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Cristallisation de l’hydrate de méthane sur les gouttelettes d’eau 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

Nous décrivons une méthode pour former de l’hydrate de gaz sur des gouttelettes d’eau sessile afin d’étudier les effets de divers inhibiteurs, promoteurs et substrats sur la morphologie du cristal hydraté.

Abstract

Cet article décrit une méthode pour former des coquilles d’hydrate de méthane sur des gouttelettes d’eau. En outre, il fournit des plans pour une cellule de pression nominale à une pression de service de 10 MPa, contenant un étage pour les gouttelettes sessiles, une fenêtre en saphir pour la visualisation et des transducteurs de température et de pression. Une pompe à pression reliée à une bouteille de méthane est utilisée pour pressuriser la cellule à 5 MPa. Le système de refroidissement est un réservoir de 10 gallons (37,85 L) contenant une solution d’éthanol à 50% refroidie par éthylène glycol à travers des bobines de cuivre. Cette configuration permet d’observer le changement de température associé à la formation et à la dissociation des hydrates lors du refroidissement et de la dépressurisation, respectivement, ainsi que la visualisation et la photographie des changements morphologiques de la gouttelette. Avec cette méthode, la formation rapide de coquille d’hydrate a été observée à ~-6 °C à -9 °C. Au cours de la dépressurisation, une baisse de température de 0,2 °C à 0,5 °C a été observée à la courbe de stabilité pression/température (P/T) due à la dissociation exothermique des hydrates, confirmée par l’observation visuelle de la fusion au début de la chute de température. L'« effet mémoire » a été observé après repressurisation à 5 MPa de 2 MPa. Cette conception expérimentale permet de surveiller la pression, la température et la morphologie de la gouttelette au fil du temps, ce qui en fait une méthode appropriée pour tester divers additifs et substrats sur la morphologie des hydrates.

Introduction

Les hydrates de gaz sont des cages de molécules d’eau liées à l’hydrogène qui piègent les molécules de gaz invitées via des interactions de van der Waals. Les hydrates de méthane se forment dans des conditions de haute pression et de basse température, qui se produisent dans la nature dans les sédiments souterrains le long des marges continentales, sous le pergélisol arctique et sur d’autres corps planétaires du système solaire1. Les hydrates de gaz stockent plusieurs milliers de gigatonnes de carbone, avec des implications importantes pour le climat et l’énergie2. Les hydrates de gaz peuvent également être dangereux dans l’industrie du gaz naturel car des conditions favorables aux hydrates se produisent dans les gazoducs, ce qui peut obstruer les tuyaux entraînant des explosions mortelles et des déversements d’hydrocarbures3.

En raison de la difficulté d’étudier les hydrates de gaz in situ,des expériences de laboratoire sont souvent utilisées pour caractériser les propriétés des hydrates et l’influence des inhibiteurs et des substrats4. Ces expériences de laboratoire sont réalisées en cultivant de l’hydrate de gaz à pression élevée dans des cellules de différentes formes et tailles. Les efforts visant à prévenir la formation d’hydrates de gaz dans les gazoducs ont conduit à la découverte de plusieurs inhibiteurs chimiques et biologiques des hydrates de gaz, notamment des protéines antigel (AFP), des tensioactifs, des acides aminés et de la polyvinylpyrrolidone (PVP)5,6. Pour déterminer les effets de ces composés sur les propriétés des hydrates de gaz, ces expériences ont utilisé diverses conceptions de cuves, y compris des autoclaves, des cristalliseurs, des réacteurs agités et des cellules à bascule, qui supportent des volumes de 0,2 à 106 centimètres cubes4.

La méthode des gouttelettes sessiles utilisée ici et dans les études précédentes7,8,9,10,11,12 consiste à former un film d’hydrate de gaz sur une gouttelette d’eau sessile à l’intérieur d’une cellule de pression. Ces récipients sont en acier inoxydable et en saphir pour supporter des pressions allant jusqu’à 10-20 MPa. La cellule est reliée à une bouteille de méthane. Deux de ces études ont utilisé la méthode des gouttelettes pour tester les AFP en tant qu’inhibiteurs d’hydrates de gaz par rapport aux inhibiteurs d’hydrates cinétiques (KHI) commerciaux, tels que le PVP7,11. Bruusgard et al.7 se sont concentrés sur l’influence morphologique des inhibiteurs et ont constaté que les gouttelettes contenant des AFP de type I ont une surface plus lisse et vitreuse que la surface des gouttelettes dendritiques sans inhibiteurs à des forces motrices élevées.

Udegbunam et al.11 ont utilisé une méthode développée pour évaluer les KHI dans une étude précédente10, qui permet l’analyse de la morphologie / mécanismes de croissance, de la température / pression d’équilibre hydrate-liquide-vapeur et de la cinétique en fonction de la température. Jung et al. ont étudié le remplacement du CH4-CO2 en inondant la cellule de CO2 après avoir formé une coquille d’hydrate deCH4 8. Chen et al. ont observé la maturation d’Ostwald lorsque la coquille hydrate se forme9. Espinoza et al. ont étudié les coquilles d’hydrate de CO2 sur divers substrats minéraux12. La méthode des gouttelettes est une méthode relativement simple et peu coûteuse pour déterminer l’effet morphologique de divers composés et substrats sur les hydrates de gaz et nécessite de petites quantités d’additifs en raison du faible volume. Cet article décrit une méthode pour former de telles coquilles d’hydrate sur une gouttelette d’eau à l’aide d’une cellule en acier inoxydable avec une fenêtre en saphir pour la visualisation, jusqu’à une pression de service allant jusqu’à 10 MPa.

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Protocol

1. Concevez, validez et usinez la cellule de pression.

  1. Concevez la cellule pour permettre la visualisation directe de la formation d’hydrates à partir d’une gouttelette d’eau. Assurez-vous que la cellule dispose d’une chambre principale avec une fenêtre en saphir transversale et quatre orifices pour l’entrée, la sortie, la lumière et les fils de fluide/gaz(Figure 1). Créer la conception finale dans un logiciel de conception technique (Figure supplémentaire S1).
  2. Pour vérifier que la cellule de pression est sûre sous haute pression de travail, effectuez une analyse par éléments finis à l’aide d’un logiciel de simulation.
    1. Entrez le modèle de cellule de pression pleine grandeur du logiciel de conception technique dans le logiciel de simulation.
    2. Attribuez un module de Young de 400 GPa et un rapport de Poisson de 0,29 à la fenêtre saphir.
    3. Pour toutes les pièces en acier inoxydable, attribuez l’acier inoxydable 316 avec un module de Young de 190 GPa et un rapport de Poisson de 0,27.
    4. De manière étape par étape, appliquez une pression d’air de 0 à 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9 et 10 MPa à l’intérieur de la cellule(vidéo supplémentaire S1 et vidéo supplémentaire S2). Traitez chaque étape de chargement comme un problème statique en ignorant les termes dépendant du temps dans les équations gouvernantes et ne considérez que la déformation élastique pendant la pressurisation.
    5. Utilisez le solveur d’équations linéaires directes dans un logiciel de simulation pour calculer la distribution des contraintes et la déformation de la cellule dans diverses conditions de pression(tableau supplémentaire S1 et tableau supplémentaire S2).
  3. Une fois que la conception de la cellule de pression est vérifiée pour être sûre, faites usiner toutes les pièces sur la base du plan du logiciel de conception technique.

2. Assemblez la cellule de pression (Figure 1).

  1. Vissez les quatre filetages Coniques Nationaux (NPT) dans les orifices respectifs de la cellule de pression avec du ruban adhésif du plombier.
  2. Assemblez le port d’éclairage à l’aide de la conception du plan(Figure supplémentaire S1,pièces C, D et E) et connectez-le à la vis NPT supérieure gauche.
  3. Connectez le transducteur de pression au port supérieur NPT à l’aide du raccord de tee de branche et du raccord de connecteur de port.
  4. Connectez la vanne à aiguille d’entrée dans la vis NPT du côté gauche à l’aide d’un raccord de connecteur de port.
  5. Installez un connecteur d’étanchéité sous pression dans l’aiifice droit de la cellule de pression. Insérez trois fils de thermocouple de type K à travers le connecteur d’étanchéité sous pression avec 3 « de mou à l’intérieur de la cellule et 3 » de mou à l’extérieur de la cellule.
  6. Polir la surface de la scène avec du papier de verre (Figure supplémentaire S1, Partie F).
  7. Insérez les thermocouples dans les trous respectifs de la scène afin que les pointes soient au ras du haut de la scène. Utilisez une petite goutte de colle dans chaque trou pour fixer les thermocouples en place et les laisser sécher.
  8. Placez le disque acrylique sur la paroi arrière de la cellule de pression pour améliorer la réflexion de la lumière. Placez la scène dans la cellule de pression.
  9. Installez la fenêtre en saphir.
    1. Appliquer de la graisse sous vide sur deux joints toriques d’étanchéité statique (un de 1 po et un de 1 1/5 po). Placez les joints toriques dans les rainures autour du trou de la fenêtre sur la cellule de pression.
    2. Insérez la fenêtre en saphir. Couvrez la fenêtre en saphir avec une rondelle en caoutchouc de 2-1/4"et vissez la rondelle en acier inoxydable (Figure supplémentaire S1, Partie B) à l’aide de huit vis en acier inoxydable M8 (Figure 2C).

3. Assemblez l’équipement dans une grande hotte (Figure 2).

REMARQUE: Comme le méthane est un gaz inflammable sous pression, gardez tous les tubes et récipients liés au méthane à l’écart de la chaleur, des étincelles, des flammes nues et des surfaces chaudes. Installez tout l’équipement à l’intérieur d’un endroit bien ventilé (p. ex., une hotte). Enfilez des lunettes de sécurité et une blouse de laboratoire avant de travailler avec du méthane.

  1. Soulevez délicatement la pompe à pression dans une hotte suffisamment grande pour que tout l’équipement s’adapte (Figure 2A). Placez le contrôleur de pompe sur le dessus de la base de la pompe. Connectez le contrôleur de pompe à la pompe et branchez-le sur une multiprise.
  2. Faire fonctionner un tuyau en cuivre de 1/4 po à haute pression du régulateur de la bouteille de méthane jusqu’à la hotte à fumée à côté de l’entrée de la pompe à pression (Figure 2A, B).
  3. Placez l’enregistreur de données à côté de la pompe à pression et réglez l’ordinateur portable sur l’enregistreur de données (Figure 2A). Branchez les deux sur une multiprise. Connectez l’enregistreur de données à l’ordinateur portable via l’enregistreur de données USB.
  4. Sur l’ordinateur portable, installez le logiciel approprié pour contrôler l’enregistreur de données, la caméra et le transducteur de pression sur la cellule de pression.
  5. Placez l’aquarium à côté de l’enregistreur de données et placez un rembourrage sans lixiviation dans le fond de l’aquarium pour limiter les vibrations de la cellule de pression (Figure 2C).
  6. À l’aide d’un nouveau tuyau en cuivre de 1/4 de pouce, enroulez le tuyau en cuivre deux fois dans un ovale pour l’adapter à l’aquarium, laissant de la place pour que la cellule de pression s’assoie à l’intérieur (Figure 2D). Assurez-vous que la bobine ne bloque pas la fenêtre en saphir dans la cellule de pression. Élevez la cellule de pression dans l’aquarium pour voir la fenêtre en saphir.
  7. Placez le refroidisseur circulant sur le sol près de la hotte (Figure 2A). Remplissez le refroidisseur avec de l’éthylène glycol/eau de 50/50 v/v.
    REMARQUE: Comme l’éthylène glycol est dangereux, utilisez une tenue de sécurité appropriée, y compris des gants, une blouse de laboratoire et des lunettes de protection lors du versement.
  8. Coupez deux longueurs d’un tube en plastique de 3/8 « (diamètre intérieur) pour connecter l’entrée et la sortie du refroidisseur aux extrémités du tuyau en cuivre dans l’aquarium. Assurez-vous qu’il y aura suffisamment de mou pour que l’isolant du tuyau en mousse s’adapte avant la coupe.
  9. Faites glisser le tube en plastique à travers l’isolant du tuyau en mousse.
  10. Connectez le tube en plastique isolé de l’entrée et de la sortie du refroidisseur circulant aux extrémités de la bobine de cuivre à l’intérieur de l’aquarium. Fixez les joints en enroulant du ruban adhésif de plombier autour des pièces métalliques et en resserrant les connexions avec des colliers de serrage de tuyau d’entraînement à vis sans fin. Allumez le refroidisseur et réglez-le pour qu’il circule à grande vitesse. Assurez-vous qu’il n’y a pas de fuites.
  11. Appliquez du scellant sous-marin autour des connexions de bobine de cuivre / tube en plastique à l’intérieur de l’aquarium. Laissez le scellant durcir. Enveloppez le scellant avec du ruban adhésif.
  12. Installez des tubes de pompe à pression (Figure 2E).
    REMARQUE: Serrez toujours les connexions à la main avant d’utiliser des outils et ne détachez jamais les connexions NPT avec du ruban adhésif du plombier, car elles ne referont pas bien.
    1. Installez un tuyau en acier inoxydable de 1/8 po de chaque côté de la pompe à pression avec les raccords de l’entreprise qui accompagnaient la pompe à l’aide de ruban adhésif du plombier (Figure 2F).
    2. À l’éventreur de tube, pliez le tuyau de 1/8 po vers l’avant à un angle de 90 °, à environ 2 po de la pompe, pour éviter de se plier au raccordement.
    3. À l’éventron, pliez le tuyau de 1/8 po vers le bas à un angle de 90°, à environ 2 po du premier virage.
    4. Fixez l’adaptateur 1/8 » à 1/4 » raccordant au tuyau 1/8 » des deux côtés (Figure 2G).
    5. Fixez un tuyau de 1/4 « au raccord de l’adaptateur des deux côtés.
      REMARQUE: Pour fixer la vanne sur le côté de la pompe, coupez le tuyau de 1/4 « de sorte que la vanne attachée se trouve à côté des deux trous de vis.
    6. Installez les vannes à aiguille de 1/4 » (Figure 2H). Si vous fixez des vannes à la pompe à pression, usinez une plaque en acier ou en plastique avec deux trous de 1/16 « pour les vis et un trou de 1/2 » pour fixer entre les connexions de vanne à aiguille. Insérez la plaque entre les raccords de vanne et vissez la plaque sur le côté de la pompe.
      REMARQUE: Assurez-vous que les flèches sur les vannes à aiguille pointent de la haute pression (à l’intérieur de la pompe à pression) à la basse pression (à l’extérieur de la pompe à pression).
    7. Connectez une extrémité du tuyau flexible en acier inoxydable tressé de 1/4 « à la vanne de sortie de la pompe à pression et l’autre extrémité à la vanne latérale de la cellule de pression.
    8. Connectez les thermocouples de la cellule de pression aux canaux de l’enregistreur de données à l’aide de l’enregistreur de données multicanal. Connectez un fil de thermocouple supplémentaire pour mesurer la température de la solution du réservoir et placez l’autre extrémité dans le réservoir.
    9. Connectez le transducteur de pression de la cellule de pression à l’ordinateur portable.
    10. Réglez la cellule de pression à l’intérieur de l’aquarium, près de l’avant, pour une imagerie plus claire.
  13. Pour isoler l’aquarium, enveloppez l’extérieur de l’aquarium avec de la fibre de verre doublée de papier d’aluminium, avec un trou / fente pour que la caméra visualise la fenêtre en saphir de la cellule de pression. Couvrez le dessus de l’aquarium avec un matériau isolant pour éviter l’évaporation pendant les expériences.
    REMARQUE: Évitez de sceller hermétiquement le dessus de l’aquarium pour éviter l’accumulation de chaleur de la source lumineuse.
  14. Pour éviter la condensation de l’air humide à l’avant de l’aquarium, passez un tube en plastique de la valve d’air la plus proche à l’avant de l’aquarium où la caméra pointera afin que le tube ne soit pas visible sur les photographies.
  15. Placez l’unité de source lumineuse à côté de l’aquarium et branchez-la sur la multiprise.
  16. Placez la caméra devant l’aquarium, l’objectif pointant vers la fenêtre en saphir. Branchez l’appareil photo sur l’ordinateur portable et la multiprise.
  17. Élevez tous les appareils électroniques de la surface du capot pour éviter les dommages potentiels causés par les fuites. Vérifiez que l’alimentation est distribuée pour la capacité de puissance des prises.

4. Testez la cellule de pression avec de l’eau.

REMARQUE: Pour vous assurer que toutes les connexions ont été correctement scellées, testez l’étanchéité de la cellule de pression avec de l’eau chaque fois que la cellule a été remontée, en particulier après avoir déconnecté les vis NPT. Cela n’est pas nécessaire après avoir retiré la fenêtre en saphir ou la valve supérieure. L’eau est plus sûre sous pression que le gaz.

  1. Ouvrez le logiciel du transducteur de pression sur l’ordinateur portable et commencez à collecter des données à un intervalle de balayage de 1 s.
  2. Allumez la pompe à pression et le contrôleur. Appuyez sur la pompe A sur le contrôleur de la pompe à pression pour surveiller la pression.
  3. S’il y a de la pression dans la pompe, diminuez la pression en appuyant sur Recharger sur le contrôleur de la pompe à pression pendant que les vannes d’entrée et de sortie de la pompe sont toujours fermées.
  4. Avec les deux vannes de cellule de pression ouvertes, ouvrez légèrement la vanne de sortie de la pompe d’environ 1/16 « pour libérer lentement la pression restante.
  5. S’il est connecté, débranchez le tuyau en cuivre de 1/4 " de la vanne d’entrée de la pompe à pression.
  6. Fixez un tube flexible de 1/4 « à la vanne d’entrée de la pompe à l’aide d’un jeu d’écrous et de ferrules. Placez l’extrémité du tube dans un gallon d’eau.
  7. Fermez la vanne de sortie de la pompe et ouvrez la vanne d’entrée de la pompe.
  8. Appuyez sur Recharger sur le contrôleur de la pompe à pression pour remplir le piston de la pompe avec de l’eau.
  9. Placez la cellule de pression dans un récipient vide peu profond à l’extérieur de l’aquarium.
  10. Purgez l’air de la cellule de pression jusqu’à ce que l’eau sorte de l’isser de l’aissage supérieur et remplisse complètement la cellule de pression.
    1. Fermez la vanne d’entrée de la pompe et ouvrez la vanne de sortie de la pompe.
    2. Assurez-vous que les vannes de la cellule de pression sont toujours ouvertes.
    3. Réglez le débit maximal (max) à 100 mL/min : sur le régulateur de la pompe à pression, appuyez sur Limites; appuyez sur 3 pour un débit maximal; appuyez sur 1 pour régler le débit maximal; poinçon en 100; appuyez sur Entrée.
    4. Appuyez sur D pour accéder à la page précédente.
    5. Réglez le débit constant à 100 mL/min : sur le régulateur de pompe à pression, appuyez sur Const Flow; appuyez sur A pour le débit; poinçon en 100; appuyez sur Entrée. Appuyez sur Exécuter.
    6. Si l’eau ne sort pas ou si le volume dans le piston est insuffisant, remplissez à nouveau le piston en fermant la vanne de sortie de la pompe, en ouvrant la vanne d’entrée de la pompe avec un tube dans l’eau et appuyezsur Recharger . Ensuite, purgez l’air en fermant la vanne d’entrée de la pompe, en ouvrant la vanne de sortie de la pompe, en réglant le débit à 100et en appuyant sur Exécuter.
    7. Une fois que l’eau sort de l’isifice supérieur de la cellule de pression, vérifiez s’il y a des fuites et serrez les connexions qui fuient. Appuyez sur Arrêter. Fermez la vanne de sortie de la cellule de pression (en haut).
  11. Pressuriser la cellule de pression.
    REMARQUE: Enfilez des lunettes de sécurité avant de pressuriser la cellule de pression.
    1. Réglez la limite de débit max à 10 mL/min pour éviter une pressurisation rapide de la cellule : sur le régulateur de pompe à pression, appuyez sur Limites; appuyez sur 3 pour un débit maximal; appuyez sur 1 pour régler le débit maximal; poinçon en 10; appuyez sur Entrée.
    2. Pressuriser la cellule à 100 kPa : sur le régulateur de pompe à pression, appuyez sur Const Press; appuyez sur A; poinçon en 100; appuyez sur Entrée. Appuyez sur Exécuter.
    3. Vérifiez s’il y a des fuites. S’il y a une fuite, appuyez sur Stop sur le contrôleur de pompe, serrez les composants qui fuient, appuyezsur Run et répétez jusqu’à ce qu’il n’y ait pas de fuites à 100 kPa. Assurez-vous qu’il n’y a pas de fuites en fermant la vanne de sortie de la pompe et en surveillant la pression de la cellule de pression dans le logiciel du transducteur de pression.
      REMARQUE: Si la pression diminue régulièrement et n’est pas une fluctuation normale en raison de la variation de la température ambiante, il y a une fuite.
    4. Augmentez la pression par incréments de 50 kPa de 100 kPa à 500 kPa, puis par incréments de 100 kPa de 500 kPa à 1 000 kPa, et enfin par incréments de ~1 000 kPa de 1 000 kPa à ~10 000 kPa. Pour ce faire, modifiez le paramètre Const Press comme précédemment. Entre les réglages de pression, fermez la vanne de sortie de la pompe et surveillez la pression de la cellule comme auparavant pour vous assurer que la pression est constante. Si la pression baisse, serrez soigneusement les composants qui fuient.
  12. Lorsque vous atteignez 10 000 kPa, fermez la vanne de sortie de la pompe et observez dans quelle mesure la cellule de pression maintient la pression en fonction du transducteur de pression. Comme une chute constante de pression indique une fuite, serrez les connexions à une pression inférieure, ~ 1 000 kPa.
  13. Pour dépressuriser, ouvrez la vanne de sortie de la pompe et réglez la pression à 100 kPa. Une fois que la pression plafonne, ouvrez légèrement la vanne de sortie de la cellule de pression.
  14. Pour retirer l’eau de la pompe à pression, fermez la vanne d’entrée de la pompe, modifiez les paramètres max flow et Const Flow à 100 mL/min, puis appuyez sur Run jusqu’à ce que la pompe soit vide.
  15. Débranchez le tube flexible de 1/4 » de l’entrée de la pompe. Débranchez le tuyau tressé en acier inoxydable de la cellule de pression. Ouvrez les deux vannes et vidangez l’eau. Retirez la fenêtre en saphir pour permettre à la cellule de sécher complètement.

5. Formez une coquille d’hydrate de méthane sur la surface des gouttelettes.

  1. Préparez l’équipement.
    1. Connectez le régulateur de cylindre de méthane à la pompe avec le tuyau en cuivre de 1/4 « à l’aide d’un nouvel ensemble d’écrous et de ferrules. Assurez-vous que la bouteille de gaz est fermée.
    2. Pratiquez la technique d’insertion de gouttelettes.
      1. Collez une pointe flexible, telle qu’un tube IV, coupée à un angle à l’extrémité de la canule pour aider à diriger la gouttelette vers la fenêtre en saphir. Fixez une seringue de 1 mL à la canule et tirez le volume d’eau désionisée souhaité (~50-300 μL). Sans la valve à aiguille ou la fenêtre en saphir attachée, insérez l’extrémité de la canule dans l’orifice supérieur et entraînez-vous à expulser la gouttelette sur la scène centrale. Après avoir pratiqué l’insertion de gouttelettes, retirez la gouttelette et séchez la scène.
        REMARQUE: Dans ce protocole, 250 μL d’eau désionisée ont été pris dans la seringue.
    3. Refixez la fenêtre en saphir et les rondelles avec des vis M8. Connectez le tuyau tressé en acier inoxydable de la pompe à pression à la cellule de pression et vérifiez que toutes les connexions de la bouteille de gaz à la cellule de pression sont étanches. Ouvrez la vanne d’entrée de la cellule de pression (valve latérale) et réglez la cellule de pression dans l’aquarium. Insérez un câble de source lumineuse à fibre optique dans le port d’éclairage de la cellule de pression.
    4. Ajouter 50/50 éthanol / eau (v / v) à l’aquarium jusqu’à ce qu’il soit au niveau du haut de la cellule de pression, juste en dessous de la connexion de la source lumineuse. Assurez-vous que le débit de la hotte est activé. Lorsque le niveau de la solution diminue avant les essais futurs dans les semaines suivantes, ajoutez plus d’éthanol. Remplacez la solution tous les mois.
    5. Réglez le refroidisseur à la température qui atteindra ~0 °C à 3 °C à l’intérieur de la cellule (~-4 °C) et commencez à circuler à travers les bobines. Activez le flux d’air vers l’avant de l’aquarium pour éviter la condensation à la surface de l’aquarium.
    6. Démarrez un journal de température dans le logiciel de l’enregistreur de données. Définissez l’intervalle d’analyse sur 30 s. Attendez que la température à l’intérieur de la cellule de pression soit stable à 2 °C (~6-24 h).
  2. Ajoutez une gouttelette d’eau dans la cellule de pression à l’aide de la vue de la caméra sur l’ordinateur portable.
    1. Allumez la source lumineuse à ~80%. Ouvrez le logiciel de l’appareil photo. En mode Live View, focalisons l’objectif de la caméra sur la chambre interne de la cellule. Ajustez la source lumineuse pour une meilleure imagerie.
    2. Démarrez un nouveau journal de température avec un intervalle de balayage de 1 s.
    3. Si vous êtes fixé, détachez la vanne de l’aiguille de sortie dans l’orifice supérieur de la cellule de pression. Fixez une seringue de 1 mL à la canule et tirez le volume d’eau désionisée souhaité (~50-300 μL).
      REMARQUE: Dans ce protocole, 250 μL d’eau désionisée ont été tirés dans la seringue.
    4. Insérez la canule à travers le port supérieur jusqu’à ce que la pointe soit visible dans le logiciel de l’appareil photo en mode d’affichage en direct. Expulser la gouttelette de liquide de la seringue sur le thermocouple central. Rebranchez la vanne à aiguille.
  3. Focalisation de la caméra sur la gouttelette dans la cellule de pression. Commencez l’imagerie time-lapse toutes les ~60 s.
  4. Ouvrez le logiciel du transducteur de pression sur l’ordinateur portable et commencez à collecter des données sur le graphique et le journal de données à un intervalle de balayage de 1 s (identique à l’intervalle de balayage de la température). Attendez que la température des gouttelettes soit stable entre 0 et 3 °C.
  5. Pressuriser la cellule de pression à la pression souhaitée.
    REMARQUE: Enfilez des lunettes de sécurité avant de pressuriser la cellule.
    1. Allumez la pompe et le contrôleur. Fermez la vanne d’entrée de la pompe à pression.
    2. Ouvrez la vanne de sortie de la pompe et les vannes de la cellule de pression.
      REMARQUE: La vanne d’entrée de la cellule de pression doit toujours être ouverte.
    3. Tare la pression de la pompe en appuyant sur Zéro sur le contrôleur de la pompe à pression. Sélectionnez Pompe A sur le contrôleur de pompe à pression pour surveiller la pression.
    4. Assurez-vous que la pompe à pression est vide si un autre fluide que le méthane était présent dans la pompe. Pour ce faire, réglez le débit maximal et le débit Const sur 100 mL/min et appuyez sur Exécuter. Laissez-le fonctionner jusqu’à ce que la pompe soit vide. Fermez la vanne de sortie de la pompe et ouvrez la vanne d’entrée de la pompe.
    5. Ouvrez la bouteille de gaz et réglez le régulateur de la bouteille de gaz sur 1 000 kPa.
    6. Appuyez sur Recharger sur le contrôleur de la pompe à pression. Lorsque la pompe est pleine et proche de 1 000 kPa, fermez la vanne d’entrée de la pompe et la bouteille de gaz.
    7. Légèrement ouvert (~1/16"tour) la vanne de sortie de la pompe à la cellule. Surveillez la pression de la cellule de pression dans le logiciel du transducteur de pression, car la pression peut diminuer en raison de la température relativement plus basse dans la cellule de pression.
    8. Réglez le débit max à 10 mL/min: sur le régulateur de pompe à pression, appuyez sur Limites; appuyez sur 3 pour un débit maximal; appuyez sur 1 pour régler le débit maximal; poinçon en 10; appuyez sur Entrée.
    9. Réglez la pression max à 5 000 kPa: sur le régulateur de pompe à pression, appuyez sur Limites; appuyez sur 1; poinçon en 5000; appuyez sur Entrée.
    10. Réglez la pression constante à 1 000 kPa: sur le régulateur de pompe à pression, appuyez sur Const Press; appuyez sur A; poinçon en 1000; appuyez sur Entrée. Appuyez sur Exécuter.
    11. Lorsque 1 000 kPa est atteint, appuyez sur Stop sur le contrôleur de pompe et fermez la vanne de sortie de la pompe. Surveillez la pression dans la cellule de pression pour vous assurer qu’il n’y a pas de fuites. Si la pression chute, utilisez le détecteur de fuite de liquide pour trouver la fuite au niveau des connexions et serrez soigneusement les composants qui fuient.
    12. Si la cellule est stable, ouvrez la sortie de la pompe et réglez la presse Const sur 2 000 kPa. Appuyez sur Arrêter et surveiller. S’il est stable à 2 000 kPa, réglez Const Press sur 3 000 kPa. Appuyez sur Arrêter et surveiller. S’il est stable à 3 000 kPa, réglez Const Press sur 4 000 kPa. Appuyez sur Arrêter et surveiller. S’il est stable à 4 000 kPa, réglez Const Press sur 5 000 kPa. Appuyez sur Arrêter et surveiller.
    13. Si la pression est stable, fermez la sortie de la pompe.
      REMARQUE: Si le volume de la pompe s’épuise, fermez la sortie de la pompe et ouvrez légèrement l’entrée de la pompe. Ouvrez lentement la bouteille de gaz et réglez le régulateur de gaz à 1 000 kPa. Appuyez sur Recharger sur le contrôleur de pompe. Lorsque la pompe est remplie, fermez la bouteille de gaz et l’entrée de la pompe. Pressurisez la pompe pour qu’elle corresponde à la pression de la cellule de pression.
    14. Attendez ~12-24 h pour que le gaz pénètre dans la gouttelette.
  6. Nucléez la coquille hydratante à l’aide de glace carbonique.
    1. Changez le time-lapse pour prendre des images toutes les 2 à 5 s.
    2. Ajoutez de la glace carbonique au sommet de la cellule jusqu’à ce que la coquille hydratante soit vue en accéléré. Si la glace carbonique glisse, apposez du ruban adhésif autour du haut de la cellule.
  7. Observez la progression de la formation d’hydrate de méthane à travers des photos time-lapse pendant environ 2 à 6 h.
  8. Dépressurisez la cellule à 2 000 kPa en ouvrant la sortie de la pompe et en réglant la Const Press à 2 000 kPa. Notez quand la fusion se produit.
    REMARQUE: Des bouillonnements dans la gouttelette sessile peuvent se produire en raison de la fuite du gaz dissous.
  9. Après ~30 min, repressuriser la cellule de pression à 5 000 kPa pour observer l’effet mémoire. Notez quand une coquille hydratée commence à se réformer. Laissez la coquille se former pendant environ 30 min à 2 h.
  10. Dépressurisez la cellule en ouvrant la sortie de la pompe et en réglant la const Press sur 0 kPa. S’il y a une pression résiduelle dans la cellule de pression, ouvrez légèrement la vanne supérieure de la cellule de pression d’environ 1/16 « .
  11. Enregistrez les données de pression et de température sous forme de fichiers .csv.
  12. Retirez la gouttelette en retirant la valve de la cellule de pression supérieure comme auparavant et en extrayant la gouttelette avec la seringue / canule / tube IV. S’il y a un problème de contamination entre les essais, retirez la fenêtre en saphir et désinfectez la scène et remplacez la graisse sous vide. Utilisez une ventouse pour retirer la fenêtre en saphir une fois que la cellule de pression s’est réchauffée à la température ambiante.

6. Analysez les données.

  1. Ouvrez les fichiers de .csv de température et de pression.
  2. Créez une nouvelle feuille de calcul. Copiez les colonnes de temps et de pression du .csv de pression et le temps et la température du fichier de .csv de température dans la nouvelle feuille de calcul.
  3. Faites un nuage de points avec le temps sur l’axe des x et deux axes y avec la température et la pression(figure supplémentaire S2).
  4. Faites deux colonnes supplémentaires pour la courbe de stabilité hydrate. Dans la première colonne, entrez les températures de 273,15 K à ~279,15 K à des intervalles de 0,1 K. Dans la deuxième colonne, calculez la pression en utilisant la formule (1) de Sloan & Koh13.
    P [kPa] = exp(a+b/T [K]) où a = 38,98 et b = -8533,80 (1)
  5. Faites un nuage de points de la limite de stabilité des hydrates, avec la température (K) sur l’axe des x et la pression (kPa) sur l’axe des y. Ajouter une deuxième série sur le nuage de points avec la température expérimentale et la pression sur les axes x et y, respectivement (Figure 4).
  6. Note sur les graphiques où une coquille d’hydrate est devenue visible, selon l’imagerie time-lapse.

7. Entretenir l’équipement.

  1. Complétez la solution du réservoir avec de l’éthanol avant chaque essai pour remplacer l’éthanol évaporé. Remplacez complètement la solution de réservoir tous les mois.
  2. Changez les joints toriques et la rondelle en caoutchouc tous les 2 mois d’utilisation régulière.
  3. Remplacez les connexions de port en cas de fuite persistante qui n’est pas corrigée par serrage.

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Representative Results

Avec cette méthode, une coquille d’hydrate de gaz sur une gouttelette peut être surveillée visuellement à travers une fenêtre en saphir de la cellule de pression et via des transducteurs de température et de pression. Pour nucléer la coquille hydratante après pressurisation à 5 MPa, de la glace carbonique peut être ajoutée au sommet de la cellule de pression pour induire un choc thermique pour déclencher une cristallisation rapide de l’hydrate. Il existe une nette différence morphologique lors de la formation de coquilles hydratantes forcées par la glace carbonique. La gouttelette d’eau est passée d’une surface lisse et réfléchissante (Figure 3A) à une coquille hydratée opaque avec une surface légèrement dendritique (Figure 3B). L’ajout de 100 μgmL-1 AFP de type I a modifié la morphologie de l’hydrate en induisant des bords striés le long de la gouttelette et des protubérances du haut de la gouttelette (Figure 3C,D).

Après que la coquille hydratée se soit développée pendant environ 1 h, la cellule a été dépressurisée à 2 MPa (vidéo supplémentaire S3). Au cours de la dépressurisation, il y a eu une baisse de température de 0,2 °C à 0,5 °C près de la courbe de stabilité P/T13 (Figure 4)en raison de la dissociation exothermique des hydrates. La dissociation des hydrates a été confirmée par fusion visuelle par imagerie time-lapse au début de la diminution de la température, notée par les étoiles de la figure 4. Après dissociation complète de l’hydrate, nous avons repressurisé la cellule pour observer la morphologie et la température de fusion avec « l’effet mémoire »14, le phénomène dans lequel l’hydrate se forme plus rapidement après que l’hydrate se soit déjà formé dans le système (Vidéo supplémentaire S4). Lors de la re-pressurisation, une coquille d’hydrate s’est reformée en quelques minutes après avoir atteint 5 MPa, et nous avons observé la même diminution de température à la courbe de stabilité pendant la dissociation.

Les témoins négatifs sans gouttelette et avec une gouttelette qui n’a pas formé de coquille d’hydrate (Figure 4, Essais 4 et 5) n’ont montré aucune diminution de la température pendant la dépressurisation. Lors de la dépressurisation en dessous de 2 MPa, nous avons observé un bouillonnement de gaz dans la gouttelette de dégazage rapide. Étant donné que le sommet de chaque diminution de température était supérieur à la courbe de stabilité P/T13 précédemment établie (courbe de stabilité des hydrates #1 dans la figure 4), une courbe de régression a été calculée en fonction du sommet P/T de ces essais (P [kPa] = EXP(38,98+-8533,8/T [K]), courbe de stabilité des hydrates #2 dans la figure 4).

Figure 1
Figure 1: Cellule de pression. La scène sur laquelle repose la gouttelette et les thermocouples intégrés sont révélés en enlevant la fenêtre en saphir et en surposant des rondelles en caoutchouc et en acier. Toutes les pièces et connexions sont étiquetées. Encart en haut à gauche: étage représenté d’en haut avec des thermocouples intégrés à l’étage central et latéral. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2
Figure 2: Installation expérimentale de l’hydrate de méthane. (A) Hotte dans laquelle se trouve l’installation expérimentale. (B) La bouteille de gaz est reliée à la pompe à pression via une bobine de cuivre. Surlignés à partir du panneau (A) sont (C) la cellule de pression assemblée, (D) le réservoir de 10 gallons (37,85 L) sans l’isolation ou la solution, (E) la pompe à pression, et (F, G, H) des images zoomées des connexions de la pompe à pression. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3: Coquilles d’hydrate de méthane. Images représentatives de la gouttelette avant (A) et après (B) une coquille d’hydrate de méthane formée sur une gouttelette d’eau désionisée et avant (C) et après (D) une coquille hydratée formée sur une gouttelette contenant 100 μg mL-1 protéine antigel de type I. Barres d’échelle = 5 mm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4
Figure 4: Diagramme de stabilité pression-température. Les données de pression et de température pendant la dépressurisation sont présentées avec les courbes de stabilité P / T de l’hydrate de méthane (n ° 1 de Sloan et Koh 200713 et n ° 2 calculées à partir d’une courbe de régression des pics de fusion des hydrates de cette étude). Les essais avec des coquilles d’hydrates formées avec succès sur des gouttelettes d’eau DI sont les essais 1, 2 et 3. L’essai 4 était un témoin négatif sans gouttelette sur la scène. La gouttelette de l’essai 5 était un autre témoin négatif dans lequel aucune coquille d’hydrate n’a été formée. Les étoiles indiquent quand la fonte visuelle de l’hydrate a commencé pendant la dépressurisation. L’essai 1 a une résolution de 30 s (un point de données toutes les 30 s); les autres essais ont une résolution de 1 s. Abréviations: T = essai; M.E. = effet mémoire; P/T = pression-température; DI = désionisé; res = résolution. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure supplémentaire S1 : Images CAO pour l’usinage de la cellule de pression. Les pièces A à F de la cellule de pression sont étiquetées avec leur lettre de pièce et leurs dimensions. Abréviation : CAD = conception assistée par ordinateur. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Figure supplémentaire S2 : Données de pression et de température au fil du temps pour les essais 2à4. Les essais 2 et 3 étaient des gouttelettes d’eau désionisées régulières qui formaient des coquilles hydratées. L’essai 4 était un témoin négatif dans lequel aucune gouttelette n’était présente. Les essais sont alignés à la première dépressurisation, qui se produit au temps zéro. Une petite baisse de température se produit au début de la dépressurisation en raison du mélange de gaz avec la pompe à pression. Une baisse de température plus importante se produit en raison de la fonte des hydrates après la perte de charge initiale, comme le montrent les essais 2 et 3. La fluctuation de température à la fin de l’essai 4 est due à l’ouverture de la vanne conduisant à une dépressurisation complète, qui se produit également à la fin des essais 2 et 3. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Tableau supplémentaire S1 : Contrainte admissible (MPa) de la cellule de pression usinée. Abréviation : FS = facteur de sécurité. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.

Tableau supplémentaire S2 : Facteur de sécurité pour la cellule de pression usinée. Abréviation : FS = facteur de sécurité. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce tableau.

Vidéo supplémentaire S1: Souche. Vidéo de la simulation de déformation sur cellule de pression usinée. Veuillez cliquer ici pour télécharger cette vidéo.

Vidéo supplémentaire S2 : Stress. Vidéo de la simulation de contrainte sur cellule de pression usinée. Veuillez cliquer ici pour télécharger cette vidéo.

Vidéo supplémentaire S3: Essai 3 de dissociation de la coquille hydrate. Vidéo time-lapse de la dissociation de la coquille hydratante à une vitesse 25x. Veuillez cliquer ici pour télécharger cette vidéo.

Vidéo supplémentaire S4: Essai 3 de la nucléation à effet mémoire. Vidéo time-lapse de la formation de coquille d’hydrate par effet mémoire après repressurisation de 2 MPa à 5 MPa à une vitesse 10x. Veuillez cliquer ici pour télécharger cette vidéo.

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Discussion

Nous avons développé une méthode pour former des coquilles d’hydrate de méthane sur des gouttelettes d’eau sessiles en toute sécurité et partager cette méthode pour usiner et assembler une cellule de pression nominale à 10 MPa de pression de travail, ainsi que les systèmes de pressurisation et de refroidissement. La cellule de pression est équipée d’un étage pour la gouttelette contenant des thermocouples intégrés, d’une fenêtre en saphir pour visualiser la gouttelette et d’un transducteur de pression fixé au sommet de la cellule. Le système de refroidissement comprend de l’éthylène glycol réfrigéré circulant à travers des bobines de cuivre dans un réservoir contenant une solution d’éthanol à 50%, dans lequel la cellule de pression est placée. Une pompe à pression met sous pression le gaz de la bouteille à la cellule de pression. La coquille hydratante se forme lors d’une diminution rapide de la température avec l’ajout de glace carbonique au sommet de la cellule de pression. Nous laissons la coquille se former pendant 2 h, au cours desquelles nous pensons que le gaz pénètre par fissuration stochastique de la coquille hydratée et maturation d’Ostwald sur une période plus longue. En effet, ce dispositif pourrait être utilisé pour étudier ces phénomènes.

Les étapes critiques de ce protocole comprennent: 1) tester l’étanchéité de la cellule de pression avec de l’eau avant de la pressuriser avec du gaz, 2) s’entraîner à ajouter la gouttelette d’eau sur la scène avant d’insérer la fenêtre en saphir, 3) refroidir la gouttelette pour qu’elle soit stable à ~ 2 ° C avant la pressurisation, 4) pressuriser avec un débit maximal de 10 mL min-1 à 5 MPa par incréments de 1 MPa, 5) fermer la vanne de sortie de la pompe à pression (à la cellule) pour limiter les échanges de gaz avec la pompe à pression, 6) régler la température, la pression et le logiciel time-lapse pour enregistrer toutes les 1 s, 1 s et 5 s (ou moins), respectivement, avant d’ajouter de la glace carbonique, 7) appliquer de la glace carbonique sur le dessus de la cellule en continu jusqu’à ce qu’une coquille d’hydrate soit observée dans le time-lapse, 8) laisser la coquille hydratante se former pendant au moins 1 h, 9) dépressuriser à la même vitesse que la pressurisation.

Au cours du développement de la méthode, nous avons optimisé les variables et les techniques, y compris le moment du refroidissement, de la pressurisation, de la dépressurisation, de la taille des gouttelettes et de la technique d’insertion des gouttelettes. L’utilisation de cette méthode présente quelques limitations. Une limitation est la résolution de l’imagerie des gouttelettes en raison de la résolution de la caméra et des matériaux entre la caméra et les gouttelettes (réservoir, solution d’éthanol, fenêtre épaisse en saphir). De plus, alors que d’autres études observent la gouttelette de surface à l’échelle microscopique7,9,10, cette méthode ne permet que des observations à l’échelle macro. Une fixation de lentille de microscope pourrait être installée s’il y avait un intérêt pour les micro-observations.

Une autre limite à cette méthode est de ne pas pouvoir mesurer l’épaisseur de la coquille d’hydrate avec précision. Cependant, l’épaisseur de l’hydrate peut être estimée en soustrayant la section transversale avant et après la formation d’hydrates et en calculant la consommation de gaz en utilisant le changement de température pendant la dépressurisation pour déterminer le volume d’hydrate formé. Une autre limitation est que cette gouttelette ne peut pas être visualisée en 3D car il n’y a qu’un seul côté de la cellule de pression contenant une fenêtre en saphir. En revanche, d’autres études ont utilisé des cellules entièrement en saphir pour observer la gouttelette sous plusieurs angles7. Nous n’avons pas non plus installé d’étape de contrôle de la température10 ou de techniques spectroscopiques; cependant, ceux-ci pourraient certainement être installés à l’aide de cette configuration.

Avec cette méthode, la morphologie, la pression et la température de dissociation, ainsi que le changement de température pendant la dissociation des hydrates peuvent être observés avec des gouttelettes contenant des additifs ou des substrats d’étape alternatifs. Cette méthode est relativement bon marché et il existe peu de protocoles complets pour former des coquilles d’hydrate de gaz. Parce que les systèmes haute pression peuvent être dangereux, nous incluons des conseils de sécurité pour la pressurisation et les tests d’étanchéité. De plus, de nombreuses configurations ne permettent pas la visualisation de la formation d’hydrates de gaz, ou le font à une échelle beaucoup plus petite ou beaucoup plus grande. Les expériences en laboratoire contribuent grandement à la compréhension des hydrates de gaz naturels et des hydrates de gaz naturel qui peuvent causer des explosions mortelles de gazoducs. Cette méthode peut être utilisée pour évaluer rapidement les effets des additifs sur la température et la morphologie de dissociation et la capacité des additifs à éliminer l’effet mémoire. Des additifs efficaces pourraient être utilisés comme inhibiteurs dans les gazoducs ou pour étudier l’activité biologique des protéines bactériennes d’eau profonde6,15.

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Disclosures

Il n’y a pas d’intérêts financiers concurrents.

Acknowledgments

La subvention d’exobiologie 80NSSC19K0477 de la NASA a financé cette recherche. Nous remercions William Waite et Nicolas Espinoza pour leurs précieuses discussions.

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).

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Sciences de l’environnement numéro 171 Méthane hydrate gouttelettes haute pression additifs inhibiteurs limites de stabilité
Cristallisation de l’hydrate de méthane sur les gouttelettes d’eau sessile
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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).

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