنخفضة، والتي تحدث في الطبيعة في الرواسب تحت سطح الأرض على طول الهوامش القارية، تحت الجليد الدائم في القطب الشمالي، وعلى أجسام الكواكب الأخرى في النظام الشمسي1. هيدرات الغاز تخزين عدة آلاف جيجاطن من الكربون، مع آثار هامة على المناخ والطاقة2. كما يمكن أن تكون هيدرات الغاز خطرة في صناعة الغاز الطبيعي لأن الظروف المواتية للهيدرات تحدث في خطوط أنابيب الغاز، والتي يمكن أن تسد الأنابيب مما يؤدي إلى انفجارات قاتلة وانسكابات نفطية3.

نظرا لصعوبة دراسة هيدرات الغاز في الموقع، غالبا ما تستخدم التجارب المختبرية لتوصيف خصائص الهيدرات وتأثير المثبطات والركائز4. يتم إجراء هذه التجارب المختبرية عن طريق زراعة هيدرات الغاز عند الضغط المرتفع في خلايا من مختلف الأشكال والأحجام. أدت الجهود المبذولة لمنع تكوين هيدرات الغاز في خطوط أنابيب الغاز إلى اكتشاف العديد من مثبطات هيدرات الغاز الكيميائية والبيولوجية ، بما في ذلك البروتينات المضادة للتجمد (AFPs) ، والمواد الخافضة للجسم ، والأحماض الأمينية ، والبولي فينيلبيروليدون (PVP)5،6. لتحديد آثار هذه المركبات على خصائص هيدرات الغاز، استخدمت هذه التجارب تصاميم السفن المتنوعة، بما في ذلك الأوتوكلاف، والبلورات، والمفاعلات التي أثارت، والخلايا الهزازة، والتي تدعم أحجام من 0.2 إلى 106 سنتيمتر مكعب4.

طريقة القطيرات sessile المستخدمة هنا وفي الدراسات السابقة7،8،9،10،11،12 ينطوي على تشكيل فيلم هيدرات الغاز على قطرة من الماء داخل خلية الضغط. هذه السفن مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ والياقوت لاستيعاب الضغوط تصل إلى 10-20 MPa. الخلية متصلة باسطوانة غاز الميثان. استخدمت اثنتان من هذه الدراسات طريقة القطيرات لاختبار AFPs كمثبطات هيدرات غاز مقارنة بمثبطات الهيدرات الحركية التجارية (KHIs) ، مثل PVP7،11. ركز بروسغارد وآخرون7 على التأثير المورفولوجي للمثبطات ووجدوا أن القطرات التي تحتوي على النوع الأول من AFPs لها سطح زجاجي أكثر سلاسة من سطح القطيرات التغصنية دون مثبطات في القوى الدافعة العالية.

استخدم Udegbunam وآخرون11 طريقة تم تطويرها لتقييم KHIs في دراسة سابقة10، والتي تسمح بتحليل آليات المورفولوجيا / النمو ، ودرجة حرارة / ضغط توازن هيدرات السائل والبخار ، والحركية كدالة لدرجة الحرارة. درس جونغ وآخرون CH4-CO2 استبدال عن طريق إغراق الخلية مع CO2 بعد تشكيل CH4 هيدرات قذيفة8. لاحظ تشن وآخرون أن أوستوالد ينضج مع تشكل قشرة هيدرات9. درس إسبينوزا وآخرون قذائف هيدرات CO2 على ركائز معدنية مختلفة12. طريقة القطيرات هي طريقة بسيطة ورخيصة نسبيا لتحديد التأثير المورفولوجي لمختلف المركبات والركائز على هيدرات الغاز وتتطلب كميات صغيرة من الإضافات بسبب الحجم الصغير. تصف هذه الورقة طريقة لتشكيل مثل هذه الأصداف المائية على قطرة ماء باستخدام خلية من الفولاذ المقاوم للصدأ مع نافذة ياقوتية للتصور ، تم تصنيفها حتى 10 ضغط عمل MPa.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. تصميم، والتحقق من صحة، وآلة خلية الضغط.

  1. تصميم الخلية للسماح التصور المباشر لتشكيل هيدرات من قطرة الماء. تأكد من أن الخلية لديها غرفة رئيسية مع نافذة الياقوت انظر من خلال وأربعة منافذ لمدخل السوائل / الغاز، منفذ، والضوء، والأسلاك (الشكل 1). إنشاء التصميم النهائي في تصميم البرمجيات الهندسية (الشكل التكميلي S1).
  2. للتحقق من أن خلية الضغط آمنة تحت ضغط عال العمل، إجراء تحليل عنصر محدود باستخدام برامج المحاكاة.
    1. إدخال نموذج خلية الضغط بالحجم الكامل من برنامج التصميم الهندسي في برنامج المحاكاة.
    2. تعيين معامل يونغ من 400 GPa ونسبة بواسون من 0.29 إلى نافذة الياقوت.
    3. لجميع أجزاء الفولاذ المقاوم للصدأ، تعيين الفولاذ المقاوم للصدأ 316 مع معامل يونغ من 190 GPa ونسبة بواسون من 0.27.
    4. في خطوة بخطوة، وتطبيق 0 إلى 1، 2، 3، 4 5، 6، 7، 8، 9، و 10 ضغط الهواء MPa إلى داخل الخلية (التكميلية فيديو S1 وفيديو إضافي S2). تعامل مع كل خطوة تحميل كمشكلة ثابتة عن طريق تجاهل المصطلحات المعتمدة على الوقت في المعادلات الحاكمة والنظر فقط في التشوه المرن أثناء الضغط.
    5. استخدام حلال المعادلة الخطية المباشرة في برامج المحاكاة لحساب توزيع الإجهاد وتشوه الخلية تحت ظروف الضغط المختلفة(الجدول التكميلي S1 والجدول التكميلي S2).
  3. بمجرد التحقق من تصميم خلية الضغط لتكون آمنة، وجميع أجزاء تشكيلها على أساس مخطط برنامج التصميم الهندسي.

2. تجميع خلية الضغط (الشكل 1).

  1. المسمار أربعة أنابيب الوطنية مدبب (NPT) المواضيع في الموانئ المعنية على خلية الضغط مع الشريط سباك.
  2. تجميع ميناء الإضاءة باستخدام تصميم مخطط(الشكل التكميلي S1، أجزاء C ، D ، و E) والاتصال المسمار معاهدة عدم الانتشار الأيسر العلوي.
  3. توصيل محول الضغط إلى أعلى ميناء معاهدة عدم الانتشار باستخدام تركيب نقطة الإنطلاق فرع والمنفذ موصل المناسب.
  4. قم بتوصيل صمام إبرة المدخل في الجانب الأيسر من مسمار NPT باستخدام تركيب موصل منفذ.
  5. تثبيت موصل ختم الضغط في المنفذ الأيمن من خلية الضغط. أدخل ثلاثة أسلاك من نوع K الحرارية من خلال موصل ختم الضغط مع 3 "من الركود داخل الخلية و3 'الركود خارج الخلية.
  6. البولندية سطح المرحلة مع الصنفرة (الشكل التكميلي S1، الجزء واو).
  7. إدراج الحرارية في الثقوب المعنية في المرحلة بحيث يتم تدفق النصائح مع الجزء العلوي من المرحلة. استخدام قطرة صغيرة من الغراء في كل حفرة لإصلاح الزمر الحرارية في مكان والسماح لهم لتجف.
  8. تناسب القرص الاكريليك على الجدار الخلفي للخلية الضغط لتعزيز انعكاس الضوء. تناسب المرحلة في خلية الضغط.
  9. تثبيت نافذة الياقوت.
    1. تطبيق الشحوم فراغ لاثنين من ختم ثابت O-حلقات (واحد 1"وواحد 1-1/5"). تناسب O-حلقات في الأخاد حول ثقب النافذة على خلية الضغط.
    2. أدخل نافذة الياقوت. تغطية نافذة الياقوت مع 2-1/4 "غسالة المطاط والمسمار على غسالة الفولاذ المقاوم للصدأ(الشكل التكميلي S1، الجزء باء) باستخدام ثمانية مسامير الفولاذ المقاوم للصدأ M8 (الشكل 2C).

3. تجميع المعدات في غطاء الدخان كبيرة (الشكل 2).

ملاحظة: بما أن الميثان غاز قابل للاشتعال تحت الضغط، فحافظ على جميع الأنابيب والسفن المرتبطة بالميثان بعيدا عن الحرارة والشرر واللهب المفتوح والأسطح الساخنة. إعداد جميع المعدات داخل منطقة جيدة التهوية (على سبيل المثال، غطاء الدخان). ارتداء نظارات السلامة ومعطف المختبر قبل العمل مع غاز الميثان.

  1. رفع بعناية مضخة الضغط في غطاء الدخان كبيرة بما يكفي لجميع المعدات لتناسب(الشكل 2A). ضع وحدة تحكم المضخة أعلى قاعدة المضخة. قم بتوصيل وحدة التحكم في المضخة بالمضخة وقم بتوصيلها بشريط الطاقة.
  2. تشغيل عالية الضغط تصنيف 1/4 "أنابيب النحاس من المنظم على اسطوانة غاز الميثان إلى غطاء الدخان بجوار مدخل مضخة الضغط (الشكل 2A, B).
  3. ضع مسجل البيانات بجوار مضخة الضغط ثم قم بتعيين الكمبيوتر المحمول على مسجل البيانات (الشكل 2A). قم بتوصيل كليهما بشريط الطاقة. قم بتوصيل مسجل البيانات بالكمبيوتر المحمول عبر مسجل البيانات USB.
  4. على الكمبيوتر المحمول، قم بتثبيت البرنامج المناسب للتحكم في مسجل البيانات والكاميرا ومحول الضغط على خلية الضغط.
  5. تعيين الحوض بجانب مسجل البيانات ووضع الحشو غير الرشح في الجزء السفلي من الحوض للحد من الاهتزازات إلى خلية الضغط(الشكل 2C).
  6. باستخدام أنبوب نحاسي جديد 1/4 بوصة، لفائف أنبوب النحاس مرتين في البيضاوي لتناسب في الحوض، وترك مجالا لخلية الضغط للجلوس داخل (الشكل 2D). تأكد من أن الملف لا يسد نافذة الياقوت في خلية الضغط. رفع خلية الضغط في الحوض لعرض نافذة الياقوت.
  7. ضع المبرد المتداول على الأرض بالقرب من غطاء الدخان(الشكل 2A). ملء المبرد مع 50/50 v/v جلايكول الإيثيلين / الماء.
    ملاحظة: بما أن جلايكول الإيثيلين خطر، استخدم ملابس السلامة المناسبة، بما في ذلك القفازات ومعطف المختبر والنظارات الواقية عند سكبها.
  8. قطع بطولين من أنابيب بلاستيكية 3/8 "(القطر الداخلي) لربط مدخل المبرد ومنفذ لأنابيب النحاس ينتهي في الحوض. تأكد من أنه سيكون هناك ما يكفي من الركود لعزل الأنابيب الرغوية لتناسب قبل القطع.
  9. الشريحة أنابيب بلاستيكية من خلال العزل الأنابيب الرغوة.
  10. ربط أنابيب البلاستيك المعزول من مدخل ومنفذ على المبرد المتداولة إلى نهايات لفائف النحاس داخل الحوض. تأمين الأختام عن طريق التفاف الشريط سباك حول الأجزاء المعدنية وتشديد الاتصالات مع المشابك خرطوم محرك دودة. تشغيل المبرد وتعيينه لتعميم بسرعة عالية. تأكد من عدم وجود تسرب.
  11. تطبيق تسرب تحت الماء حول لفائف النحاس / وصلات أنابيب بلاستيكية داخل الحوض. السماح للتسرب لعلاج. لف الختم بشريط لاصق.
  12. تثبيت أنابيب مضخة الضغط (الشكل 2E).
    ملاحظة: دائما اليد تشديد الاتصالات قبل استخدام الأدوات وفصل أبدا اتصالات معاهدة عدم الانتشار مع الشريط سباك لأنها لن إعادة ختم جيدا.
    1. تثبيت أنبوب الفولاذ المقاوم للصدأ 1/8 "على جانبي مضخة الضغط مع التجهيزات الشركة التي جاءت مع المضخة باستخدام الشريط سباك(الشكل 2F).
    2. مع بندر أنبوب، ثني أنبوب 1/8 "إلى الأمام في زاوية 90 درجة، ما يقرب من 2 "بعيدا عن المضخة، لتجنب الانحناء في الاتصال.
    3. مع بندر أنبوب، ثني أنبوب 1/8 "إلى أسفل بزاوية 90 درجة، ما يقرب من 2 "بعيدا عن الانحناء الأول.
    4. إرفاق 1/8 "إلى 1/4" محول المناسب للأنبوب 1/8 "على كلا الجانبين (الشكل 2G).
    5. إرفاق أنبوب 1/4 بوصة إلى تركيب محول على كلا الجانبين.
      ملاحظة: للصق الصمام إلى جانب المضخة، قم بتقليم الأنابيب 1/4 "بحيث يجلس الصمام المرفق بجوار الثقبين المسمارين.
    6. تثبيت صمامات إبرة 1/4 بوصة (الشكل 2H). إذا لصق الصمامات إلى مضخة الضغط، آلة لوحة الصلب أو البلاستيك مع اثنين من 1/16 "ثقوب لالمسامير وثقب واحد 1/2 "لتأمين بين اتصالات صمام إبرة. أدخل اللوحة بين وصلات الصمام ثم قم بشد اللوحة إلى جانب المضخة.
      ملاحظة: تأكد من أن الأسهم على صمامات الإبرة تشير من الضغط العالي (داخل مضخة الضغط) إلى الضغط المنخفض (خارج مضخة الضغط).
    7. ربط نهاية واحدة من 1/4 "مضفر الفولاذ المقاوم للصدأ مرنة ضغط تصنيف خرطوم إلى صمام منفذ على مضخة الضغط والطرف الآخر إلى الصمام الجانبي للخلية الضغط.
    8. قم بتوصيل القنوات الحرارية من خلية الضغط بقنوات تسجيل البيانات باستخدام قناة متعددة القنوات لتسجيل البيانات. قم بتوصيل سلك حراري إضافي لقياس درجة حرارة محلول الخزان ووضع الطرف الآخر في الخزان.
    9. قم بتوصيل محول الضغط على خلية الضغط بالكمبيوتر المحمول.
    10. تعيين خلية الضغط داخل الحوض، على مقربة من الجبهة، لتصوير أكثر وضوحا.
  13. لعزل الحوض، التفاف خارج الحوض مع الألياف الزجاجية مبطنة احباط، مع ثقب / شق للكاميرا لعرض نافذة الياقوت من خلية الضغط. تغطية الجزء العلوي من الحوض مع المواد العازلة لمنع التبخر أثناء التجارب.
    ملاحظة: تجنب إغلاق بإحكام أعلى الحوض لتجنب تراكم الحرارة من مصدر الضوء.
  14. لمنع تكثيف الهواء الرطب على الجزء الأمامي من الحوض، تشغيل أنابيب بلاستيكية من أقرب صمام الهواء إلى الجزء الأمامي من الحوض حيث الكاميرا سوف تشير بحيث الأنابيب لن تكون مرئية في الصور الفوتوغرافية.
  15. تعيين وحدة مصدر الضوء بجانب الحوض وتوصيله إلى قطاع الطاقة.
  16. تعيين الكاميرا أمام الحوض، مع عدسة مشيرا نحو نافذة الياقوت. قم بتوصيل الكاميرا في الكمبيوتر المحمول وقطاع الطاقة.
  17. رفع جميع الالكترونيات من سطح غطاء محرك السيارة لمنع الأضرار المحتملة تسرب. تحقق مرة أخرى من توزيع الطاقة لطاقة المنافذ.

4. تسرب اختبار خلية الضغط بالماء.

ملاحظة: لضمان إغلاق جميع الاتصالات بشكل صحيح، قم باختبار تسرب خلية الضغط بالماء في أي وقت يتم فيه إعادة تجميع الخلية، خاصة بعد فصل مسامير معاهدة عدم الانتشار. هذا ليس ضروريا بعد إزالة نافذة الياقوت أو الصمام العلوي. الماء أكثر أمانا تحت الضغط من الغاز.

  1. افتح برنامج محول الضغط على الكمبيوتر المحمول وابدأ في جمع البيانات على فاصل زمني للمسح الضوئي قدره 1 ثانية.
  2. قم بتشغيل مضخة الضغط ووحدة التحكم. اضغط على المضخة A على وحدة تحكم مضخة الضغط لمراقبة الضغط.
  3. إذا كان هناك ضغط في المضخة، تقليل الضغط عن طريق الضغط على إعادة تعبئة على وحدة تحكم مضخة الضغط في حين لا تزال مغلقة كل من مدخل المضخة وصمامات منفذ.
  4. مع فتح كل من صمامات خلايا الضغط، افتح صمام منفذ المضخة قليلا بنسبة ~1/16" لتحرير الضغط المتبقي ببطء.
  5. إذا كان متصلا، وقطع أنابيب النحاس 1/4 "من صمام مدخل على مضخة الضغط.
  6. إرفاق أنابيب مرنة 1/4 بوصة إلى صمام مدخل المضخة باستخدام مجموعة الجوز والفيرول. ضع نهاية الأنابيب في غالون من الماء.
  7. أغلق صمام منفذ المضخة وافتح صمام مدخل المضخة.
  8. اضغط على إعادة التعبئة على وحدة تحكم مضخة الضغط لملء المكبس مضخة بالماء.
  9. تعيين خلية الضغط في حاوية فارغة ضحلة خارج الحوض.
  10. تطهير الهواء من خلية الضغط حتى يخرج الماء من المنفذ العلوي ويملأ خلية الضغط تماما.
    1. أغلق صمام مدخل المضخة وافتح صمام منفذ المضخة.
    2. تأكد من أن الصمامات الموجودة على خلية الضغط لا تزال مفتوحة.
    3. تعيين أقصى (ماكس) تدفق إلى 100 مل / دقيقة: على وحدة تحكم مضخة الضغط, اضغط حدود; اضغط 3 لتدفق الحد الأقصى؛ اضغط 1 لتعيين أقصى تدفق؛ لكمة في 100؛ اضغط على Enter.
    4. اضغط D للوصول إلى الصفحة السابقة.
    5. تعيين معدل التدفق الثابت إلى 100 مل / دقيقة: على وحدة تحكم مضخة الضغط، اضغط على Const Flow؛ اضغط A لمعدل التدفق؛ لكمة في 100؛ اضغط على Enter. اضغط على تشغيل.
    6. إذا لم يخرج الماء أو إذا كان حجم المكبس غير كاف، قم بإعادة تعبئة المكبس مرة أخرى عن طريق إغلاق صمام منفذ المضخة، وفتح صمام مدخل المضخة مع أنابيب في الماء، واضغط على إعادة التعبئة. ثم قم بتطهير الهواء عن طريق إغلاق صمام مدخل المضخة وفتح صمام منفذ المضخة وتحديد معدل التدفق إلى 100والضغط على تشغيل.
    7. بمجرد أن يخرج الماء من المنفذ العلوي لخلية الضغط ، تحقق من وجود تسرب وتشديد أي اتصالات تسرب. اضغط على إيقاف. أغلق صمام منفذ خلية الضغط (العلوي).
  11. الضغط على خلية الضغط.
    ملاحظة: دون نظارات السلامة قبل الضغط على خلية الضغط.
    1. تعيين الحد الأقصى لتدفق 10 مل / دقيقة لمنع الضغط السريع للخلية: على وحدة تحكم مضخة الضغط، اضغط حدود; اضغط 3 لتدفق الحد الأقصى؛ اضغط 1 لتعيين أقصى تدفق؛ لكمة في 10؛ اضغط على Enter.
    2. الضغط على الخلية إلى 100 كيلو باسكال: على وحدة تحكم مضخة الضغط، اضغط على Const Press; اضغط A; لكمة في 100؛ اضغط على Enter. اضغط على تشغيل.
    3. تحقق من وجود تسرب. إذا كان هناك تسرب، اضغط على إيقاف على وحدة تحكم المضخة، وتشديد المكونات تسرب، اضغط تشغيل،وكرر حتى لا يكون هناك تسرب في 100 كيلو باسكال. تأكد من عدم وجود تسرب عن طريق إغلاق صمام منفذ المضخة ومراقبة ضغط خلية الضغط في برنامج محول الضغط.
      ملاحظة: إذا انخفض الضغط باستمرار ولم يكن تقلبا طبيعيا بسبب اختلاف درجة حرارة الغرفة، فهناك تسرب.
    4. زيادة الضغط بزيادات قدرها 50 كيلو باسكال من 100 كيلو باسكال إلى 500 كيلو باسكال، ثم بزيادات قدرها 100 كيلو باسكال من 500 كيلو باسكال إلى 1000 كيلو باسكال، وأخيرا بزيادات قدرها 1000 كيلو باسكال تقريبا من 1000 كيلو باسكال إلى ~10000 كيلو باسكال. قم بذلك عن طريق تغيير الإعداد "الصحافة كونست" كما كان من قبل. بين إعدادات الضغط، أغلق صمام منفذ المضخة وراقب ضغط الخلية كما كان من قبل لضمان أن الضغط ثابت. إذا انخفض الضغط، قم بتشديد المكونات المتسربة بعناية.
  12. عند الوصول إلى 10,000 كيلو باسكال، أغلق صمام منفذ المضخة ولاحظ مدى قدرة خلية الضغط على الضغط وفقا لمحول الضغط. كما انخفاض ثابت في الضغط يشير إلى تسرب، وتشديد الاتصالات في ضغط أقل، ~ 1000 كيلو باسكال.
  13. للاكتئاب، افتح صمام منفذ المضخة وحدد الضغط إلى 100 كيلو باسكال. مرة واحدة في الهضاب الضغط، وفتح قليلا صمام منفذ الخلية الضغط.
  14. لإزالة المياه من مضخة الضغط، أغلق صمام مدخل المضخة، وغير إعدادات التدفق الأقصى وConst Flow إلى 100 مل/دقيقة،واضغط على تشغيل حتى تصبح المضخة فارغة.
  15. قطع أنابيب مرنة 1/4 "من مدخل المضخة. قطع مضفر الفولاذ المقاوم للصدأ القذف من خلية الضغط. فتح كل من الصمامات واستنزاف المياه. إزالة نافذة الياقوت للسماح للخلية لتجف تماما.

5. تشكيل قذيفة هيدرات الميثان على سطح القطيرات.

  1. إعداد المعدات.
    1. ربط منظم اسطوانة الميثان إلى المضخة مع أنبوب النحاس 1/4 "باستخدام الجوز الجديدة ومجموعة ferrule. تأكد من إغلاق أسطوانة الغاز.
    2. تقنية إدخال القطيرات الممارسة.
      1. الغراء طرف مرن، مثل أنابيب IV، وقطع في زاوية إلى نهاية القنية للمساعدة في توجيه قطرة نحو نافذة الياقوت. إرفاق حقنة 1 مل إلى القنية وسحب في الحجم المطلوب من المياه deionized (~ 50-300 ميكرولتر). دون صمام إبرة أو نافذة الياقوت المرفقة، إدراج نهاية القنية في الميناء العلوي وممارسة طرد القطيرات على مركز الصدارة. بعد ممارسة الإدراج القطير، قم بإزالة القطيرات وجفف المرحلة.
        ملاحظة: في هذا البروتوكول، تم أخذ 250 ميكرولتر من الماء المتأين إلى الحقنة.
    3. إعادة ربط نافذة الياقوت وغسالات مع مسامير M8. قم بتوصيل خرطوم الفولاذ المقاوم للصدأ المضفر من مضخة الضغط بخلية الضغط ، وتحقق مرتين من أن جميع الاتصالات من أسطوانة الغاز إلى خلية الضغط ضيقة. افتح صمام مدخل خلية الضغط (الصمام الجانبي)، ثم قم بتعيين خلية الضغط في الحوض. أدخل كابل مصدر ضوء الألياف البصرية في منفذ إضاءة خلية الضغط.
    4. إضافة 50/50 الإيثانول / الماء (v /v) إلى الحوض حتى يتم مستوى مع الجزء العلوي من خلية الضغط، فقط تحت اتصال مصدر الضوء. تأكد من تشغيل تدفق غطاء محرك السيارة. عندما ينخفض مستوى الحل قبل التجارب المستقبلية في الأسابيع التالية، أضف المزيد من الإيثانول. استبدال الحل شهريا.
    5. تعيين المبرد إلى درجة الحرارة التي من شأنها تحقيق ~ 0 درجة مئوية إلى 3 درجة مئوية داخل الخلية (~ -4 درجة مئوية) والبدء في تعميم من خلال لفائف. بدوره على تدفق الهواء إلى الجزء الأمامي من الحوض لمنع التكثيف على سطح الحوض.
    6. بدء تشغيل سجل درجة حرارة في برنامج تسجيل البيانات. تعيين الفاصل الزمني للمسح الضوئي إلى 30 ثانية. انتظر حتى تستقر درجة الحرارة داخل خلية الضغط عند درجتين مئويتين (~6-24 ساعة).
  2. أضف قطرة ماء إلى خلية الضغط باستخدام عرض الكاميرا على الكمبيوتر المحمول.
    1. بدوره على مصدر الضوء إلى ~ 80٪. افتح برنامج الكاميرا. في المنظر المباشر، ركز عدسة الكاميرا على الغرفة الداخلية للخلية. ضبط مصدر الضوء للحصول على أفضل تصوير.
    2. بدء سجل درجة حرارة جديد مع فاصل زمني للمسح الضوئي 1 s.
    3. إذا تعلق، فصل صمام إبرة منفذ في المنفذ العلوي من خلية الضغط. إرفاق حقنة 1 مل إلى القنية وسحب في الحجم المطلوب من المياه deionized (~ 50-300 ميكرولتر).
      ملاحظة: في هذا البروتوكول، تم سحب 250 ميكرولتر من المياه المتأينة إلى الحقنة.
    4. أدخل القنية عبر المنفذ العلوي حتى يظهر الطرف في برنامج الكاميرا في وضع العرض المباشر. طرد قطرة السائل من الحقنة فوق الحرارية المركزية. إعادة ربط صمام الإبرة.
  3. ركز الكاميرا على القطيرات الموجودة في خلية الضغط. بدء التصوير الفاصل الزمني كل ~ 60 ق.
  4. افتح برنامج محول الضغط على الكمبيوتر المحمول وابدأ في جمع البيانات على المخطط وسجل البيانات على فاصل مسح ضوئي قدره 1 ثانية (نفس الفاصل الزمني لمسح درجة الحرارة). انتظر حتى تستقر درجة حرارة القطيرات بين 0-3 درجة مئوية.
  5. الضغط على خلية الضغط للضغط المطلوب.
    ملاحظة: دون نظارات السلامة قبل الضغط على الخلية.
    1. قم بتشغيل المضخة ووحدة التحكم. أغلق صمام مدخل مضخة الضغط.
    2. افتح صمام منفذ المضخة وصمامات خلية الضغط.
      ملاحظة: يجب أن يكون صمام مدخل خلية الضغط مفتوحا دائما.
    3. تاري ضغط المضخة عن طريق الضغط على الصفر على وحدة تحكم مضخة الضغط. حدد Pump A على وحدة تحكم مضخة الضغط لمراقبة الضغط.
    4. تأكد من أن مضخة الضغط فارغة إذا كان هناك سائل آخر غير غاز الميثان في المضخة. القيام بذلك عن طريق تعيين تدفق ماكس وتدفق كونست إلى 100 مل / دقيقة والضغط على تشغيل. اتركه يعمل حتى تصبح المضخة فارغة. أغلق صمام منفذ المضخة وافتح صمام مدخل المضخة.
    5. فتح اسطوانة الغاز وتعيين منظم اسطوانة الغاز إلى 1000 كيلو باسكال.
    6. اضغط على إعادة التعبئة على وحدة تحكم مضخة الضغط. عندما تكون المضخة ممتلئة وقريبة من 1000 كيلو باسكال، أغلق صمام مدخل المضخة واسطوانة الغاز.
    7. فتح قليلا (~ 1/16 " بدوره) صمام منفذ مضخة للخلية. مراقبة ضغط الخلية الضغط في برنامج محول الضغط كما قد ينخفض الضغط بسبب انخفاض درجة الحرارة نسبيا في خلية الضغط.
    8. تعيين أقصى تدفق إلى 10 مل / دقيقة: على وحدة تحكم مضخة الضغط، اضغط حدود; اضغط 3 لتدفق الحد الأقصى؛ اضغط 1 لتعيين أقصى تدفق؛ لكمة في 10؛ اضغط على Enter.
    9. تعيين أقصى ضغط إلى 5000 كيلو باسكال: على وحدة تحكم مضخة الضغط، اضغط حدود; اضغط 1; لكمة في 5000؛ اضغط على Enter.
    10. تعيين الضغط المستمر إلى 1000 كيلو باسكال: على وحدة تحكم مضخة الضغط، اضغط على Const Press; اضغط A; لكمة في 1000؛ اضغط على Enter. اضغط على تشغيل.
    11. عندما يتم الوصول إلى 1000 كيلو باسكال، اضغط على إيقاف على وحدة تحكم المضخة وإغلاق صمام منفذ المضخة. مراقبة الضغط في خلية الضغط لضمان عدم وجود تسرب. إذا انخفض الضغط، استخدم كاشف التسرب السائل للعثور على التسرب في الاتصالات وتشديد المكونات المتسربة بعناية.
    12. إذا كانت الخلية مستقرة، افتح منفذ المضخة وحدد صحافة Const إلى 2000 كيلو باسكال. اضغط على إيقاف ومراقبة. إذا مستقرة في 2000 كيلو باسكال، تعيين Const Press إلى 3000 كيلو باسكال. اضغط على إيقاف ومراقبة. إذا مستقرة في 3000 كيلو باسكال، تعيين Const Press إلى 4000 كيلو باسكال. اضغط على إيقاف ومراقبة. إذا مستقرة في 4000 كيلو باسكال، تعيين Const Press إلى 5000 كيلو باسكال. اضغط على إيقاف ومراقبة.
    13. إذا كان الضغط مستقرا، أغلق منفذ المضخة.
      ملاحظة: إذا نفدت وحدة تخزين المضخة، أغلق منفذ المضخة وافتح مدخل المضخة قليلا. فتح اسطوانة الغاز ببطء وتعيين منظم الغاز إلى 1000 كيلو باسكال. اضغط على إعادة التعبئة على وحدة تحكم المضخة. عند إعادة تعبئة المضخة، أغلق أسطوانة الغاز ومدخل المضخة. الضغط على المضخة لتتناسب مع ضغط خلية الضغط.
    14. انتظر ~ 12-24 ساعة للغاز لتتغلغل في قطرة.
  6. نواة قذيفة هيدرات باستخدام الجليد الجاف.
    1. قم بتبديل الفاصل الزمني لالتقاط الصور كل 2-5 ق.
    2. أضف الثلج الجاف إلى الجزء العلوي من الخلية حتى يتم رؤية قشرة هيدرات في الفاصل الزمني. إذا كان الثلج الجاف الشرائح، لصق الشريط حول الجزء العلوي من الخلية.
  7. مراقبة التقدم المحرز في تشكيل هيدرات الميثان من خلال الصور الفاصل الزمني ل ~ 2-6 ساعة.
  8. خفض الخلية إلى 2000 كيلو باسكال عن طريق فتح منفذ المضخة ووضع Const Press على 2000 كيلو باسكال. لاحظ عند حدوث ذوبان.
    ملاحظة: قد يحدث فقاعات في قطرة sessile بسبب هروب الغاز المذاب.
  9. بعد ~ 30 دقيقة، قمع خلية الضغط إلى 5000 كيلو باسكال لمراقبة تأثير الذاكرة. لاحظ عندما تبدأ قشرة هيدرات في الإصلاح. السماح للقشرة لتشكيل ~ 30 دقيقة إلى 2 ساعة.
  10. Depressurize الخلية عن طريق فتح منفذ مضخة ووضع الصحافة كونست إلى 0 كيلو باسكال. إذا كان هناك ضغط المتبقية في خلية الضغط، وفتح قليلا صمام أعلى خلية الضغط من قبل ~ 1/16 ".
  11. حفظ بيانات الضغط ودرجة الحرارة كملفات .csv.
  12. إزالة القطيرات عن طريق إزالة صمام الخلية الضغط العلوي كما كان من قبل واستخراج القطيرات مع أنبوب حقنة / cannula / IV. إذا كان هناك قلق بشأن التلوث بين التجارب، قم بإزالة نافذة الياقوت وتعقيم المرحلة واستبدال الشحوم الفراغية. استخدم كوب شفط لإزالة نافذة الياقوت بمجرد تسخين خلية الضغط إلى درجة حرارة الغرفة.

6. تحليل البيانات.

  1. افتح ملفات .csv درجة الحرارة والضغط.
  2. إنشاء جدول بيانات جديد. نسخ أعمدة الوقت والضغط من .csv الضغط والوقت ودرجة الحرارة من درجة الحرارة .csv ملف في جدول البيانات الجديد.
  3. جعل مؤامرة مبعثر مع مرور الوقت على محور س واثنين من محاور ص مع درجة الحرارة والضغط (الشكل التكميلي S2).
  4. جعل عمودين أكثر لمنحنى الاستقرار هيدرات. في العمود الأول، أدخل درجات الحرارة من 273.15 K إلى ~ 279.15 K على فترات 0.1 K. في العمود الثاني، احسب الضغط باستخدام الصيغة (1) من سلون وكوه13.
    P [kPa] = إكسب (أ + ب / ت [ك]) حيث = 38.98 وب = -8533.80 (1)
  5. جعل قطعة مبعثرة من حدود استقرار هيدرات، مع درجة الحرارة (K) على المحور س والضغط (كباسكال) على المحور ص. إضافة سلسلة ثانية على مؤامرة مبعثر مع درجة الحرارة التجريبية والضغط على محاور س و ص، على التوالي (الشكل 4).
  6. لاحظ على الرسوم البيانية حيث أصبحت قذيفة هيدرات مرئية، وفقا للتصوير الفاصل الزمني.

7. الحفاظ على المعدات.

  1. أعلى قبالة محلول خزان مع الإيثانول قبل كل تجربة لتحل محل الإيثانول المتبخر. استبدال تماما حل خزان شهريا.
  2. تغيير س الحلقات وغسالة المطاط كل 2 أشهر من الاستخدام المنتظم.
  3. استبدال اتصالات المنفذ في حالة حدوث تسرب مستمر غير ثابت عن طريق tightening.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

مع هذه الطريقة، يمكن رصد قذيفة هيدرات الغاز على قطرة بصريا من خلال نافذة الياقوت من خلية الضغط وعبر درجة الحرارة ومحولات الضغط. لنوى قذيفة هيدرات بعد الضغط على 5 MPa، يمكن إضافة الجليد الجاف إلى الجزء العلوي من خلية الضغط للحث على صدمة حرارية لتحريك تبلور هيدرات سريعة. هناك فرق مورفولوجي واضح على تشكيل قشرة هيدرات الجليد الجاف القسري. انتقلت قطرة الماء من سطح أملس عاكس(الشكل 3A)إلى قشرة هيدرات معتمة ذات سطح متشعب قليلا(الشكل 3B). إضافة 100 ميكروغرام مل-1 نوع I AFP غيرت مورفولوجيا هيدرات عن طريق حث حواف متطاولة على طول القطيرات والنتوءات من أعلى القطيرات (الشكل 3C، D).

بعد أن وضعت قذيفة هيدرات ل ~ 1 ح، تم الاكتئاب الخلية إلى 2 MPa (فيديو التكميلي S3). أثناء الاكتئاب، كان هناك انخفاض 0.2 درجة مئوية إلى 0.5 درجة مئوية في درجة الحرارة بالقرب من منحنى الاستقرار P / T13 (الشكل 4) بسبب الفصام هيدرات طاردة للحرارة. تم تأكيد تفكك هيدرات عن طريق ذوبان البصرية من خلال التصوير الفاصل الزمني في بداية الانخفاض في درجة الحرارة، لاحظت من قبل النجوم في الشكل 4. بعد فصافر هيدرات كاملة، ونحن قمع الخلية لمراقبة مورفولوجيا ودرجة حرارة ذوبان مع "تأثير الذاكرة"14،والظاهرة التي شكل هيدرات أسرع بعد هيدرات قد تشكلت بالفعل في النظام(التكميلي فيديو S4). عند إعادة الضغط ، تم إصلاح قشرة هيدرات في غضون دقيقتين بعد الوصول إلى 5 MPa ، ولاحظنا نفس انخفاض درجة الحرارة عند منحنى الاستقرار أثناء الانفصال.

وأظهرت الضوابط السلبية مع عدم وجود قطرة ومع قطرة التي لم تشكل قذيفة هيدرات(الشكل 4، التجارب 4 و 5) أي انخفاض في درجة الحرارة أثناء الاكتئاب. عند الاكتئاب أقل من 2 MPa ، لاحظنا الغاز محتدما داخل قطرة من degassing السريع. لأن قمة كل انخفاض في درجة الحرارة كانت أعلى من منحنى الاستقرار P/T المنشأ سابقا13 (منحنى استقرار هيدرات #1 في الشكل 4)،تم حساب منحنى الانحدار استنادا إلى قمة P/T لهذه التجارب (P [kPa] = EXP (38.98+-8533.8/T [K])، منحنى استقرار الترطيب #2 في الشكل 4).

Figure 1
الشكل 1: خلية الضغط. يتم الكشف عن المرحلة التي يجلس عليها القطيرات وال الحرارية المضمنة عن طريق إزالة نافذة الياقوت وغسالات المطاط والصلب الزائدة. يتم تسمية كافة الأجزاء والاتصالات. أعلى اليسار inset: المرحلة المعروضة من فوق مع المرحلة المركزية والجانبية جزءا لا يتجزأ من الحرارية. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: الميثان هيدرات الإعداد التجريبي. (أ) غطاء الدخان الذي يقع الإعداد التجريبي. (ب)يتم توصيل اسطوانة الغاز عن طريق لفائف النحاس إلى مضخة الضغط. أبرز من لوحة (أ) هي (C) خلية الضغط المجمعة،(D)خزان 10 غالون (37.85 لتر) دون العزل أو الحل،(ه) مضخة الضغط، و (F، G، H) تكبير الصور منبر مضخة اتصالات. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3:قذائف هيدرات الميثان. صور تمثيلية للقطرات قبل (أ) وبعد (ب) قشرة هيدرات الميثان التي تشكلت على قطرة ماء مديونة وقبل (C) وبعد (D) قشرة هيدرات تشكلت على قطرة تحتوي على 100 ميكروجرام مل-1 نوع I مضاد للتجمد البروتين. أشرطة المقياس = 5 مم. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: مخطط استقرار درجة الحرارة الضغط. تظهر بيانات الضغط ودرجة الحرارة أثناء الاكتئاب مع منحنيات استقرار P /T من هيدرات الميثان (رقم 1 من Sloan و Koh 200713 و # 2 محسوبة من أخذ منحنى انحدار من قمم ذوبان الهيدرات من هذه الدراسة). التجارب مع قذائف هيدرات شكلت بنجاح على قطرات الماء DI هي التجارب 1 و 2 و 3. التجربة الرابعة كانت تحكم سلبي بدون قطرة على المسرح كانت القطيرات في التجربة 5 تحكما سلبيا آخر لم تتشكل فيه قشرة هيدرات. تشير النجوم إلى متى بدأ ذوبان الهيدرات البصرية أثناء الاكتئاب. المحاكمة 1 لديها قرار من 30 ق (نقطة بيانات كل 30 ق)؛ المحاكمات الأخرى لديها قرار من 1 s. اختصارات: T = المحاكمة; M.E. = تأثير الذاكرة; P / T = الضغط درجة الحرارة؛ DI = deionized; الدقة = الدقة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل التكميلي S1: CAD الصور لآلات خلية الضغط. يتم تسمية أجزاء A-F من خلية الضغط مع حرف الجزء والأبعاد الخاصة بهم. اختصار: CAD = التصميم بمساعدة الكمبيوتر. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الشكل التكميلي S2: بيانات الضغط ودرجة الحرارة مع مرور الوقت للتجارب 2-4. وكانت التجارب 2 و 3 قطرات الماء المؤينة العادية التي شكلت قذائف هيدرات. كانت التجربة 4 سيطرة سلبية لم تكن فيها قطرة. وتصطف التجارب في أول اكتئاب، والذي يحدث في الوقت صفر. انخفاض صغير في درجة الحرارة يحدث في بداية الاكتئاب بسبب خلط الغاز مع مضخة الضغط. يحدث انخفاض أكبر في درجة الحرارة بسبب ذوبان الهيدرات بعد انخفاض الضغط الأولي ، كما هو موضح في التجربتين 2 و 3. يرجع تقلب درجة الحرارة في نهاية التجربة 4 إلى فتح الصمام مما يؤدي إلى الاكتئاب الكامل ، والذي يحدث أيضا في نهاية التجربتين 2 و 3. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الملف.

الجدول التكميلي S1: الإجهاد المسموح به (MPa) لخلية الضغط الماكينة. اختصار: FS = عامل السلامة. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الجدول.

الجدول التكميلي S2: عامل السلامة لخلية الضغط الماكينة. اختصار: FS = عامل السلامة. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الجدول.

فيديو إضافي S1: سلالة. فيديو لمحاكاة الضغط على خلية الضغط الآلي. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الفيديو.

فيديو إضافي S2: الإجهاد. فيديو لمحاكاة الإجهاد على خلية الضغط الآلي. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الفيديو.

فيديو إضافي S3: التجربة 3 من فصافر قذيفة هيدرات. فيديو الفاصل الزمني لتفكك قذيفة هيدرات بسرعة 25x. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الفيديو.

فيديو إضافي S4: التجربة 3 من نواة تأثير الذاكرة. فيديو الفاصل الزمني لتشكيل قذيفة هيدرات من تأثير الذاكرة بعد قمع من 2 MPa إلى 5 MPa بسرعة 10x. الرجاء الضغط هنا لتحميل هذا الفيديو.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

لقد طورنا طريقة لتشكيل قذائف هيدرات الميثان على قطرات الماء sessile بأمان وتبادل هذه الطريقة لآلة وتجميع خلية ضغط تصنيفها إلى 10 MPa ضغط العمل، فضلا عن أنظمة الضغط والتبريد. تم تجهيز خلية الضغط بمرحلة للقطرات التي تحتوي على زبال حرارية مضمنة ، ونافذة ياقوتية لتصور القطيرات ، ومحول ضغط مثبت في الجزء العلوي من الخلية. يتضمن نظام التبريد جلايكول الإيثيلين المبرد الذي يتم تداوله من خلال لفائف النحاس في خزان مع محلول الإيثانول بنسبة 50٪، حيث يتم وضع خلية الضغط. تضغط مضخة الضغط على الغاز من الأسطوانة إلى خلية الضغط. تتشكل قشرة هيدرات عند انخفاض درجة الحرارة السريع مع إضافة الثلج الجاف إلى الجزء العلوي من خلية الضغط. نسمح للقشرة أن تتشكل لمدة 2 ساعة ، والتي نعتقد خلالها أن الغاز يتخلل من خلال تكسير الصدخ لقذيفة هيدرات ، ونضوج أوستوالد على مدى فترة أطول. في الواقع ، يمكن استخدام هذا الجهاز لدراسة هذه الظواهر.

وتشمل الخطوات الحاسمة لهذا البروتوكول: 1) تسرب اختبار خلية الضغط بالماء قبل الضغط عليه بالغاز، 2) ممارسة إضافة قطرة الماء على خشبة المسرح قبل إدراج نافذة الياقوت، 3) تبريد القطيرات لتكون مستقرة في ~ 2 درجة مئوية قبل الضغط، 4) الضغط مع معدل تدفق الحد الأقصى من 10 مل دقيقة-1 إلى 5 MPa في 1 زيادات MPa، 5) إغلاق صمام منفذ على مضخة الضغط (إلى الخلية) للحد من تبادل الغاز مع مضخة الضغط، 6) تعيين درجة الحرارة والضغط، وبرنامج الفاصل الزمني لتسجيل كل 1 ق، 1 ق، و 5 ق (أو أقل)، على التوالي، قبل إضافة الجليد الجاف، 7) تطبيق الجليد الجاف إلى أعلى الخلية بشكل مستمر حتى يتم ملاحظة قذيفة هيدرات في الفاصل الزمني، 8) السماح لقذيفة هيدرات لتشكيل لمدة لا تقل عن 1 ساعة، 9) الاكتئاب بنفس سرعة الضغط.

أثناء تطوير الأسلوب ، قمنا بتحسين المتغيرات والتقنيات ، بما في ذلك توقيت التبريد والضغط والاكتئاب وحجم القطيرات وتقنية إدخال القطيرات. هناك بعض القيود في استخدام هذا الأسلوب. أحد القيود هو دقة التصوير بالقطرات بسبب دقة الكاميرا والمواد بين الكاميرا والقطرات (الخزان ، محلول الإيثانول ، نافذة الياقوت السميكة). بالإضافة إلى ذلك ، في حين أن دراسات أخرى تلاحظ قطرة السطح على مقياس صغير7،9،10، تسمح هذه الطريقة فقط بالملاحظات على نطاق الكلي. ويمكن تركيب مرفق عدسة المجهر إذا كان هناك اهتمام بالملاحظات الدقيقة.

وهناك قيد آخر على هذه الطريقة هو عدم القدرة على قياس سمك قشرة هيدرات على وجه التحديد. ومع ذلك، يمكن تقدير سمك الهيدرات عن طريق طرح المنطقة المقطعية العرضية قبل وبعد تكوين الهيدرات وحساب استهلاك الغاز باستخدام التغير في درجة الحرارة أثناء الاكتئاب لتحديد حجم الهيدرات المشكلة. وهناك قيد آخر هو أن هذه القطيرات لا يمكن أن ينظر إليها في 3D لأن هناك جانب واحد فقط من خلية الضغط التي تحتوي على نافذة الياقوت. في المقابل، استخدمت دراسات أخرى خلايا مصنوعة بالكامل من الياقوت لمراقبة القطيرات من زوايا متعددة7. كما أننا لم نقوم بتركيب المرحلة10 أو التقنيات الطيفية للتحكم في درجة الحرارة؛ ومع ذلك، هذه بالتأكيد يمكن تثبيت باستخدام هذا الإعداد.

مع هذه الطريقة ، يمكن ملاحظة مورفولوجيا وضغط الانفصال ودرجة الحرارة ، والتغيير في درجة الحرارة أثناء فصاحة الهيدرات مع قطرات تحتوي على إضافات أو ركائز مرحلة بديلة. هذه الطريقة رخيصة نسبيا، وهناك عدد قليل من البروتوكولات الشاملة لتشكيل قذائف هيدرات الغاز. نظرا لأن أنظمة الضغط العالي يمكن أن تكون خطيرة، فإننا ندرج نصائح السلامة للضغط واختبار التسرب. بالإضافة إلى ذلك، لا تسمح العديد من الاجهزة بتصور تكوين هيدرات الغاز، أو القيام بذلك على نطاق أصغر بكثير أو أكبر بكثير. والتجارب المختبرية مساهم رئيسي في فهم هيدرات الغاز التي تحدث بشكل طبيعي وهيدرات الغاز الطبيعي التي يمكن أن تسبب انفجارات قاتلة في خطوط أنابيب الغاز. يمكن استخدام هذه الطريقة لتقييم آثار الإضافات بسرعة على درجة حرارة الانفصال ومورفولوجيا وقدرة المواد المضافة على القضاء على تأثير الذاكرة. يمكن استخدام المضافات الفعالة كمثبطات في خطوط أنابيب الغاز الطبيعي أو لدراسة النشاط البيولوجي للبروتينات البكتيرية في أعماق البحار6،15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

لا توجد مصالح مالية متنافسة.

Acknowledgments

ناسا Exobiology منحة 80NSSC19K0477 مولت هذا البحث. ونشكر ويليام وايت ونيكولاس إسبينوزا على المناقشات القيمة.

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

العلوم البيئية، العدد 171، الميثان، هيدرات، قطرة، الضغط العالي، المضافات، المثبطات، حدود الاستقرار
تبلور هيدرات الميثان على قطرات الماء Sessile
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