Summary
Wir beschreiben eine Methode zur Bildung von Gashydrat auf seelischen Wassertröpfchen, um die Auswirkungen verschiedener Inhibitoren, Promotoren und Substrate auf die Morphologie des Hydratkristalls zu untersuchen.
Abstract
Diese Arbeit beschreibt eine Methode zur Bildung von Methanhydrathüllen auf Wassertröpfchen. Darüber hinaus liefert es Blaupausen für eine Druckzelle mit einer Nennleistung von 10 MPa Arbeitsdruck, die eine Stufe für sessile Tröpfchen, ein Saphirfenster zur Visualisierung sowie Temperatur- und Druckmessumformer enthält. Eine Druckpumpe, die an eine Methangasflasche angeschlossen ist, wird verwendet, um die Zelle auf 5 MPa unter Druck zu setzen. Das Kühlsystem ist ein 10-Gallonen-Tank (37,85 l), der eine 50% ige Ethanollösung enthält, die über Ethylenglykol durch Kupferspulen gekühlt wird. Dieser Aufbau ermöglicht die Beobachtung der Temperaturänderung, die mit der Hydratbildung und -dissoziation während der Abkühlung bzw. Druckentlastung verbunden ist, sowie die Visualisierung und Fotografie der morphologischen Veränderungen des Tröpfchens. Mit dieser Methode wurde eine schnelle Hydrathüllenbildung bei ~-6 °C bis -9 °C beobachtet. Während der Druckentlastung wurde ein Temperaturabfall von 0,2 °C bis 0,5 °C an der Druck/Temperatur-Stabilitätskurve (P/T) aufgrund der exothermen Hydratdissoziation beobachtet, was durch die visuelle Beobachtung des Schmelzens zu Beginn des Temperaturabfalls bestätigt wurde. Der "Memory-Effekt" wurde nach der Druckberuhigung auf 5 MPa von 2 MPa beobachtet. Dieses experimentelle Design ermöglicht die Überwachung von Druck, Temperatur und Morphologie des Tröpfchens im Laufe der Zeit, was es zu einer geeigneten Methode macht, um verschiedene Additive und Substrate auf Hydratmorphologie zu testen.
Introduction
Gashydrate sind Käfige aus wasserstoffgebundenen Wassermolekülen, die Gastgasmoleküle über Van-der-Waals-Wechselwirkungen einfangen. Methanhydrate bilden sich unter Hochdruck- und Tieftemperaturbedingungen, die in der Natur im unterirdischen Sediment entlang der Kontinentalränder, unter arktischem Permafrost und auf anderen planetaren Körpern im Sonnensystem vorkommen1. Gashydrate speichern mehrere tausend Gigatonnen Kohlenstoff, mit wichtigen Auswirkungen auf Klima und Energie2. Gashydrate können auch in der Erdgasindustrie gefährlich sein, da in Gaspipelines günstige Bedingungen für Hydrate auftreten, die die Rohre verstopfen können, was zu tödlichen Explosionen und Ölverschmutzungen führen kann3.
Aufgrund der Schwierigkeit, Gashydrate in situzu untersuchen, werden häufig Laborexperimente eingesetzt, um die Hydrateigenschaften und den Einfluss von Inhibitoren und Substraten zu charakterisieren4. Diese Laborexperimente werden durchgeführt, indem Gashydrat bei erhöhtem Druck in Zellen verschiedener Formen und Größen gezüchtet wird. Bemühungen zur Verhinderung der Gashydratbildung in Gaspipelines haben zur Entdeckung mehrerer chemischer und biologischer Gashydratinhibitoren geführt, darunter Frostschutzproteine (AFPs), Tenside, Aminosäuren und Polyvinylpyrrolidon (PVP)5,6. Um die Auswirkungen dieser Verbindungen auf die Gashydrateigenschaften zu bestimmen, wurden in diesen Experimenten verschiedene Gefäßdesigns verwendet, darunter Autoklaven, Kristallisatoren, Rührreaktoren und Schaukelzellen, die Volumina von 0,2 bis 106 Kubikzentimetern unterstützen4.
Die hier und in früheren Studien 7 , 8 , 9,10,11,12verwendete sessile Tröpfchenmethode beinhaltet die Bildung eines Gashydratfilms aufeinem sessilen Wassertröpfchen in einer Druckzelle. Diese Behälter bestehen aus Edelstahl und Saphir, um Drücke von bis zu 10-20 MPa aufzunehmen. Die Zelle ist mit einer Methangasflasche verbunden. Zwei dieser Studien verwendeten die Tröpfchenmethode, um AFPs als Gashydratinhibitoren im Vergleich zu kommerziellen kinetischen Hydratinhibitoren (KHIs) wie PVP7zu testen,11. Bruusgard et al.7 konzentrierten sich auf den morphologischen Einfluss von Inhibitoren und fanden heraus, dass Tröpfchen, die Typ-I-AFPs enthalten, bei hohen Antriebskräften eine glattere, glasige Oberfläche haben als die dendritische Tröpfchenoberfläche ohne Inhibitoren.
Udegbunam et al.11 verwendeten eine Methode, die entwickelt wurde, um KHIs in einer früheren Studie10zu bewerten, die die Analyse der Morphologie / Wachstumsmechanismen, der Hydrate-Flüssigkeit-Dampf-Gleichgewichtstemperatur / -druck und der Kinetik als Funktion der Temperatur ermöglicht. Jung et al. untersuchten den CH4-CO2-Ersatz durch Überfluten der Zelle mitCO2 nach Bildung einer CH4-Hydrathülle 8. Chen et al. beobachteten, wie Ostwald reifte, als sich dieHydrathülle bildet 9. Espinoza et al. untersuchtenCO2-Hydrathüllen auf verschiedenen mineralischen Substraten12. Die Tröpfchenmethode ist eine relativ einfache und kostengünstige Methode, um die morphologische Wirkung verschiedener Verbindungen und Substrate auf Gashydrate zu bestimmen und erfordert aufgrund des geringen Volumens geringe Mengen an Additiven. Dieses Papier beschreibt ein Verfahren zur Bildung solcher Hydrathüllen auf einem Wassertropfen unter Verwendung einer Edelstahlzelle mit einem Saphirfenster zur Visualisierung, bewertet mit einem Arbeitsdruck von bis zu 10 MPa.
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Protocol
1. Entwerfen, validieren und bearbeiten Sie die Druckzelle.
- Entwerfen Sie die Zelle so, dass sie eine direkte Visualisierung der Hydratbildung aus einem Wassertropfen ermöglicht. Stellen Sie sicher, dass die Zelle über eine Hauptkammer mit einem durchsichtigen Saphirfenster und vier Anschlüssen für Flüssigkeits-/Gaseinlass, -auslass, Licht und Drähte verfügt (Abbildung 1). Erstellen Sie den endgültigen Entwurf in der Konstruktionssoftware (Ergänzende Abbildung S1).
- Um zu überprüfen, ob die Druckzelle unter hohem Arbeitsdruck sicher ist, führen Sie eine Finite-Elemente-Analyse mit Simulationssoftware durch.
- Geben Sie das Druckzellenmodell in voller Größe aus der Konstruktionssoftware in die Simulationssoftware ein.
- Weisen Sie dem Saphirfenster einen Elastizitätsmodul von 400 GPa und ein Poisson-Verhältnis von 0,29 zu.
- Weisen Sie für alle Edelstahlteile Edelstahl 316 mit einem Elastizitätsmodul von 190 GPa und einem Poisson-Verhältnis von 0,27 zu.
- Wenden Sie Schritt für Schritt einen Luftdruck von 0 bis 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9 und 10 MPa auf das Innere der Zelle an (Supplemental Video S1 und Supplemental Video S2). Behandeln Sie jeden Belastungsschritt als statisches Problem, indem Sie die zeitabhängigen Terme in den maßgeblichen Gleichungen ignorieren und nur die elastische Verformung während der Druckbeaufschlagung berücksichtigen.
- Verwenden Sie den direkten linearen Gleichungslöser in Simulationssoftware, um die Spannungsverteilung und die Verformung der Zelle unter verschiedenen Druckbedingungen zu berechnen (Ergänzungstabelle S1 und Ergänzungstabelle S2).
- Sobald das Druckzellendesign als sicher verifiziert ist, lassen Sie alle Teile basierend auf dem Entwurf der Konstruktionssoftware bearbeiten.
2. Montieren Sie die Druckzelle (Abbildung 1).
- Schrauben Sie die vier NPT-Gewinde (National Pipe Tapered) mit Klempnerband in die entsprechenden Ports der Druckzelle.
- Montieren Sie den Beleuchtungsanschluss mit dem Blueprint-Design(Ergänzende Abbildung S1,Teile C, D und E) und schließen Sie ihn an die obere linke NPT-Schraube an.
- Schließen Sie den Druckmessumformer über die Zweig-T-Shirt- und Port-Anschlussverschraubung an den NPT mit dem oberen Anschluss an.
- Verbinden Sie das Einlassnadelventil in der linken NPT-Schraube mit einer Anschlussverschraubung.
- Installieren Sie einen Druckdichtungsanschluss in den rechten Anschluss der Druckzelle. Stecken Sie drei K-Typ-Thermoelementdrähte durch den Druckdichtungsstecker mit 3 "Slack in der Zelle und 3 'Slack außerhalb der Zelle.
- Polieren Sie die Tischoberfläche mit Schleifpapier (Ergänzende Abbildung S1, Teil F).
- Stecken Sie die Thermoelemente in die jeweiligen Löcher in der Bühne, so dass die Spitzen bündig mit der Oberseite der Bühne sind. Verwenden Sie einen kleinen Tropfen Klebstoff in jedem Loch, um die Thermoelemente an Ort und Stelle zu fixieren und trocknen zu lassen.
- Befestigen Sie die Acrylscheibe an der Rückwand der Druckzelle, um die Lichtreflexion zu verbessern. Passen Sie die Bühne in die Druckzelle an.
- Installieren Sie das Saphirfenster.
- Tragen Sie Vakuumfett auf zwei statische Dichtungs-O-Ringe (einen 1" und einen 1-1/5") auf. Passen Sie die O-Ringe in die Rillen um das Fensterloch an der Druckzelle an.
- Setzen Sie das Saphirfenster ein. Decken Sie das Saphirfenster mit einer 2-1/4"-Gummischeibe ab und schrauben Sie die Edelstahlscheibe(ergänzende Abbildung S1,Teil B) mit acht M8-Edelstahlschrauben fest (Abbildung 2C).
3. Montieren Sie das Gerät in einem großen Abzug (Abbildung 2).
HINWEIS: Da Methan unter Druck ein brennbares Gas ist, halten Sie alle methanbezogenen Schläuche und Behälter von Hitze, Funken, offener Flamme und heißen Oberflächen fern. Stellen Sie alle Geräte in einem gut belüfteten Bereich auf (z. B. einem Abzug). Tragen Sie eine Schutzbrille und einen Laborkittel an, bevor Sie mit Methangas arbeiten.
- Heben Sie die Druckpumpe vorsichtig in einen Abzug, der groß genug ist, dass alle Geräte passen (Abbildung 2A). Platzieren Sie den Pumpenregler oben auf dem Pumpensockel. Schließen Sie den Pumpenregler an die Pumpe an und stecken Sie ihn in eine Steckdosenleiste.
- Führen Sie ein hochdruckfestes 1/4"-Kupferrohr vom Regler an der Methangasflasche zum Abzug neben dem Einlass der Druckpumpe(Abbildung 2A,B).
- Platzieren Sie den Datenlogger neben der Druckpumpe und stellen Sie den Laptop auf den Datenlogger (Abbildung 2A). Schließen Sie beide an eine Steckdosenleiste an. Verbinden Sie den Datenlogger über den Datenlogger USB mit dem Laptop.
- Installieren Sie auf dem Laptop die richtige Software, um den Datenlogger, die Kamera und den Druckmessumformer an der Druckzelle zu steuern.
- Stellen Sie das Aquarium neben den Datenlogger und platzieren Sie eine nicht auslaugende Polsterung im Boden des Aquariums, um Vibrationen auf die Druckzelle zu begrenzen (Abbildung 2C).
- Spulen Sie das Kupferrohr mit einem neuen 1/4 "Kupferrohr zweimal in ein Oval, um in das Aquarium zu passen, so dass die Druckzelle drinnen sitzen kann (Abbildung 2D). Stellen Sie sicher, dass die Spule das Saphirfenster in der Druckzelle nicht blockiert. Heben Sie die Druckzelle im Aquarium an, um das Saphirfenster zu sehen.
- Stellen Sie die umlaufende Kältemaschine auf den Boden in der Nähe des Abzugs(Abbildung 2A). Füllen Sie den Kühler mit 50/50 v/v Ethylenglykol/Wasser.
HINWEIS: Da Ethylenglykol gefährlich ist, verwenden Sie beim Gießen geeignete Sicherheitskleidung, einschließlich Handschuhe, Laborkittel und Schutzbrille. - Schneiden Sie zwei Längen eines 3/8 "(Innendurchmesser) Kunststoffschlauchs, um den Ein- und Auslass des Kühlers mit den Kupferrohrenden im Aquarium zu verbinden. Stellen Sie sicher, dass vor dem Schneiden genügend Durchhang vorhanden ist, damit die Schaumrohrisolierung passt.
- Schieben Sie den Kunststoffschlauch durch die Schaumrohrisolierung.
- Verbinden Sie den isolierten Kunststoffschlauch vom Ein- und Auslass des umlaufenden Kühlers mit den Enden der Kupferspule im Aquarium. Sichern Sie die Dichtungen, indem Sie Klempnerklebeband um die Metallteile wickeln und die Verbindungen mit Schneckenlaufwerks-Schlauchschellen festziehen. Schalten Sie den Kühler ein und stellen Sie ihn so ein, dass er mit hoher Geschwindigkeit zirkuliert. Stellen Sie sicher, dass keine Lecks vorhanden sind.
- Tragen Sie Unterwasserdichtungsmittel um die Kupferspulen- / Kunststoffschlauchverbindungen im Aquarium auf. Lassen Sie die Versiegelung aushärten. Wickeln Sie die Versiegelung mit Klebeband ein.
- Installieren Sie den Druckpumpenschlauch (Abbildung 2E).
HINWEIS: Ziehen Sie die Verbindungen immer von Hand fest, bevor Sie Werkzeuge verwenden, und lösen Sie die NPT-Verbindungen niemals mit Klempnerklebeband, da sie nicht gut abdichten.- Installieren Sie ein 1/8"-Edelstahlrohr auf beiden Seiten der Druckpumpe mit den Firmenarmaturen, die mit der Pumpe geliefert wurden, mit Klempnerband(Abbildung 2F).
- Biegen Sie das 1/8"-Rohr mit einem Rohrbieger in einem Winkel von 90 ° nach vorne, etwa 2 "von der Pumpe entfernt, um ein Biegen an der Verbindung zu vermeiden.
- Biegen Sie das 1/8"-Rohr mit einem Rohrbieger in einem Winkel von 90 ° nach unten, etwa 2 "von der ersten Biegung entfernt.
- Schließen Sie den 1/8" bis 1/4" Adapter an, der auf beiden Seiten an das 1/8"-Rohr passt(Abbildung 2G).
- Befestigen Sie 1/4 "Rohr an der Adapterarmatur auf beiden Seiten.
HINWEIS: Um das Ventil an der Seite der Pumpe zu befestigen, trimmen Sie den 1/4"-Schlauch so, dass das angebrachte Ventil neben den beiden Schraubenlöchern sitzt. - Installieren Sie die 1/4"-Nadelventile (Abbildung 2H). Wenn Sie Ventile an der Druckpumpe befestigen, bearbeiten Sie eine Stahl- oder Kunststoffplatte mit zwei 1/16"-Löchern für Schrauben und einem 1/2"-Loch zur Befestigung zwischen den Nadelventilanschlüssen. Setzen Sie die Platte zwischen die Ventilanschlüsse ein und schrauben Sie die Platte an die Seite der Pumpe.
HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Pfeile auf den Nadelventilen von hohem Druck (innerhalb der Druckpumpe) bis zu niedrigem Druck (außerhalb der Druckpumpe) zeigen. - Verbinden Sie ein Ende des flexiblen 1/4"-Edelstahlschlauches mit flexibler Druckleistung an das Auslassventil an der Druckpumpe und das andere Ende an das Seitenventil der Druckzelle.
- Verbinden Sie Thermoelemente von der Druckzelle mit den Datenlogger-Mehrkanalkanälen mit Datenloggerkanälen. Schließen Sie einen zusätzlichen Thermoelementdraht an, um die Temperatur der Tanklösung zu messen, und legen Sie das andere Ende in den Tank.
- Schließen Sie den Druckmessumformer an der Druckzelle an den Laptop an.
- Stellen Sie die Druckzelle im Aquarium in der Nähe der Vorderseite ein, um eine klarere Bildgebung zu ermöglichen.
- Um das Aquarium zu isolieren, wickeln Sie die Außenseite des Aquariums mit foliengefüttertem Fiberglas ein, mit einem Loch / Schlitz, damit die Kamera das Saphirfenster der Druckzelle sehen kann. Bedecken Sie die Oberseite des Aquariums mit Isoliermaterial, um eine Verdunstung während der Experimente zu verhindern.
HINWEIS: Vermeiden Sie es, die Aquarienoberseite fest zu versiegeln, um die Ansammlung von Wärme von der Lichtquelle zu vermeiden. - Um die Kondensation feuchter Luft an der Vorderseite des Aquariums zu verhindern, führen Sie Kunststoffschläuche vom nächstgelegenen Luftventil zur Vorderseite des Aquariums, wo die Kamera zeigt, so dass der Schlauch auf den Fotos nicht sichtbar ist.
- Stellen Sie die Lichtquelleneinheit neben das Aquarium und stecken Sie sie in die Steckdosenleiste.
- Stellen Sie die Kamera vor das Aquarium, wobei das Objektiv auf das Saphirfenster zeigt. Schließen Sie die Kamera an den Laptop und die Steckdosenleiste an.
- Heben Sie die gesamte Elektronik von der Haubenoberfläche ab, um mögliche Leckageschäden zu vermeiden. Überprüfen Sie, ob der Strom für die Stromkapazität der Steckdosen verteilt ist.
4. Dichtheitsprüfung der Druckzelle mit Wasser.
HINWEIS: Um sicherzustellen, dass alle Verbindungen ordnungsgemäß abgedichtet wurden, testen Sie die Druckzelle jederzeit mit Wasser, wenn die Zelle wieder zusammengebaut wurde, insbesondere nach dem Trennen der NPT-Schrauben. Dies ist nach dem Entfernen des Saphirfensters oder des oberen Ventils nicht erforderlich. Wasser ist unter Druck sicherer als Gas.
- Öffnen Sie die Druckmessumformer-Software auf dem Laptop und beginnen Sie mit der Datenerfassung in einem Scanintervall von 1 s.
- Schalten Sie die Druckpumpe und den Regler ein. Drücken Sie Pumpe A auf den Druckpumpenregler, um den Druck zu überwachen.
- Wenn sich Druck in der Pumpe befindet, verringern Sie den Druck, indem Sie den Druckpumpenregler nachfüllen drücken, während sowohl das Pumpeneinlass- als auch das Auslassventil noch geschlossen sind.
- Öffnen Sie bei geöffneten beiden Druckzellenventilen das Pumpenauslassventil leicht um ~ 1/16 ", um den verbleibenden Druck langsam abzulassen.
- Wenn angeschlossen, trennen Sie das 1/4 "Kupferrohr vom Einlassventil an der Druckpumpe.
- Befestigen Sie den flexiblen 1/4-Zoll-Schlauch mit einem Muttern- und Ferrule-Set am Pumpeneinlassventil. Legen Sie das Ende des Schlauches in eine Gallone Wasser.
- Schließen Sie das Auslassventil der Pumpe und öffnen Sie das Einlassventil der Pumpe.
- Drücken Sie auf Nachfüllen auf den Druckpumpenregler, um den Pumpenkolben mit Wasser zu füllen.
- Stellen Sie die Druckzelle in einen flachen leeren Behälter außerhalb des Aquariums.
- Reinigen Sie die Luft aus der Druckzelle, bis Wasser aus dem oberen Anschluss kommt und die Druckzelle vollständig gefüllt ist.
- Schließen Sie das Einlassventil der Pumpe und öffnen Sie das Auslassventil der Pumpe.
- Stellen Sie sicher, dass die Ventile an der Druckzelle noch geöffnet sind.
- Stellen Sie den maximalen (maximalen) Durchfluss auf 100 ml/min ein: Drücken Sie am Druckpumpenregler auf Grenzwerte; Drücken Sie 3 für maximalen Durchfluss; Drücken Sie 1, um den maximalen Durchfluss einzustellen. Punch in 100; Drücken Sie die Eingabetaste.
- Drücken Sie D, um zur vorherigen Seite zu gelangen.
- Stellen Sie den konstanten Durchfluss auf 100 ml/min ein: Drücken Sie am Druckpumpenregler auf Const Flow; Drücken Sie A für den Durchfluss; Punch in 100; Drücken Sie die Eingabetaste. Drücken Sie auf Ausführen.
- Wenn kein Wasser austritt oder wenn das Volumen im Kolben nicht ausreicht, füllen Sie den Kolben erneut auf, indem Sie das Pumpenauslassventil schließen, das Pumpeneinlassventil mit Schläuchen in Wasser öffnen und Nachfüllendrücken . Spülen Sie dann die Luft aus, indem Sie das Pumpeneinlassventil schließen, das Pumpenauslassventil öffnen, die Durchflussrate auf 100einstellen und Rundrücken.
- Sobald Wasser aus dem oberen Anschluss der Druckzelle kommt, überprüfen Sie auf Lecks und ziehen Sie alle undichten Verbindungen fest. Drücken Sie Stop. Schließen Sie das Druckzellenauslassventil (oben).
- Setzen Sie die Druckzelle unter Druck.
HINWEIS: Setzen Sie eine Schutzbrille auf, bevor Sie die Druckzelle unter Druck setzen.- Stellen Sie die maximale Durchflussgrenze auf 10 ml / min ein, um eine schnelle Druckbeaufschlagung der Zelle zu verhindern: Drücken Sie am Druckpumpenregler auf Grenzwerte; Drücken Sie 3 für maximalen Durchfluss; Drücken Sie 1, um den maximalen Durchfluss einzustellen. Punch in 10; Drücken Sie die Eingabetaste.
- Setzen Sie die Zelle auf 100 kPa unter Druck: Drücken Sie auf dem Druckpumpenregler Const Press; Drücken Sie A; Punch in 100; Drücken Sie die Eingabetaste. Drücken Sie auf Ausführen.
- Überprüfen Sie auf Lecks. Wenn ein Leck vorliegt, drücken Sie Stop am Pumpenregler, ziehen Sie die undichten Komponenten fest, drücken Sie Run, und wiederholen Sie den Vorgang, bis bei 100 kPa keine Lecks mehr vorhanden sind. Stellen Sie sicher, dass keine Lecks vorhanden sind, indem Sie das Pumpenauslassventil schließen und den Druck der Druckzelle in der Druckmessumformer-Software überwachen.
HINWEIS: Wenn der Druck konstant abnimmt und aufgrund von Raumtemperaturschwankungen keine normale Fluktuation ist, liegt ein Leck vor. - Erhöhen Sie den Druck in Schritten von 50 kPa von 100 kPa auf 500 kPa, dann in Schritten von 100 kPa von 500 kPa auf 1.000 kPa und schließlich in Schritten von ~ 1.000 kPa von 1.000 kPa auf ~ 10.000 kPa. Ändern Sie dazu die Const Press-Einstellung wie zuvor. Schließen Sie zwischen den Druckeinstellungen das Pumpenauslassventil und überwachen Sie den Druck der Zelle wie zuvor, um sicherzustellen, dass der Druck konstant ist. Wenn der Druck abfällt, ziehen Sie die undichten Komponenten vorsichtig fest.
- Schließen Sie bei Erreichen von 10.000 kPa das Pumpenauslassventil und beobachten Sie, wie gut die Druckzelle den Druck entsprechend dem Druckaufnehmer hält. Da ein konstanter Druckabfall auf ein Leck hinweist, ziehen Sie die Verbindungen bei einem niedrigeren Druck von ~ 1.000 kPa fest.
- Um den Druck zu verringern, öffnen Sie das Pumpenauslassventil und stellen Sie den Druck auf 100 kPa. Sobald der Druck plateaut ist, öffnen Sie das Druckzellenauslassventil leicht.
- Um Wasser aus der Druckpumpe zu entfernen, schließen Sie das Pumpeneinlassventil, ändern Sie die Einstellungen für den maximalen Durchfluss und den Konstanten Durchfluss auf 100 ml/minund drücken Sie Ausführen, bis die Pumpe leer ist.
- Trennen Sie den flexiblen 1/4-Zoll-Schlauch vom Pumpeneinlass. Trennen Sie den geflochtenen Edelstahlschlauch von der Druckzelle. Öffnen Sie beide Ventile und lassen Sie das Wasser ab. Entfernen Sie das Saphirfenster, damit die Zelle vollständig trocknen kann.
5. Bilden Sie eine Methanhydrathülle auf der Tröpfchenoberfläche.
- Bereiten Sie die Ausrüstung vor.
- Verbinden Sie den Methanzylinderregler mit einem neuen Mutter- und Ferrule-Set mit der Pumpe mit dem 1/4"-Kupferrohr. Stellen Sie sicher, dass die Gasflasche geschlossen ist.
- Üben Sie die Tröpfcheneinführungstechnik.
- Kleben Sie eine flexible Spitze, wie z. B. einen IV-Schlauch, der in einem Winkel zum Ende der Kanüle geschnitten ist, um den Tröpfchen in Richtung saphirfenster zu lenken. Befestigen Sie eine 1 mL Spritze an der Kanüle und ziehen Sie das gewünschte Volumen an entionisiertem Wasser (~ 50-300 μL) ein. Wenn das Nadelventil oder das Saphirfenster angebracht ist, führen Sie das Ende der Kanüle in den oberen Anschluss ein und üben Sie, den Tropfen auf die mittlere Bühne zu werfen. Nachdem Sie das Einsetzen von Tröpfchen geübt haben, entfernen Sie das Tröpfchen und trocknen Sie die Bühne.
HINWEIS: In diesem Protokoll wurden 250 μL entionisiertes Wasser in die Spritze gegeben.
- Kleben Sie eine flexible Spitze, wie z. B. einen IV-Schlauch, der in einem Winkel zum Ende der Kanüle geschnitten ist, um den Tröpfchen in Richtung saphirfenster zu lenken. Befestigen Sie eine 1 mL Spritze an der Kanüle und ziehen Sie das gewünschte Volumen an entionisiertem Wasser (~ 50-300 μL) ein. Wenn das Nadelventil oder das Saphirfenster angebracht ist, führen Sie das Ende der Kanüle in den oberen Anschluss ein und üben Sie, den Tropfen auf die mittlere Bühne zu werfen. Nachdem Sie das Einsetzen von Tröpfchen geübt haben, entfernen Sie das Tröpfchen und trocknen Sie die Bühne.
- Befestigen Sie das Saphirfenster und die Unterlegscheiben wieder mit M8-Schrauben. Schließen Sie den geflochtenen Edelstahlschlauch von der Druckpumpe an die Druckzelle an und überprüfen Sie, ob alle Verbindungen von der Gasflasche zur Druckzelle dicht sind. Öffnen Sie das Druckzelleneinlassventil (Seitenventil) und stellen Sie die Druckzelle im Aquarium ein. Stecken Sie ein Glasfaser-Lichtquellenkabel in den Druckzellenbeleuchtungsanschluss.
- Fügen Sie dem Aquarium 50/50 Ethanol/Wasser (v/v) hinzu, bis es sich auf Höhe der Oberseite der Druckzelle befindet, direkt unter dem Lichtquellenanschluss. Stellen Sie sicher, dass der Haubenfluss eingeschaltet ist. Wenn der Lösungsgehalt vor zukünftigen Versuchen in den folgenden Wochen sinkt, fügen Sie mehr Ethanol hinzu. Ersetzen Sie die Lösung monatlich.
- Stellen Sie den Kühler auf die Temperatur ein, die ~ 0 ° C bis 3 ° C in der Zelle (~ -4 ° C) erreicht, und beginnen Sie, durch die Spulen zu zirkulieren. Schalten Sie den Luftstrom zur Vorderseite des Aquariums ein, um Kondensation auf der Aquarienoberfläche zu vermeiden.
- Starten Sie ein Temperaturprotokoll in der Datenlogger-Software. Stellen Sie das Scanintervall auf 30 s ein. Warten Sie, bis die Temperatur in der Druckzelle bei 2 °C (~6-24 h) stabil ist.
- Fügen Sie mit der Kameraansicht auf dem Laptop einen Wassertropfen in die Druckzelle ein.
- Schalten Sie die Lichtquelle auf ~80% ein. Öffnen Sie die Kamerasoftware. Fokussieren Sie in der Live-Ansicht das Kameraobjektiv auf die innere Kammer der Zelle. Passen Sie die Lichtquelle für beste Bildgebung an.
- Starten Sie ein neues Temperaturprotokoll mit einem Scanintervall von 1 s.
- Falls angebracht, lösen Sie das Auslassnadelventil im oberen Anschluss der Druckzelle. Befestigen Sie eine 1 mL Spritze an der Kanüle und ziehen Sie das gewünschte Volumen an entionisiertem Wasser (~ 50-300 μL) ein.
HINWEIS: In diesem Protokoll wurden 250 μL entionisiertes Wasser in die Spritze gezogen. - Stecken Sie die Kanüle durch den oberen Anschluss, bis die Spitze in der Kamerasoftware im Live-View-Modus sichtbar ist. Den Flüssigkeitströpfchen aus der Spritze über das zentrale Thermoelement ausstoßen. Schließen Sie das Nadelventil wieder an.
- Fokussieren Sie die Kamera auf das Tröpfchen in der Druckzelle. Beginnen Sie alle ~60 s mit der Zeitrafferbildgebung.
- Öffnen Sie die Druckmessumformer-Software auf dem Laptop und beginnen Sie mit dem Sammeln von Daten im Diagramm und im Datenprotokoll in einem Scanintervall von 1 s (identisch mit dem Temperatur-Scanintervall). Warten Sie, bis die Tröpfchentemperatur zwischen 0-3 °C stabil ist.
- Setzen Sie die Druckzelle auf den gewünschten Druck unter Druck.
HINWEIS: Setzen Sie eine Schutzbrille auf, bevor Sie die Zelle unter Druck setzen.- Schalten Sie die Pumpe und den Regler ein. Schließen Sie das Einlassventil der Druckpumpe.
- Öffnen Sie das Auslassventil der Pumpe und die Ventile der Druckzelle.
HINWEIS: Das Druckzelleneinlassventil sollte immer geöffnet sein. - Taran Sie den Pumpendruck, indem Sie Null auf den Druckpumpenregler drücken. Wählen Sie Pumpe A auf dem Druckpumpenregler, um den Druck zu überwachen.
- Stellen Sie sicher, dass die Druckpumpe leer ist, wenn eine andere Flüssigkeit als Methangas in der Pumpe vorhanden war. Tun Sie dies, indem Sie den maximalen Durchfluss und den Const-Durchfluss auf 100 ml/min einstellen und Rundrücken. Lassen Sie es laufen, bis die Pumpe leer ist. Schließen Sie das Pumpenauslassventil und öffnen Sie das Pumpeneinlassventil.
- Öffnen Sie die Gasflasche und stellen Sie den Gasflaschenregler auf 1.000 kPa.
- Drücken Sie auf Nachfüllen am Druckpumpenregler. Wenn die Pumpe voll und nahe 1.000 kPa ist, schließen Sie das Pumpeneinlassventil und die Gasflasche.
- Öffnen Sie das Pumpenauslassventil zur Zelle leicht (~ 1/16 "Umdrehung). Überwachen Sie den Druck der Druckzelle in der Druckmessumformer-Software, da der Druck aufgrund der relativ niedrigeren Temperatur in der Druckzelle abnehmen kann.
- Stellen Sie den maximalen Durchfluss auf 10 ml / minein: Drücken Sie am Druckpumpenregler auf Grenzwerte; Drücken Sie 3 für maximalen Durchfluss; Drücken Sie 1, um den maximalen Durchfluss einzustellen. Punch in 10; Drücken Sie die Eingabetaste.
- Stellen Sie den maximalen Druck auf 5.000 kPaein: Drücken Sie am Druckpumpenregler auf Grenzwerte; Drücken Sie 1; Punch in 5000; Drücken Sie die Eingabetaste.
- Stellen Sie den konstanten Druck auf 1.000 kPaein: Drücken Sie auf dem Druckpumpenregler Const Press; Drücken Sie A; Punch in 1000; Drücken Sie die Eingabetaste. Drücken Sie auf Ausführen.
- Wenn 1.000 kPa erreicht sind, drücken Sie Stopp am Pumpenregler und schließen Sie das Auslassventil der Pumpe. Überwachen Sie den Druck in der Druckzelle, um sicherzustellen, dass keine Lecks vorhanden sind. Wenn der Druck abfällt, verwenden Sie das Flüssigkeitslecksuchgerät, um das Leck an den Anschlüssen zu finden und die undichten Komponenten vorsichtig festzuziehen.
- Wenn die Zelle stabil ist, öffnen Sie den Pumpenauslass und stellen Sie die Const Press auf 2.000 kPa. Drücken Sie Stopp und Überwachen. Wenn sie bei 2.000 kPa stabil sind, setzen Sie Const Press auf 3.000 kPa. Drücken Sie Stopp und Überwachen. Wenn sie bei 3.000 kPa stabil sind, stellen Sie Const Press auf 4.000 kPa ein. Drücken Sie Stopp und Überwachen. Bei einem stabilen Wert von 4.000 kPa stellen Sie Const Press auf 5.000 kPa ein. Drücken Sie Stopp und Überwachen.
- Wenn der Druck stabil ist, schließen Sie den Pumpenauslass.
HINWEIS: Wenn das Pumpenvolumen erschöpft ist, schließen Sie den Pumpenauslass und öffnen Sie den Pumpeneinlass leicht. Öffnen Sie langsam die Gasflasche und stellen Sie den Gasregler auf 1.000 kPa. Drücken Sie auf Nachfüllen am Pumpenregler. Wenn die Pumpe wieder aufgefüllt ist, schließen Sie die Gasflasche und den Pumpeneinlass. Setzen Sie die Pumpe unter Druck, um sie an den Druckzellendruck anzupassen. - Warten Sie ~ 12-24 h, bis das Gas den Tröpfchen durchdringt.
- Nukleisieren Sie die Hydrathülle mit Trockeneis.
- Schalten Sie den Zeitraffer um, um alle 2-5 s Bilder aufzunehmen.
- Fügen Sie Trockeneis an die Oberseite der Zelle hinzu, bis die Hydrathülle im Zeitraffer zu sehen ist. Wenn das Trockeneis gleitet, kleben Sie Klebeband um die Oberseite der Zelle.
- Beobachten Sie den Fortschritt der Methanhydratbildung durch Zeitrafferfotos für ~ 2-6 h.
- Druckentlastung der Zelle auf 2.000 kPa, indem Sie den Pumpenauslass öffnen und die Const Press auf 2.000 kPa einstellen. Beachten Sie, wann das Schmelzen auftritt.
HINWEIS: Durch das Entweichen des gelösten Gases kann es zu einem Blubbern im sessilen Tröpfchen kommen. - Nach ~ 30 min die Druckzelle auf 5.000 kPa unter Druck setzen, um den Memory-Effekt zu beobachten. Beachten Sie, wann sich eine Hydrathülle zu reformieren beginnt. Lassen Sie die Schale für ~ 30 min bis 2 h bilden.
- Drucken Sie die Zelle ab, indem Sie den Pumpenauslass öffnen und den Const Press auf 0 kPa einstellen. Wenn restloser Druck in der Druckzelle vorhanden ist, öffnen Sie das Druckzellen-Ventil leicht um ~ 1/16 ".
- Speichern Sie die Druck- und Temperaturdaten als .csv Dateien.
- Entfernen Sie den Tropfen, indem Sie das obere Druckzellenventil wie zuvor entfernen und den Tropfen mit dem Spritzen-/Kanülen-/IV-Schlauch extrahieren. Wenn zwischen den Versuchen Bedenken hinsichtlich einer Kontamination bestehen, entfernen Sie das Saphirfenster, desinfizieren Sie die Bühne und ersetzen Sie das Vakuumfett. Verwenden Sie einen Saugnapf, um das Saphirfenster zu entfernen, sobald sich die Druckzelle auf Raumtemperatur erwärmt hat.
6. Analysieren Sie die Daten.
- Öffnen Sie die .csv Dateien für Temperatur und Druck.
- Erstellen Sie eine neue Tabelle. Kopieren Sie die Zeit- und Druckspalten aus der .csv und die Zeit und Temperatur aus der .csv Datei in die neue Tabelle.
- Erstellen Sie ein Streudiagramm mit der Zeit auf der x-Achse und zwei y-Achsen mit Temperatur und Druck (Ergänzende Abbildung S2).
- Machen Sie zwei weitere Säulen für die Hydratstabilitätskurve. Geben Sie in der ersten Spalte die Temperaturen von 273,15 K bis ~ 279,15 K in 0,1 K-Intervallen ein. Berechnen Sie in der zweiten Spalte den Druck mit der Formel (1) von Sloan & Koh13.
P [kPa] = exp(a+b/T [K]) wobei a = 38,98 und b = -8533,80 (1) - Erstellen Sie ein Streudiagramm der Hydratstabilitätsgrenze mit Temperatur (K) auf der x-Achse und Druck (kPa) auf der y-Achse. Fügen Sie eine zweite Reihe auf dem Streudiagramm mit experimenteller Temperatur und Druck auf der x- bzw. y-Achse hinzu (Abbildung 4).
- Beachten Sie in den Diagrammen, wo eine Hydrathülle gemäß der Zeitraffer-Bildgebung sichtbar wurde.
7. Warten Sie die Ausrüstung.
- Füllen Sie die Tanklösung vor jedem Versuch, verdampftes Ethanol zu ersetzen, mit Ethanol auf. Ersetzen Sie die Tanklösung monatlich vollständig.
- Wechseln Sie die O-Ringe und die Gummischeibe alle 2 Monate nach regelmäßigem Gebrauch.
- Ersetzen Sie Portverbindungen, wenn ein anhaltendes Leck auftritt, das nicht durch Anziehen behoben werden kann.
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Representative Results
Mit dieser Methode kann eine Gashydrathülle auf einem Tröpfchen visuell durch ein Saphirfenster der Druckzelle und über Temperatur- und Druckaufnehmer überwacht werden. Um die Hydrathülle nach dem Druck auf 5 MPa zu keimen, kann Trockeneis an der Oberseite der Druckzelle hinzugefügt werden, um einen thermischen Schock zu induzieren, der eine schnelle Hydratkristallisation auslöst. Es gibt einen deutlichen morphologischen Unterschied bei der Trockeneis-erzwungenen Hydrathüllenbildung. Der Wassertropfen ging von einer glatten, reflektierenden Oberfläche (Abbildung 3A) zu einer undurchsichtigen Hydrathülle mit einer leicht dendritischen Oberfläche über (Abbildung 3B). Die Zugabe von 100 μgmL-1 Typ I AFP veränderte die Hydratmorphologie, indem sie geriffelte Kanten entlang des Tröpfchens und Vorsprünge von der Oberseite des Tröpfchens induzierte (Abbildung 3C,D).
Nachdem sich die Hydrathülle für ~1 h entwickelt hatte, wurde die Zelle auf 2 MPa drucklos gemacht (Supplemental Video S3). Während der Druckentlastung kam es in der Nähe der P/T-Stabilitätskurve13 ( Abbildung 4 ) aufgrund einer exothermen Hydratdissoziation zu einem Temperaturabfall von 0,2 °C bis0,5°C. Die Hydratdissoziation wurde durch visuelles Schmelzen durch Zeitrafferaufnahmen zu Beginn des Temperaturabfalls bestätigt, was durch Sterne in Abbildung 4festgestellt wurde. Nach vollständiger Hydratdissoziation haben wir die Zelle unter Druck gesetzt, um die Morphologie und Schmelztemperatur mit dem "Memory-Effekt"14zu beobachten, dem Phänomen, bei dem sich Hydrat schneller bildet, nachdem sich bereits Hydrat im System gebildet hat (Supplemental Video S4). Bei der erneuten Druckbeaufschlagung formierte sich eine Hydrathülle innerhalb weniger Minuten nach Erreichen von 5 MPa, und wir beobachteten die gleiche Temperaturabnahme an der Stabilitätskurve während der Dissoziation.
Negativkontrollen ohne Tröpfchen und mit einem Tröpfchen, das keine Hydrathülle bildete(Abbildung 4,Versuche 4 und 5), zeigten keine Abnahme der Temperatur während der Druckentlastung. Bei einer Druckentlastung unter 2 MPa beobachteten wir, wie Gas durch schnelle Entgasung im Tröpfchen blubberte. Da der Höhepunkt jeder Temperaturabnahme über der zuvor festgelegten P/T-Stabilitätskurve13 (Hydratstabilitätskurve Nr. 1 in Abbildung 4) lag,wurde eine Regressionskurve basierend auf dem Apex-P/T dieser Versuche berechnet (P [kPa] = EXP(38.98+-8533.8/T [K]), Hydratstabilitätskurve #2 in Abbildung 4).
Abbildung 1: Druckzelle. Die Bühne, auf der der Tropfen sitzt, und die eingebetteten Thermoelemente werden durch Entfernen des Saphirfensters und darüber liegender Gummi- und Stahlscheiben enthüllt. Alle Teile und Anschlüsse sind beschriftet. Oben links Einschub:Von oben gezeigte Bühne mit eingelassenen Thermoelementen in Mittel- und Seitentisch. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Methanhydrat-Versuchsaufbau. (A) Der Abzug, in dem sich der Versuchsaufbau befindet. (B) Die Gasflasche ist über eine Kupferspule mit der Druckpumpe verbunden. Hervorgehoben von Tafel(A)sind(C)die montierte Druckzelle,(D)der 10-Gallonen-Tank (37,85 l) ohne Isolierung oder Lösung,(E)die Druckpumpe und (F, G, H) vergrößerte Bilder von Druckpumpenanschlüssen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Methanhydrathüllen. Repräsentative Abbildungen des Tröpfchens vor(A)und nach (B) bildet sich eine Methanhydrathülle auf einem deionisierten Wassertröpfchen und vor (C) und nach (D) eine Hydrathülle, die auf einem Tröpfchen gebildet wird, das 100 μgmL-1 Typ I Frostschutzprotein enthält. Maßstabsbalken = 5 mm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Druck-Temperatur-Stabilitätsdiagramm. Druck- und Temperaturdaten während der Druckentlastung werden mit P / T-Stabilitätskurven von Methanhydrat dargestellt (# 1 von Sloan und Koh 200713 und # 2 berechnet aus einer Regressionskurve von Hydratschmelzspitzen aus dieser Studie). Versuche mit erfolgreich gebildeten Hydrathüllen auf DI-Wassertröpfchen sind die Versuche 1, 2 und 3. Versuch 4 war eine Negativkontrolle ohne Tröpfchen auf der Bühne. Das Tröpfchen in Versuch 5 war eine weitere Negativkontrolle, bei der keine Hydrathülle gebildet wurde. Sterne zeigen an, wann das visuelle Hydratschmelzen während der Druckentlastung begann. Versuch 1 hat eine Auflösung von 30 s (ein Datenpunkt alle 30 s); andere Studien haben eine Auflösung von 1 s. Abkürzungen: T = Trial; M.E. = Memory-Effekt; P/T = Druck-Temperatur; DI = deionisiert; res = Auflösung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Ergänzende Abbildung S1: CAD-Bilder für die Bearbeitung der Druckzelle. Die Teile A-F der Druckzelle sind mit ihrem Teilebuchstaben und ihren Abmessungen beschriftet. Abkürzung: CAD = Computer Aided Design. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzende Abbildung S2: Druck- und Temperaturdaten im Zeitverlauf für die Versuche 2-4. Die Versuche 2 und 3 waren regelmäßige deionisierte Wassertröpfchen, die Hydrathüllen bildeten. Versuch 4 war eine Negativkontrolle, bei der kein Tröpfchen vorhanden war. Die Versuche reihen sich bei der ersten Druckentlastung aneinander, die zum Zeitpunkt Null erfolgt. Ein kleiner Temperaturabfall tritt zu Beginn der Druckentlastung aufgrund der Gasmischung mit der Druckpumpe auf. Ein größerer Temperaturabfall tritt aufgrund des Hydratschmelzens nach dem anfänglichen Druckabfall auf, wie in den Versuchen 2 und 3 gezeigt. Die Temperaturschwankung am Ende von Versuch 4 ist auf die Öffnung des Ventils zurückzuführen, die zu einer vollständigen Druckentlastung führt, die auch am Ende der Versuche 2 und 3 auftritt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.
Ergänzungstabelle S1: Zulässige Spannung (MPa) der bearbeiteten Druckzelle. Abkürzung: FS = Sicherheitsfaktor. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Ergänzungstabelle S2: Sicherheitsfaktor für die bearbeitete Druckzelle. Abkürzung: FS = Sicherheitsfaktor. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Ergänzendes Video S1: Belastung. Video der Dehnungssimulation an der bearbeiteten Druckzelle. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Ergänzendes Video S2: Stress. Video der Spannungssimulation an bearbeiteter Druckzelle. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Ergänzendes Video S3: Versuch 3 der Hydrathüllendissoziation. Zeitraffer-Video der Hydratschalendissoziation mit 25-facher Geschwindigkeit. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
Ergänzendes Video S4: Versuch 3 der Gedächtniseffekt-Keimbildung. Zeitraffer-Video der Hydrathüllenbildung durch Memory-Effekt nach Derpressung von 2 MPa auf 5 MPa bei 10-facher Geschwindigkeit. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.
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Discussion
Wir haben eine Methode entwickelt, um Methanhydrathüllen auf sessilen Wassertröpfchen sicher zu bilden und teilen diese Methode, um eine Druckzelle mit einer Nennleistung von 10 MPa-Arbeitsdruck sowie die Druck- und Kühlsysteme zu bearbeiten und zu montieren. Die Druckzelle ist mit einer Stufe für das Tröpfchen ausgestattet, die eingebettete Thermoelemente enthält, einem Saphirfenster zur Visualisierung des Tröpfchens und einem Druckmessumformer, der an der Oberseite der Zelle befestigt ist. Das Kühlsystem umfasst gekühltes Ethylenglykol, das durch Kupferspulen in einem Tank mit 50% iger Ethanollösung zirkuliert, in dem die Druckzelle platziert wird. Eine Druckpumpe setzt das Gas vom Zylinder zur Druckzelle unter Druck. Die Hydrathülle bildet sich bei schneller Temperaturabnahme durch Zugabe von Trockeneis an der Oberseite der Druckzelle. Wir lassen die Schale für 2 h bilden, während derer wir glauben, dass das Gas durch stochastisches Cracken der Hydrathülle durchdringt und Ostwald über einen längeren Zeitraum reift. In der Tat könnte dieses Gerät verwendet werden, um diese Phänomene zu untersuchen.
Die kritischen Schritte für dieses Protokoll umfassen: 1) Dichtheitsprüfung der Druckzelle mit Wasser, bevor sie mit Gas unter Druck gesetzt wird, 2) Üben Sie das Hinzufügen des Wassertropfens auf die Bühne vor dem Einsetzen des Saphirfensters, 3) Kühlen Sie den Tröpfchen vor dem Drucken bei ~ 2 ° C, 4) drucken Sie ihn mit einer maximalen Durchflussrate von 10 ml min-1 bis 5 MPa in Schritten von 1 MPa unter Druck, 5) Schließen Sie das Auslassventil an der Druckpumpe (zur Zelle), um den Gasaustausch mit der Druckpumpe zu begrenzen, 6) stellen Sie die Temperatur-, Druck- und Zeitraffersoftware so ein, dass alle 1 s, 1 s bzw. 5 s (oder weniger) protokolliert werden, bevor Sie Trockeneis hinzufügen, 7) tragen Sie kontinuierlich Trockeneis auf die Oberseite der Zelle auf, bis im Zeitraffer eine Hydrathülle beobachtet wird. 8) lassen Sie die Hydrathülle für mindestens 1 h bilden, 9) drucken Sie mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Druckbeaufschlagung.
Während der Methodenentwicklung optimierten wir Variablen und Techniken, einschließlich des Zeitpunkts der Kühlung, Druckbeaufschlagung, Druckentlastung, Tröpfchengröße und der Tröpfcheneinführungstechnik. Es gibt einige Einschränkungen bei der Verwendung dieser Methode. Eine Einschränkung ist die Auflösung der Tröpfchenbildgebung aufgrund der Kameraauflösung und der Materialien zwischen Kamera und Tröpfchen (Tank, Ethanollösung, dickes Saphirfenster). Während andere Studien das Oberflächentröpfchen auf der Mikroskala7,9 ,10beobachten,erlaubt diese Methode nur Beobachtungen auf Makroebene. Ein Mikroskoplinsenaufsatz könnte installiert werden, wenn Interesse an Mikrobeobachtungen besteht.
Eine weitere Einschränkung dieser Methode besteht darin, dass die Dicke der Hydrathülle nicht genau gemessen werden kann. Die Hydratdicke kann jedoch geschätzt werden, indem die Querschnittsfläche vor und nach der Hydratbildung subtrahiert und der Gasverbrauch unter Verwendung der Temperaturänderung während der Druckentlastung berechnet wird, um das Volumen des gebildeten Hydrats zu bestimmen. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass dieses Tröpfchen nicht in 3D betrachtet werden kann, da nur eine Seite der Druckzelle ein Saphirfenster enthält. Im Gegensatz dazu haben andere Studien Zellen verwendet, die vollständig aus Saphir bestehen, um das Tröpfchen aus mehreren Blickwinkeln zu beobachten7. Wir haben auch keine temperatursteuernde Stufe10 oder spektroskopische Techniken installiert; Diese könnten jedoch durchaus mit diesem Setup installiert werden.
Mit dieser Methode können die Morphologie, der Dissoziationsdruck und die Temperatur sowie die Temperaturänderung während der Hydratdissoziation mit Tröpfchen beobachtet werden, die Additive oder alternative Stufensubstrate enthalten. Diese Methode ist relativ billig, und es gibt nur wenige gründliche Protokolle für die Bildung von Gashydrathüllen. Da Hochdrucksysteme gefährlich sein können, enthalten wir Sicherheitstipps für die Druckbeaufschlagung und Dichtheitsprüfung. Darüber hinaus erlauben viele Setups nicht die Visualisierung der Gashydratbildung oder tun dies in einem viel kleineren oder viel größeren Maßstab. Laborexperimente tragen wesentlich zum Verständnis von natürlich vorkommenden Gashydraten und Erdgashydraten bei, die tödliche Gaspipeline-Explosionen verursachen können. Diese Methode kann verwendet werden, um die Auswirkungen von Additiven auf die Dissoziationstemperatur und -morphologie und die Fähigkeit von Additiven, den Memory-Effekt zu eliminieren, schnell zu bewerten. Wirksame Additive könnten als Inhibitoren in Erdgaspipelines oder zur Untersuchung der biologischen Aktivität von bakteriellen Tiefseeproteinen eingesetzt werden6,15.
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Disclosures
Es gibt keine konkurrierenden finanziellen Interessen.
Acknowledgments
NASA Exobiology Grant 80NSSC19K0477 finanzierte diese Forschung. Wir danken William Waite und Nicolas Espinoza für die wertvollen Gespräche.
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 |
References
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- 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).
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- 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).
- 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).
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