Waiting
Login processing...

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

Environment

מתאן הידרציה התגבשות על טיפות מים יסילי

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

אנו מתארים שיטה ליצירת לחות גז על טיפות מים ססיל כדי לחקור את ההשפעות של מעכבים שונים, מקדמים, ומצעים על מורפולוגיה קריסטל לחות.

Abstract

מאמר זה מתאר שיטה ליצירת קליפות לחות מתאן על טיפות מים. בנוסף, הוא מספק שרטוטים עבור תא לחץ המדורג ללחץ עבודה של 10 MPa, המכיל שלב עבור טיפות סיסיל, חלון ספיר להדמיה, ומתמרים בטמפרטורה ובלחץ. משאבת לחץ המחוברת לצילינדר גז מתאן משמשת ללחץ על התא ל-5 MPa. מערכת הקירור היא מיכל 10 גלון (37.85 ליטר) המכיל תמיסת אתנול 50% מקוררת באמצעות אתילן גליקול דרך סלילי נחושת. התקנה זו מאפשרת התבוננות בשינוי הטמפרטורה הקשורים להיווצרות לחות ודיסוציאציה במהלך קירור ודיכאון, בהתאמה, כמו גם הדמיה וצילום של השינויים המורפולוגיים של הטיפה. בשיטה זו, היווצרות קליפת הידרציה מהירה נצפתה ב ~ -6 °C (50 °F) עד -9 °C (50 °F). במהלך הפחתת לחץ, 0.2 °C (5 °F) ירידה בטמפרטורה נצפתה בעקומת היציבות לחץ / טמפרטורה (P / T) עקב ניתוק לחות exothermic, אושר על ידי התבוננות חזותית של נמס בתחילת ירידת הטמפרטורה. "אפקט הזיכרון" נצפתה לאחר דיכוי ל 5 MPa מ 2 MPa. עיצוב ניסיוני זה מאפשר ניטור של לחץ, טמפרטורה, ומורפולוגיה של טיפה לאורך זמן, מה שהופך את זה שיטה מתאימה לבדיקת תוספים שונים ומצעים על מורפולוגיה hydrate.

Introduction

הידרציה של גז היא כלובים של מולקולות מים מלוכדות מימן שלוכדות מולקולות גז אורחות באמצעות אינטראקציות של ואן דר ואלס. מתאן מעניק לחות נוצר בתנאי לחץ גבוה וטמפרטורה נמוכה, המתרחשים בטבע במים התת-קרקעיים לאורך השוליים היבשתיים, מתחת לאדמה הקצונית הארקטית, ובגופים פלנטריים אחרים במערכת השמש1. לחות גז מאחסנת כמה אלפי ג'יגה טון של פחמן, עם השלכות חשובות על האקלים והאנרגיה2. הידרציה גז יכול גם להיות מסוכן בתעשיית הגז הטבעי כי תנאים נוחים עבור hydrates להתרחש צינורות גז, אשר יכול לסתום את הצינורות המובילים פיצוצים קטלניים ודליפת נפט3.

בשל הקושי ללמוד הידרטות גז במקום, ניסויי מעבדה משמשים לעתים קרובות כדי לאפיין תכונות hydrate ואת ההשפעה של מעכבים ומצעים4. ניסויי מעבדה אלה מבוצעים על ידי גידול לחות גז בלחץ גבוה בתאים בצורות וגדלים שונים. המאמצים למנוע היווצרות לחות גז בצינורות גז הובילו לגילוי של מספר מעכבי לחות גז כימי וביולוגי, כולל חלבונים נגד קפיאה (AFPs), פעילי שטח, חומצות אמינו, פוליווינילפירולידון (PVP)5,6. כדי לקבוע את ההשפעות של תרכובות אלה על תכונות לחות גז, ניסויים אלה השתמשו עיצובים כלי מגוון, כולל autoclaves, גבישים, כורים מעורבבים, ותאי נדנדה, התומכים בנפחים מ 0.2 עד 106 ס"מ מעוקב4.

שיטת טיפת ההסתה המשמשת כאן ובמחקרים קודמים7,8,9,10,11,12 כוללת יצירת סרט הידרציה גז על טיפת מים sessile בתוך תא לחץ. כלי דם אלה עשויים נירוסטה וספיר כדי להתאים לחצים עד 10-20 MPa. התא מחובר לבלון גז מתאן. שניים ממחקרים אלה השתמשו בשיטת טיפה כדי לבדוק AFPs כמעכבי לחות גז בהשוואה למעכבי לחות קינטיים מסחריים (KHIs), כגון PVP7,11. Bruusgard ואח '7 התמקדו בהשפעה המורפולוגית של מעכבים ומצא כי טיפות המכילות AFPs מסוג I יש משטח חלק יותר, מזוגג מאשר משטח טיפה דנדריטי ללא מעכבים בכוחות נהיגה גבוהה.

Udegbunam ואח '11 השתמש בשיטה שפותחה כדי להעריך KHIs במחקר הקודם10, המאפשר ניתוח של מורפולוגיה / מנגנוני צמיחה, לחות נוזל-אדי שיווי משקל טמפרטורה / לחץ, וקינטיקה כפונקציה של טמפרטורה. Jung ואח ' למד CH4-CO2 תחליף על ידי הצפת התא עם CO2 לאחר יצירת CH4 לחותפגז 8. חן ואח ' הבחין אוסטוולד מבשיל כמו קליפת הידרציה צורות9. אספינוזה ואח ' למד CO2 קליפות לחות על מצעים מינרליים שונים12. שיטת הטיפה היא שיטה פשוטה וזולה יחסית לקביעת ההשפעה המורפולוגית של תרכובות ומצעים שונים על לחות גז ודורש כמויות קטנות של תוספים בשל הנפח הקטן. מאמר זה מתאר שיטה ליצירת קליפות הידרציה כאלה על טיפת מים באמצעות תא נירוסטה עם חלון ספיר להדמיה, מדורג עד 10 לחץ עבודה MPa.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. עצב, אמת ומכונה את תא הלחץ.

  1. עצב את התא כדי לאפשר הדמיה ישירה של היווצרות לחות מטפחת מים. ודאו שהתא כולל תא ראשי עם חלון ספיר שקוף וארבע יציאות למפרצון נוזל/גז, שקע, אור וחוטים(איור 1). צור את העיצוב הסופי בתוכנת תכנון הנדסית (איור משלים S1).
  2. כדי לבדוק שתא הלחץ בטוח בלחץ גבוה, ערוך ניתוח אלמנט סופי באמצעות תוכנת סימולציה.
    1. הזן את מודל תא הלחץ בגודל מלא מתוכנת העיצוב ההנדסי לתוך תוכנת הסימולציה.
    2. הקצה מודולוס של יאנג של 400 GPa ויחס של פואסון של 0.29 לחלון הספיר.
    3. עבור כל חלקי נירוסטה, להקצות נירוסטה 316 עם מודולוס של יאנג של 190 GPa ויחס פואסון של 0.27.
    4. צעד אחר צעד, החל 0 ל- 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9 ו- 10 MPa לחץ אוויר לחלק הפנימי של התא (וידאו S1 משלים וסרטון S2 משלים). התייחס לכל שלב טעינה כבעיה סטטית על-ידי התעלמות מהמונחים תלויי הזמן במשוואות השולטות ושקול עיוות אלסטי בלבד במהלך לחץ.
    5. השתמש בפתרון המשוואה הליניארית הישירה בתוכנת סימולציה כדי לחשב את התפלגות הלחץ ואת העיוות של התא בתנאי לחץ שונים (טבלה משלימה S1 וטבלה משלימה S2).
  3. לאחר שעיצוב תא הלחץ מאומת כבטוחים, יש את כל החלקים במכונה בהתבסס על תוכנית תוכנת העיצוב ההנדסי.

2. להרכיב את תא הלחץ (איור 1).

  1. בורג ארבעת חוטי הצינור הלאומי מחודדים (NPT) לתוך היציאות המתאימות בתא הלחץ עם קלטת של שרברב.
  2. הרכב את יציאת התאורה באמצעות עיצוב השרטוט(איור משלים S1,חלקים C, D ו- E) והתחבר לבורג NPT השמאלי העליון.
  3. חבר את מתמר הלחץ ליציאה העליונה NPT באמצעות התאמת טי הענף ומחבר היציאה.
  4. חבר את שסתום מחט הכניסה בצד שמאל בורג NPT באמצעות מחבר יציאה מתאים.
  5. התקן מחבר חותם לחץ ביציאה הימנית של תא הלחץ. הכנס שלושה חוטי תרמי-תרופל מסוג K דרך מחבר אטם הלחץ עם מרווח של 3 אינץ' בתוך התא ומרווח של 3 אינץ' מחוץ לתא.
  6. ללטש את משטח הבמה בניירות סנדוויץ'(איור משלים S1,חלק F).
  7. הכנס את התרמו-סקופלים לתוך החורים המתאימים בשלב, כך שהקצוות ישטפו את החלק העליון של הבמה. השתמש טיפה קטנה של דבק בכל חור כדי לתקן את thermocouples במקום ולאפשר להם להתייבש.
  8. התאם את הדיסק האקריליק על הקיר האחורי של תא הלחץ כדי לשפר את השתקפות האור. להתאים את הבמה בתא הלחץ.
  9. התקן את חלון הספיר.
    1. יש למרוח שומן ואקום על שתי טבעות O אטימת סטטיות (אחת בגודל 1 אינץ' ואחת בגודל 1-1/5 אינץ'). להתאים את O-טבעות לתוך החריצים סביב חור החלון בתא הלחץ.
    2. הכנס את חלון הספיר. לכסות את חלון ספיר עם מכונת כביסה גומי 2-1/4 " ובורג על מכונת הכביסה נירוסטה(איור S1 משלים,חלק B) באמצעות שמונה ברגי נירוסטה M8(איור 2C).

3. להרכיב את הציוד במכסה אדים גדול(איור 2).

הערה: מאחר ומתאן הוא גז דליק תחת לחץ, הרחיק את כל הצינורות וכלי הדם הקשורים למתאן מחום, ניצוצות, להבה פתוחה ומשטחים חמים. הגדירו את כל הציוד בתוך אזור מאוורר היטב (למשל, מכסה המנוע של האדים). דון משקפי בטיחות וחלוק מעבדה לפני שאתה עובד עם גז מתאן.

  1. הרימו בזהירות את משאבת הלחץ למכסה אדים גדול מספיק כדי שכל הציודיתאים (איור 2A). הנח את בקר המשאבה על גבי בסיס המשאבה. חבר את בקר המשאבה למשאבה וחבר אותו לרצועת חשמל.
  2. הפעל צינור נחושת בגודל 1/4 אינץ' בדירוג בלחץ גבוה מהרגולטור על צילינדר גז המתאן למכסה המנוע ליד חדירת משאבתהלחץ (איור 2A,B).
  3. מקם את אוגר הנתונים ליד משאבת הלחץ והגדר את המחשב הנייד על לוגר הנתונים(איור 2A). חבר את שניהם לרצועת חשמל. חבר את לוגר הנתונים למחשב הנייד באמצעות לוגר הנתונים USB.
  4. במחשב הנייד, התקן את התוכנה המתאימה כדי לשלוט ביומן הנתונים, במצלמה ובמתמר הלחץ בתא הלחץ.
  5. הציבו את האקווריום ליד לוגר הנתונים והנחו ריפוד שאינו שטיפה בתחתית האקווריום כדי להגביל את התנודות לתאהלחץ (איור 2C).
  6. באמצעות צינור נחושת חדש 1/4 ", סליל את צינור הנחושת פעמיים לתוך אליפסה כדי להתאים לאקווריום, משאיר מקום לתא הלחץ לשבת בפנים(איור 2D). ודא שה סליל אינו חוסם את חלון הספיר בתא הלחץ. הרם את תא הלחץ באקווריום כדי להציג את חלון הספיר.
  7. הניחו את המצנן המסתובב על הרצפה ליד מכסה המנוע האדים(איור 2A). ממלאים את הצ'ילר ב-50/50 v/v אתילן גליקול/מים.
    הערה: מכיוון שאתילן גליקול מסוכן, השתמש בלבוש בטיחות מתאים, כולל כפפות, חלוק מעבדה ומשקפי מגן בעת היציקה.
  8. חותכים שני אורכים של צינורות פלסטיק בקוטר פנימי של 3/8 אינץ', כדי לחבר את מפרצון הצ'ילר והשקע לצינור הנחושת מסתיים באקווריום. ודא שיהיה מספיק מרווח עבור בידוד צינור קצף כדי להתאים לפני חיתוך.
  9. להחליק את צינורות הפלסטיק דרך בידוד צינור קצף.
  10. חברו את צינורות הפלסטיק המבודדים מהכניסה והשקע על המצנן במחזור עד לקצוות סליל הנחושת בתוך האקווריום. אבטחו את האטמים על ידי עטיפת סרט השרברב סביב חלקי המתכת והידוק הקשרים עם מלחצי צינור כונן תולעת. תדליקו את הצ'ילר ותגדירו אותו לתזרים במהירות גבוהה. ודא שאין דליפות.
  11. החל איטום מתחת למים סביב סליל נחושת / חיבורי צינורות פלסטיק בתוך האקווריום. תן לאיטום לרפא. עוטפים את האיטום בנייר דבק.
  12. התקן צינורות משאבת לחץ(איור 2E).
    הערה: תמיד הידקו חיבורים ידנית לפני השימוש בכלים ולעולם אל תנתקו את חיבורי NPT עם סרט השרברב מכיוון שהם לא יחתמו מחדש היטב.
    1. התקן צינור נירוסטה בגודל 1/8 אינץ' משני צדי משאבת הלחץ עם אביזרי החברה שהגיעו עם המשאבה באמצעות סרט השרברב(איור 2F).
    2. עם בנדר צינור, לכופף את צינור 1/8 " קדימה בזווית של 90 °, כ 2 "מן המשאבה, כדי למנוע כיפוף בחיבור.
    3. עם בנדר צינור, לכופף את צינור 1/8 "כלפי מטה בזווית של 90 °, כ 2 "מן העיקול הראשון.
    4. חבר מתאם "1/8 ל-1/4 אינץ' המתאים לצינור "1/8 משני הצדדים(איור 2G).
    5. חבר צינור 1/4" להתאמת מתאם משני הצדדים.
      הערה: כדי להצמיד את השסתום לצד המשאבה, לקצץ את צינורות 1/4 ", כך שסתום מחובר יישב ליד שני חורי בורג.
    6. התקן את שסתומי המחט 1/4"(איור 2H). אם מדביקים שסתומים למשאבת הלחץ, מכונה צלחת פלדה או פלסטיק עם שני חורים "1/16 לברגים וחור אחד 1/2 " כדי לאבטח בין חיבורי שסתום מחט. הכנס את הצלחת בין חיבורי השסתום ובורג את הצלחת לצד המשאבה.
      הערה: ודא כי חצים על שסתומי המחט מצביעים מלחץ גבוה (בתוך משאבת הלחץ) ללחץ נמוך (מחוץ למשאבת הלחץ).
    7. חבר קצה אחד של צינור נירוסטה קלוע בגודל 1/4 אינץ' אל שסתום השקע במשאבת הלחץ והקצה השני לשסתום הצד של תא הלחץ.
    8. חבר תרמי-אפים מתא הלחץ לערוצי לוגר הנתונים באמצעות ריבוי ערוצים לוגר נתונים. חבר חוט תרמו-סקופ נוסף כדי למדוד את הטמפרטורה של פתרון הטנק ולשים את הקצה השני במיכל.
    9. חבר את מתמר הלחץ בתא הלחץ למחשב הנייד.
    10. הגדר את תא הלחץ בתוך האקווריום, קרוב לחזית, להדמיה ברורה יותר.
  13. כדי לבודד את האקווריום, לעטוף את החלק החיצוני של האקווריום עם פיברגלס מרופד בנייר כסף, עם חור / חריץ למצלמה כדי להציג את חלון הספיר של תא הלחץ. לכסות את החלק העליון של האקווריום עם חומר בידוד כדי למנוע אידוי במהלך ניסויים.
    הערה: הימנע מאיטום הדוק של החלק העליון של האקווריום כדי למנוע הצטברות של חום ממקור האור.
  14. כדי למנוע עיבוי של אוויר לח בחזית האקווריום, הפעל צינורות פלסטיק מ שסתום האוויר הקרוב ביותר לחזית האקווריום שבו המצלמה תהיה מצביעה כך הצינורות לא יהיה גלוי בתצלומים.
  15. הגדר את יחידת מקור האור ליד האקווריום וחבר אותה לרצועת החשמל.
  16. הציבו את המצלמה מול האקווריום, כשהעדשה מצביעה לכיוון חלון הספיר. חבר את המצלמה למחשב הנייד ולרצועת החשמל.
  17. העלה את כל האלקטרוניקה מפני השטח של מכסה המנוע כדי למנוע נזק פוטנציאלי לדליפה. בדוק שוב שהחשמל מופץ עבור קיבולת החשמל של השקעים.

4. דליפת-לבדוק את תא הלחץ עם מים.

הערה: כדי להבטיח שכל החיבורים היו אטומים כראוי, תבדוק את תא הלחץ עם מים בכל פעם שהתא הורכב מחדש, במיוחד לאחר ניתוק ברגי NPT. זה לא הכרחי לאחר הסרת חלון ספיר או שסתום עליון. מים בטוחים יותר תחת לחץ מאשר גז.

  1. פתח את תוכנת מתמר הלחץ במחשב הנייד והתחל לאסוף נתונים במרווח סריקה של 1 s.
  2. הפעל את משאבת הלחץ ואת הבקר. לחץ על משאבה A על בקר משאבת הלחץ כדי לפקח על הלחץ.
  3. אם יש לחץ במשאבה, להקטין את הלחץ על ידי לחיצה על מילוי מחדש על בקר משאבת הלחץ בעוד הן את הכניסה משאבה שסתומי שקע עדיין סגורים.
  4. עם שני שסתומי תא הלחץ פתוח, לפתוח את שסתום שקע המשאבה מעט על ידי ~ 1/16 " כדי לשחרר לאט את הלחץ הנותר.
  5. אם מחובר, לנתק את צינור נחושת 1/4 " מן שסתום הכניסה על משאבת הלחץ.
  6. חברו 1/4 אינץ' גמיש לשסתום הכניסה של המשאבה באמצעות ערכת אגוזים ופרולה. מניחים את קצה הצינורות בגלון מים.
  7. סגור את שסתום השקע של המשאבה ופתח את שסתום הכניסה של המשאבה.
  8. לחץ על מילוי מחדש על בקר משאבת הלחץ כדי למלא את בוכנה המשאבה במים.
  9. הגדר את תא הלחץ במיכל ריק רדוד מחוץ לאקווריום.
  10. מטהרים את האוויר מתא הלחץ עד שהמים יוצאים מהנמל העליון וממלאים את תא הלחץ לחלוטין.
    1. סגור את שסתום הכניסה של המשאבה ופתח את שסתום השקע של המשאבה.
    2. ודא שהשסתומים בתא הלחץ עדיין פתוחים.
    3. הגדר את הזרימה המרבית (המרבית) ל- 100 מ"ל/דקה: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על מגבלות; הקש 3 לזרימה מרבית; הקש 1 כדי להגדיר זרימה מרבית; אגרוף ב 100; הקש Enter.
    4. הקש D כדי להגיע לעמוד הקודם.
    5. הגדר את קצב הזרימה הקבוע ל- 100 מ"ל/ דקה: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על קונסט זרימה; הקש A עבור flowrate; אגרוף ב 100; הקש Enter. לחץ על הפעל.
    6. אם מים לא יוצאים או אם הנפח בוכנה אינו מספיק, למלא את הבוכנה שוב על ידי סגירת שסתום שקע המשאבה, פתיחת שסתום הכניסה משאבה עם צינורות במים, ולחץ על מילוי מחדש. לאחר מכן, לטהר את האוויר על ידי סגירת שסתום הכניסה משאבה, פתיחת שסתום שקע המשאבה, הגדרת קצב הזרימה ל 100, ולחיצה על הפעלה.
    7. ברגע שמים יוצאים מהנמל העליון של תא הלחץ, בדוק אם יש דליפות והידק את כל הקשרים הדולפים. לחץ על עצור. סגור את שסתום שקע תא הלחץ (העליון).
  11. לחץ על תא הלחץ.
    הערה: יש להקנות משקפי בטיחות לפני לחיצה על תא הלחץ.
    1. הגדר את מגבלת הזרימה המרבית ל- 10 מ"ל / דקה כדי למנוע לחץ מהיר של התא: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על מגבלות; הקש 3 לזרימה מרבית; הקש 1 כדי להגדיר זרימה מרבית; אגרוף ב 10; הקש Enter.
    2. לחץ על התא ל- 100 kPa: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על קונסט Press; הקש A; אגרוף ב 100; הקש Enter. לחץ על הפעל.
    3. תבדוק אם יש דליפות. אם יש דליפה, לחץ על עצור על בקר המשאבה, הדק את הרכיבים הדולפים, לחץ על הפעלוחזר עד שאין דליפות ב- 100 kPa. ודא שאין דליפות על ידי סגירת שסתום שקע המשאבה וניטור הלחץ של תא הלחץ בתוכנת מתמר הלחץ.
      הערה: אם הלחץ יורד באופן עקבי ואינו תנודה רגילה עקב שינוי בטמפרטורת החדר, יש דליפה.
    4. הגדל את הלחץ במרווחים של 50 kPa מ- 100 kPa ל- 500 kPa, ולאחר מכן במרווחים של 100 kPa מ- 500 kPa ל- 1,000 kPa, ולבסוף במרווחים של ~ 1,000 kPa מ- 1,000 kPa ל - ~ 10,000 kPa. בצע פעולה זו על-ידי שינוי ההגדרה קונסט פרס כבעבר. בין הגדרות הלחץ, סגור את שסתום שקע המשאבה ונטר את הלחץ של התא כמו קודם כדי להבטיח כי הלחץ הוא קבוע. אם הלחץ יורד, יש להדק בזהירות את הרכיבים הדולפים.
  12. עם הגעתו 10,000 kPa, לסגור את שסתום שקע המשאבה ולבחון כמה טוב תא הלחץ מחזיק לחץ על פי מתמר הלחץ. כמו ירידה עקבית בלחץ מצביע על דליפה, להדק חיבורים בלחץ נמוך יותר, ~ 1,000 kPa.
  13. כדי להוריד לחץ, פתח את שסתום שקע המשאבה והגדר את הלחץ ל-100 kPa. ברגע שמפלס הלחץ מתייצב, פתחו מעט את שסתום שקע תא הלחץ.
  14. כדי להסיר מים ממשאבת הלחץ, סגור את שסתום הכניסה של המשאבה, שנה את הזרימה המרבית ואת הגדרות קונסט זרימה ל- 100 מ"ל / דקהולחץ על הפעל עד שהמשאבה ריקה.
  15. נתק את הצינורות הגמישים 1/4" ממפזר המשאבה. נתק את ההשתלטות הקלועה מפלדת אל-חלד מתא הלחץ. פתח את שני השסתומים ונקז את המים. הסר את חלון הספיר כדי לאפשר לתא להתייבש לחלוטין.

5. יוצרים קליפת מתאן על משטח הטיפה.

  1. הכינו את הציוד.
    1. חבר את וסת צילינדר המתאן למשאבה עם צינור הנחושת "1/4 באמצעות ערכת אגוזים ופרולה חדשה. ודא כי בלון הגז סגור.
    2. תרגול טכניקת החדרת טיפה.
      1. הדבק קצה גמיש, כגון צינורות IV, לחתוך בזווית עד סוף הצינורית כדי לעזור לכוון את הטיפה לכיוון חלון הספיר. חבר מזרק 1 מ"ל לסלסול ומשוך את הנפח הרצוי של מים דה-יאומן (~ 50-300 μL). ללא שסתום המחט או חלון הספיר מחובר, הכנס את קצה הצינורית ליציאה העליונה ותרגל גירוש הטיפה למרכז הבמה. לאחר תרגול החדרת טיפה, להסיר את הטיפה ולייבש את הבמה.
        הערה: בפרוטוקול זה, 250 μL של מים דה-יאומן נלקח לתוך המזרק.
    3. לחבר מחדש את חלון הספיר ואת מכונות הכביסה עם ברגי M8. חבר את צינור נירוסטה קלוע ממשאבת הלחץ לתא הלחץ, ובדוק שוב שכל החיבורים מבלון הגז לתא הלחץ הדוקים. פתח את שסתום הכניסה של תא הלחץ (שסתום צד), והגדר את תא הלחץ באקווריום. הכנס כבל מקור אור סיב אופטי ליציאת תאורת תא הלחץ.
    4. הוסף 50/50 אתנול / מים (v / v) לאקווריום עד שהוא ישר עם החלק העליון של תא הלחץ, ממש מתחת לחיבור מקור האור. ודא שזרימת מכסה המנוע מופעלת. כאשר רמת הפתרון יורדת לפני ניסויים עתידיים בשבועות הבאים, להוסיף אתנול נוסף. החלף את הפתרון מדי חודש.
    5. הגדר את הצ'ילר לטמפרטורה שתשיג ~ 0 °C (5 °F) עד 3 °C (50 °F) בתוך התא (~-4 °C (~-4 °F) ולהתחיל להסתובב דרך סלילים. הפעל את זרימת האוויר לחזית האקווריום כדי למנוע עיבוי על פני האקווריום.
    6. התחל יומן טמפרטורה בתוכנת לוגר הנתונים. הגדר את מרווח הסריקה ל- 30 שניות. המתן עד שהטמפרטורה בתוך תא הלחץ יציבה ב-2 °C (~6-24 שעות).
  2. הוסף טיפת מים לתא הלחץ באמצעות תצוגת המצלמה במחשב הנייד.
    1. הפעל את מקור האור ל- ~ 80%. פתח את תוכנת המצלמה. בתצוגה חיה, מקד את עדשת המצלמה בתא הפנימי של התא. התאם את מקור האור להדמיה הטובה ביותר.
    2. התחל יומן טמפרטורה חדש עם מרווח סריקה של 1.
    3. אם מחובר, לנתק את שסתום מחט שקע ביציאה העליונה של תא הלחץ. חבר מזרק 1 מ"ל לסלסול ומשוך את הנפח הרצוי של מים דה-יאומן (~ 50-300 μL).
      הערה: בפרוטוקול זה, 250 μL של מים דה-יעובן נמשכו לתוך המזרק.
    4. הכנס את הצינורית דרך היציאה העליונה עד שהקצה גלוי בתוכנת המצלמה במצב תצוגה חיה. לגרש את טיפת הנוזל מהמזרק מעל thermocouple המרכזי. לחבר מחדש את שסתום המחט.
  3. מקד את המצלמה בטירה בתא הלחץ. התחל הדמיה בזמן לשגות כל ~ 60 s.
  4. פתח את תוכנת מתמר הלחץ במחשב הנייד והתחל לאסוף נתונים בתרשים וביומן הנתונים במרווח סריקה של 1 s (זהה למרווח סריקת הטמפרטורה). המתן עד טמפרטורת טיפת יציב בין 0-3 °C (5 °F).
  5. לחץ על תא הלחץ ללחץ הרצוי.
    הערה: יש להדגיש את משקפי הבטיחות לפני לחיצה על התא.
    1. הפעל את המשאבה ואת הבקר. סגור את שסתום הכניסה של משאבת הלחץ.
    2. פתח את שסתום השקע של המשאבה ואת השסתומים של תא הלחץ.
      הערה: שסתום הכניסה של תא הלחץ צריך תמיד להיות פתוח.
    3. תלחץ על המשאבה על ידי לחיצה על אפס על בקר משאבת הלחץ. בחר משאבה A בבקר משאבת הלחץ כדי לפקח על הלחץ.
    4. ודא כי משאבת הלחץ ריקה אם נוזל אחר מלבד גז מתאן היה נוכח במשאבה. בצע זאת על-ידי הגדרת הזרימה המרבית וזרימת קונסט ל- 100 מ"ל/דקה והקשה על הפעלה. תשאיר את זה פועל עד שהמשאבה ריקה. סגור את שסתום שקע המשאבה ופתח את שסתום הכניסה של המשאבה.
    5. פתח את בלון הגז והגדר את רגולטור ציליוני הגז ל-1,000 קמ"ש.
    6. לחץ על מילוי מחדש על בקר משאבת הלחץ. כאשר המשאבה מלאה וקרובה ל-1,000 kPa, סגור את שסתום הכניסה של המשאבה ואת גליל הגז.
    7. פתוח מעט (~ 1/16 " סיבוב) שסתום שקע המשאבה לתא. לפקח על לחץ תא הלחץ בתוכנת מתמר הלחץ כמו הלחץ עשוי לרדת בשל הטמפרטורה הנמוכה יחסית בתא הלחץ.
    8. הגדר את הזרימה המרבית ל- 10 מ"ל / דקה: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על מגבלות; הקש 3 לזרימה מרבית; הקש 1 כדי להגדיר זרימה מרבית; אגרוף ב 10; הקש Enter.
    9. הגדר את הלחץ המרבי ל 5,000 kPa: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על מגבלות; הקש 1; אגרוף ב 5000; הקש Enter.
    10. הגדר את הלחץ המתמיד ל 1,000 kPa: על בקר משאבת הלחץ, לחץ על קונסט Press; הקש A; אגרוף ב 1000; הקש Enter. לחץ על הפעל.
    11. כאשר מגיעים ל- 1,000 kPa, לחץ על עצור בבקר המשאבה וסגור את שסתום השקע של המשאבה. לפקח על הלחץ בתא הלחץ כדי להבטיח שאין דליפות. אם הלחץ יורד, השתמש בגלאי הדליפה הנוזלית כדי למצוא את הדליפה בחיבורים ולהדק בזהירות את הרכיבים הדולפים.
    12. אם התא יציב, פתח את שקע המשאבה והגדר את קונסט Press ל- 2,000 kPa. לחץ על עצור ופקח. אם יציב ב 2,000 kPa, להגדיר קונסט Press ל 3,000 kPa. לחץ על עצור ופקח. אם יציב ב 3,000 kPa, להגדיר קונסט Press ל 4,000 kPa. לחץ על עצור ופקח. אם יציב ב 4,000 kPa, להגדיר קונסט Press ל 5,000 kPa. לחץ על עצור ופקח.
    13. אם הלחץ יציב, סגור את שקע המשאבה.
      הערה: אם נפח המשאבה אוזל, סגור את שקע המשאבה ופתח מעט את פתח המשאבה. פתח לאט את בלון הגז והגדר את וסת הגז ל-1,000 קמ"ש. לחץ על מילוי מחדש בבקר המשאבה. כאשר המשאבה מתמלאת מחדש, סגור את גליל הגז ואת פתח המשאבה. לחץ על המשאבה כדי להתאים ללחץ תא הלחץ.
    14. המתן ~ 12-24 שעות לגז כדי לחלחל טיפה.
  6. תגרם את קליפת הלחות באמצעות קרח יבש.
    1. החליפו את זמן ההפסקה כדי לצלם תמונות כל 2-5 s.
    2. מוסיפים קרח יבש לחלק העליון של התא עד שמעטפת הלחות נראית בזמן.. אם הקרח היבש מחליק, הדבק סרט הדבקה סביב החלק העליון של התא.
  7. שים לב להתקדמות של היווצרות לחות מתאן באמצעות תמונות זמן לשגות עבור ~ 2-6 שעות.
  8. הפחתת לחץ התא ל 2,000 kPa על ידי פתיחת שקע המשאבה והגדרת קונסט Press ל 2,000 kPa. הערה כאשר מתרחשת היתוך.
    הערה: מבעבע בטיפת הססיל עלול להתרחש עקב בריחת הגז המומס.
  9. לאחר ~ 30 דקות, להדחיק את תא הלחץ ל 5,000 kPa כדי לצפות את אפקט הזיכרון. שים לב כאשר קליפת הידרציה מתחילה לבצע רפורמה. אפשר למעטפת להיווצר במשך ~ 30 דקות עד 2 שעות.
  10. הפחתת לחץ על התא על-ידי פתיחת שקע המשאבה והגדרת ההעיתונות של קונסט ל- 0 kPa. אם יש לחץ שיורית בתא הלחץ, פתחו מעט את שסתום תא הלחץ על ידי ~ 1/16 ".
  11. שמור את נתוני הלחץ והטמפרטורה כקבצים .csv.
  12. הסר את טיפה על ידי הסרת שסתום תא הלחץ העליון כמו קודם וחילץ טיפה עם מזרק / צינורית / IV. אם יש חשש לזיהום בין הניסויים, להסיר את חלון הספיר ולחטא את הבמה ולהחליף את שומן ואקום. השתמש בכוס יניקה כדי להסיר את חלון הספיר לאחר שתא הלחץ התחמם לטמפרטורת החדר.

6. לנתח את הנתונים.

  1. פתח את הטמפרטורה והלחץ .csv קבצים.
  2. הפוך גיליון אלקטרוני חדש. העתק את עמודות הזמן והלחץ מהלחץ .csv ואת הזמן והטמפרטורה מקובץ .csv הטמפרטורה לגיליון האלקטרוני החדש.
  3. הפוך את החלקת פיזור עם הזמן על ציר x ושני צירי y עם טמפרטורה ולחץ(איור S2 משלים).
  4. צור עוד שתי עמודות עבור עקומת היציבות של הלחות. בעמודה הראשונה, הזן את הטמפרטורות מ- 273.15 K ל- ~ 279.15 K במרווחי זמן של 0.1 K. בעמודה השנייה, חשב את הלחץ באמצעות נוסחה (1) מסלואן וקו13.
    P [kPa] = exp(a+b/T [K]) כאשר a = 38.98 ו- b = -8533.80 (1)
  5. הפוך חלקת פיזור של גבול יציבות לחות, עם טמפרטורה (K) על ציר x ולחץ (kPa) על ציר y. הוסף סדרה שנייה על חלקת הפיזור עם טמפרטורה ניסיונית ולחץ על צירי x ו- y, בהתאמה (איור 4).
  6. הערה על הגרפים שבהם מעטפת הידרציה הפכה גלויה, על פי הדמיה זמן-לשגות.

7. לשמור על הציוד.

  1. תמלא את תמיסת הטנק באתנול לפני כל ניסוי שיחליף אתנול מתאדה. החלף לחלוטין את פתרון הטנק מדי חודש.
  2. החליפו את טבעות ה-o ומכלית הכביסה מגומי כל חודשיים של שימוש קבוע.
  3. החלף חיבורי יציאות אם מתרחשת דליפה מתמשכת שאינה קבועה על-ידי הידוק.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

בשיטה זו, מעטפת הידרציה גז על טיפה ניתן לפקח חזותית דרך חלון ספיר של תא הלחץ ובאמצעות טמפרטורה ומתמרי לחץ. כדי nucleate מעטפת הידרציה לאחר לחיצה על 5 MPa, קרח יבש ניתן להוסיף לחלק העליון של תא הלחץ כדי לגרום להלם תרמי כדי לעורר התגבשות הידרציה מהירה. יש הבדל מורפולוגי ברור על היווצרות קליפת הידרציה יבשה בכפייה של קרח. טיפת המים עברה מפני שטח חלק ומהורהר(איור 3A)למעטפת לחות אטומה עם משטח מעט דנדריטי(איור 3B). התוספת של 100 מיקרוגרם מ"ל-1 סוג I AFP שינתה את מורפולוגיה הידרציה על ידי גרימת קצוות רופפים לאורך הטיפה ובולטות מראש הטיפה(איור 3C,D).

לאחר מעטפת הידרציה שפותחה עבור ~ 1 שעות, התא היה בלחץ ל 2 MPa (וידאו משלים S3). במהלך הירידה בלחץ, חלה ירידה של 0.2 °C (5 °F) עד 0.5 °C (5 °F) בטמפרטורה ליד עקומת היציבות P/T13 (איור 4) עקב ניתוק לחות אקסותרמית. דיסוציאציה של לחות אושרה על ידי המסה חזותית באמצעות הדמיה בזמן-לשגות בתחילת הירידה בטמפרטורה, ציינו כוכבים באיור 4. לאחר דיסוציאציה מלאה של הידרציה, הדחקנו את התא כדי לצפות במורפולוגיה וטמפרטורת ההיתוך עם "אפקט הזיכרון"14, התופעה שבה לחות נוצרת מהר יותר לאחר הידרציה כבר נוצרה במערכת (וידאו משלים S4). לאחר לחיצה מחודשת, מעטפת הידרציה רפורמה בתוך כמה דקות לאחר שהגיע 5 MPa, וצפינו באותה ירידה בטמפרטורה בעקומת היציבות במהלך הניתוק.

בקרות שליליות ללא טיפה ועם טיפה שלא יצרהקליפת לחות (איור 4,ניסויים 4 ו-5) לא הראו ירידה בטמפרטורה במהלך הדיכאון. לאחר הפחתת לחץ מתחת ל-2 MPa, ראינו גז מבעבע בתוך הטיפה מהורדת גזים מהירה. מכיוון שהשאי של כל ירידה בטמפרטורה היה מעל עקומת יציבות ה-P/T שהוקמה בעבר13 (עקומת יציבות לחות #1 באיור 4),עקומת רגרסיה חושבה על בסיס השיא P/T של ניסויים אלה (P [kPa] = EXP(38.98+-8533.8/T [K]), עקומת היציבות של לחות #2 באיור 4).

Figure 1
איור 1:תא לחץ. השלב שעליו יושבת הטיפה והתרמו-קופלים המוטמעים מתגלה על ידי הסרת חלון הספיר ומכבסות גומי ופלדה מוגזמות. כל החלקים והחיבורים מסומנים בתווית. למעלה השמאלית: שלב המוצג מלמעלה עם תרופלים מוטבעים של שלב מרכזי וצדדי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2: המתאן מעניק לחות למערך ניסיוני. (A)מכסה המנוע האדים שבו נמצאת ההתקנה הניסיונית. (B)גליל הגז מחובר באמצעות סליל נחושת למשאבת הלחץ. מודגשים מהלוח (A) הם (C) תא הלחץ המורכב, (D) טנק 10 גלון (37.85 ליטר) ללא הבידוד או הפתרון, (E) משאבת הלחץ, ו -F, G, H) תמונות מוגדלות של חיבורי משאבת לחץ. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3:קונכיות לחות מתאן. תמונות מייצגות של הטיפה לפני (A) ואחרי (B) קליפת לחות מתאן נוצר על טיפת מים deionized ולפני (C) ואחרי (D) קליפת הידרציה נוצר על טיפה המכילה 100 מיקרוגרם mL-1 סוג I חלבון נגד קפיאה. מוטות קנה מידה = 5 מ"מ. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4: דיאגרמת יציבות בטמפרטורת הלחץ. נתוני לחץ וטמפרטורה במהלך הפחתת לחץ מוצגים עם עקומות יציבות P/T של לחות מתאן (#1 מס 'מס סלואן ו Koh 200713 ו # 2 מחושב לקחת עקומת רגרסיה מפסגות היתוך לחות ממחקר זה). ניסויים עם קליפות הידרציה שנוצרו בהצלחה על טיפות מים DI הם ניסויים 1, 2 ו -3. משפט 4 היה שליטה שלילית ללא טיפה על הבמה. הטיפה במשפט 5 הייתה עוד שליטה שלילית שבה לא נוצרה קליפת הידרציה. כוכבים מציינים מתי ההיתוך ההידרציה החזותי החל במהלך הפחתת לחץ. ל- Trial 1 יש רזולוציה של 30 s (נקודת נתונים כל 30 s); לניסויים אחרים יש פתרון של 1 s. קיצורים: T = ניסיון; M.E. = אפקט זיכרון; P/T = טמפרטורת לחץ; DI = deionized; res = רזולוציה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור משלים S1: תמונות CAD לתחינה של תא הלחץ. חלקים A-F של תא הלחץ מסומנים עם אות החלק והממדים שלהם. קיצור: CAD = עיצוב בעזרת מחשב. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים S2: נתוני לחץ וטמפרטורה לאורך זמן עבור ניסויים 2-4. ניסויים 2 ו -3 היו טיפות מים דהיונוציה רגילה שיצרו קליפות הידרציה. משפט 4 היה שליטה שלילית שבה לא הייתה טיפה. הניסויים מסודרים בהפחתת הלחץ הראשונה, המתרחשת בזמן אפס. ירידה קטנה בטמפרטורה מתרחשת בתחילת הלחץ עקב ערבוב הגז עם משאבת הלחץ. ירידה בטמפרטורה גדולה יותר מתרחשת עקב הידרציה נמס לאחר ירידת הלחץ הראשונית, כפי שמוצג בניסויים 2 ו -3. תנודת הטמפרטורה בסוף ניסוי 4 נובעת מפתיחת השסתום המוביל להפחתת לחץ מלאה, המתרחשת גם בסוף ניסויים 2 ו -3. נא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

טבלה משלימה S1: מתח מותר (MPa) של תא הלחץ במכונה. קיצור: FS = גורם בטיחות. נא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

טבלה משלימה S2: גורם בטיחות עבור תא הלחץ במכונה. קיצור: FS = גורם בטיחות. נא לחץ כאן כדי להוריד טבלה זו.

וידאו משלים S1: מאמץ. וידאו של סימולציית המתח על תא לחץ במכונה. אנא לחץ כאן כדי להוריד וידאו זה.

וידאו משלים S2: מתח. וידאו של סימולציית הלחץ על תא לחץ במכונה. אנא לחץ כאן כדי להוריד וידאו זה.

וידאו משלים S3: ניסיון 3 של דיסוציאציה קליפה הידרציה. וידאו לשגות זמן של דיסוציאציה מעטפת הידרציה במהירות 25x. אנא לחץ כאן כדי להוריד וידאו זה.

וידאו משלים S4: ניסיון 3 של התגרענות אפקט הזיכרון. וידאו לשגות זמן של היווצרות מעטפת הידרציה על ידי אפקט זיכרון לאחר דיכוי מ 2 MPa ל 5 MPa במהירות של 10x. אנא לחץ כאן כדי להוריד וידאו זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

פיתחנו שיטה ליצירת קליפות לחות מתאן על טיפות מים ססיל בבטחה ולשתף שיטה זו למכונה ולהרכיב תא לחץ המדורג ללחץ עבודה של 10 MPa, כמו גם את מערכות הלחץ והקירור. תא הלחץ מצויד בשלב לטיפה המכילה תרמי-קופלים מוטבעים, חלון ספיר להדמיית הטיפה, ומתמר לחץ קבוע לחלק העליון של התא. מערכת הקירור כוללת אתילן גליקול צונן המסתובב דרך סלילי נחושת במיכל עם תמיסת אתנול 50%, שבה מונח תא הלחץ. משאבת לחץ לוחצת על הגז מהגליליל לתא הלחץ. מעטפת הידרציה נוצרת עם ירידה בטמפרטורה מהירה עם תוספת של קרח יבש לחלק העליון של תא הלחץ. אנו מאפשרים למעטפת להיווצר במשך 2 שעות, שבמהלכה אנו מאמינים שהגז מחלחל באמצעות פיצוח סטוכאסטי של קליפת הידרציה, ואוסטוולד מבשיל על פני תקופה ארוכה יותר. אכן, מכשיר זה יכול לשמש כדי ללמוד תופעות אלה.

השלבים הקריטיים לפרוטוקול זה כוללים: 1) דליפת-לבדוק את תא הלחץ עם מים לפני לחיצה עליו עם גז, 2) בפועל הוספת טיפת המים על הבמה לפני החדרת חלון ספיר, 3) לקרר את טיפה להיות יציב ב ~ 2 °C לפני לחיצה, 4) לחץ עם קצב זרימה מקסימלי של 10 מ"ל דקות-1 עד 5 MPa במרווחים של 1 MPa, 5) לסגור את שסתום השקע על משאבת הלחץ (לתא) כדי להגביל את חילופי הגז עם משאבת הלחץ, 6) להגדיר את הטמפרטורה, הלחץ, ואת הזמן לשגות תוכנה כדי לרשום כל 1 s, 1 s, ו 5 s (או פחות), בהתאמה, לפני הוספת קרח יבש, 7) להחיל קרח יבש על החלק העליון של התא ברציפות עד קליפת הידרציה נצפתה בזמן לשגות, 8) לאפשר את מעטפת הידרציה להיווצר לפחות 1 שעות, 9) לדכא באותה מהירות כמו לחץ.

במהלך פיתוח השיטה, מיטבנו משתנים וטכניקות, כולל תזמון הקירור, הלחץ, הפחתת הלחץ, גודל הטיפה וטכניקת ההכנסה של הטיפה. קיימות מספר מגבלות בשימוש בשיטה זו. מגבלה אחת היא הרזולוציה של הדמיה טיפה בשל רזולוציית המצלמה וחומרים בין המצלמה טיפה (טנק, פתרון אתנול, חלון ספיר עבה). בנוסף, בעוד מחקרים אחרים להתבונן טיפת פני השטח על microscale7,9,10, שיטה זו מאפשרת רק תצפיות בקנה מידה מאקרו. ניתן היה להתקין עדשת מיקרוסקופ אם היה עניין בתצפיות מיקרו.

מגבלה נוספת לשיטה זו היא לא להיות מסוגל למדוד את עובי מעטפת הידרציה במדויק. עם זאת, ניתן להעריך את עובי הידרציה על ידי חיסור האזור החתך לפני ואחרי היווצרות לחות וחישוב צריכת הגז באמצעות השינוי בטמפרטורה במהלך הלחץ כדי לקבוע את נפח הידרציה שנוצר. מגבלה נוספת היא כי טיפה זו לא ניתן להציג בתלת-ממד כי יש רק צד אחד של תא הלחץ המכיל חלון ספיר. לעומת זאת, מחקרים אחרים השתמשו בתאים העשויים כולו מספיר כדי לצפות בטיפה מזוויות מרובות7. אנחנו גם לא להתקין שלב טמפרטורה שליטה10 או טכניקות ספקטרוסקופיות; עם זאת, אלה בהחלט ניתן להתקין באמצעות התקנה זו.

בשיטה זו, המורפולוגיה, לחץ הדיסוציאציה והטמפרטורה, ואת השינוי בטמפרטורה במהלך ניתוק לחות ניתן לראות עם טיפות המכילות תוספים או מצעים שלב חלופיים. שיטה זו זולה יחסית, ויש מעט פרוטוקולים יסודיים ליצירת קליפות לחות גז. מכיוון שמערכות בלחץ גבוה עלולות להיות מסוכנות, אנו כוללים טיפים בטיחותיים לבדיקות לחץ ודליפה. בנוסף, הגדרות רבות אינן מאפשרות הדמיה של היווצרות לחות גז, או לעשות זאת בקנה מידה קטן בהרבה או הרבה יותר גדול. ניסויי מעבדה תורמים רבות להבנת הידרטות גז טבעיות והידרציות גז טבעי שיכולות לגרום לפיצוצים קטלניים של צינורות גז. שיטה זו יכולה לשמש כדי להעריך במהירות את ההשפעות של תוספים על טמפרטורת הניתוק והמורפולוגיה ואת היכולת של תוספים לחסל את אפקט הזיכרון. תוספים יעילים יכולים לשמש כמעכבים בצינורות גז טבעי או כדי לחקור את הפעילות הביולוגית של חלבונים חיידקיים במעמקי הים6,15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין אינטרסים כלכליים מתחרים.

Acknowledgments

מענק אקסוביולוגיה של נאס"א 80NSSC19K0477 מימן את המחקר הזה. אנו מודים לוויליאם ווייט וניקולס אספינוזה על דיונים חשובים.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
CAMERA AND LAPTOP
Camera Body Nikon D7200 Name in Protocol: camera
Camera Control Pro 2 Software Nikon Name in Protocol: camera software
Laptop HP Pavilion hp-pavilion-laptop-14-ce0068st Needs to be PC with plenty of storage (~ 1 Tb)
Name in Protocol: laptop
Macrophotography Lens Nikon AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Lens Name in Protocol: lens
CONSUMABLES
Deionized water Name in Protocol: DI water
Dry Ice VWR or grocery store Buy just before nucleation
Name in Protocol: dry ice
Ethanol Name in Protocol: ethanol
Ethylene Glycol Name in Protocol: ethylene glycol
COOLING SYSTEM
1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 25 ft. Polyethylene Tubing Everbilt Model # 301844 For circulating coolant from chiller to copper coils in aquarium
Name in Protocol: 3/8” (inner diameter) plastic tubing
Circulating chiller Polyscience Name in Protocol: chiller
Economical Flexible Polyethylene Foam Pipe Insulation McMaster-Carr 4530K162 3/4" thick wall; 1/2" inner diameter; R Value 3; 6' long
Name in Protocol: foam pipe insulation
Plastic tubing use any tubing that fits the airline connection in the lab and long enough to travel from the airline connection to the front of the aquarium
DATALOGGER
Armature Multiplexer Module for 34970A/
34972A, 20-Channel		 Keysight Technologies 34901A Name in Protocol: datalogger multichannel
Benchvue or Benchlink software Benchvue or Benchlink Name in Protocol: temperature transducer software
Data Acquisition/Switch Unit. GPIB, RS232 Keysight Technologies 34970A Name in Protocol: datalogger
USB/GPIB interface Keysight Technologies 82357B Name in Protocol: datalogger USB
datalogger multichannel
Schott Fostec -Llc 20510 Ace Fiber Optic Light Source Schott Fostec A20500 3115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W
Name in Protocol: light source unit
Schott Fostec light source guide - single bundle Schott Fostec A08031.40 Name in Protocol: fiber optic light source cable
METHANE GAS AND REGULATOR
1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil Everbilt Model # D 04020PS For pressurizing ISCO pressure pump. An additional pack is needed for coolant circulation, as listed below.
Name in Protocol: high pressure-rated 1/4” copper pipe
Methane cylinder regulator Airgas Y11N114G350-AG Name in Protocol: methane cylinder regulator
Methane gas cylinder Airgas ME UHP300 Name in Protocol: methane gas cylinder
PRESSURE PUMP
1/4 in.  flexible tubing, ~ 3 ft. Connect to pump inlet for leak test
Name in Protocol: 1/4"  flexible tubing
260D Syringe Pump W/Controller Teledyne Instruments Inc. 67-1240-520 Name in Protocol: pressure pump
Controller − Ethernet/USB Teledyne Instruments Inc. 62-1240-114 Purchase if you would like to install Labview onto computer and control pressure pump remotely. We did not do this.
Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/4" OD, 0.035" Wall Thickness, 1 Foot Long (x5) McMaster-Carr 89785K824 Name in Protocol: 1/4" pipe
Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/8" OD, 0.02" Wall Thickness, 1 Foot Long (x4) McMaster-Carr 89785K811 Name in Protocol: 1/8" pipe
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Reducing Union, 1/4 in. x 1/8 in. Tube OD (x4) Swagelok  SS-400-6-2 Name in Protocol: 1/8” to 1/4” adapter
PRESSURE CELL
316 Stainless Steel Nut and Ferrule Set (1 Nut/1 Front Ferrule/1 Back Ferrule) for 1/4 in. Tube Fitting (20) Swagelok  SS-400-NFSET Used for fitting connections where necessary
Name in Protocol: ferrule set
316L Stainless Steel Convoluted (FM) Hose, 1/4 in., 316L Stainless Steel Braid, 1/4 in. Tube Adapters, 60 in. (1.5 m) Length Swagelok SS-FM4TA4TA4-60 Connects pressure pump to pressure cell
Name in Protocol: 1/4" braided stainless steel flexible pressure-rated hose
ABAQUS ABAQUS FEA Name in Protocol: simulation software
Abrasion-Resistant Cushioning Washer for 7/8" Screw Size, 0.875" ID, 2.25" OD, packs of 10 (x1) McMaster-Carr 90131A107 Name in Protocol: 2.25" rubber washer
Abrasion-Resistant Sealing Washer, Aramid Fabric/Buna-N Rubber, 3/8" Screw Size, 0.625" OD, packs of 10 (x1) McMaster-Carr 93303A105 Used for illumination port
Acrylic Sheet | White 2447 / WRT31
Extruded Paper-Masked (Translucent 55% (0.118 x 12 x 12)		 Interstate Plastics ACRW7EPSH Machine a circle of acrylic to fit in the inner chamber of the pressure cell to serve as the background for imaging
Name in Protocol: acrylic disc
AutoCAD AutoCAD Name in Protocol: engineering design software
Conax fitting Conax Technologies 311401-011 TG(PTM2/)-24-A6-T, OPTIONAL 1/4" NPT
Name in Protocol: pressure seal connector
High Accuracy Oil Filled Pressure
Transducers/Transmitters for General
industrial applications (x2)		 Omega Engineering, Inc. PX409-3.5KGUSBH Buy two so there is a backup.
Name in Protocol: pressure transducer
HIGH PRESSURE CHAMBER  PARTS Wither Tool, Die and Manufacturing Company Machining for pressure cell parts as listed in CAD drawings (Figure S1)
Name in Protocol: Part B = stainless steel washer
High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M5 x 0.80 mm Thread, 14 mm Long (x20) McMaster-Carr 90037A119 Used for illumination port
High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M8 x 1.25 mm Thread, 25 mm Long (x20) McMaster-Carr 90037A133 Name in Protocol: M8 stainless steel screws
Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 120, packs of 50 (x1) McMaster-Carr 5308T178 Name in Protocol: 1" o-ring
Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 128, packs of 50 (x1) McMaster-Carr 5308T186 Name in Protocol: 1.5" o-ring
Omega Inc. pressure transducer software Omega Engineering, Inc. Name in Protocol: pressure transducer software
Polycarbonate Disc McMaster-Carr 8571K31 Listed in CAD drawings for illumination port, Fig. S1 Part E
Sapphire windows (x3) Guild Optical Associates, Inc. Optical Grade Sapphire Window, C-Plane
Diameter: 1.811” ±.005”
Thickness: .590” ±.005”
Surface Quality: 60/40
Edges ground and safety chamfered		 Buy three so there are two backups.
Name in Protocol: sapphire window
Solid Thermocouple Wire FEP Insulation and Jacket, Type K, 24 Gauge, 50 ft. Length (x1) McMaster-Carr 3870K32 Name in Protocol: thermocouples
Stainless Steel Integral Bonnet Needle Valve, 0.37 Cv, 1/4 in. Swagelok Tube Fitting, Regulating Stem (x4) Swagelok  SS-1RS4 Two will be used for the pressure pump as well.
Name in Protocol: 1/4" needle valves
Stainless Steel Pipe Fitting, Hex Nipple, 1/4 in. Male NPT (x2) Swagelok  SS-4-HN Used for illumination port
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Female Branch Tee, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Female NPT (x2) Swagelok  SS-400-3-4TTF Used with pressure transducer
Name in Protocol: branch tee fitting
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Male Connector, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Male NPT (x4) Swagelok  SS-400-1-4 Used on top port and side port leading to needle valves
Name in Protocol: NPT screws
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Port Connector, 1/4 in. Tube OD (x8) Swagelok  SS-401-PC Use as tube connections between NTP and valve connections
Name in Protocol: port connector fitting
TANK
1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil Everbilt Model # D 04020PS For circulating coolant
Name in Protocol: 1/4" copper pipe
10 gallon aquarium Tetra Name in Protocol: 10 gallon tank
2 oz. Waterweld J-B Weld Model # 8277 Name in Protocol: underwater sealant
3 in. x 25 ft. Foil Backed Fiberglass Pipe Wrap Insulation Frost King Model # SP42X/16 For wrapping around aquarium
Name in Protocol: foil-lined fiberglass
3/8 7/8 in. Stainless Steel Hose Clamp (10 pack) Everbilt Model # 670655E Name in Protocol: worm drive hose clamps
Styrofoam Name in Protocol: insulating material
TOOLS
1-1/8 in. Ratcheting Tube Cutter Husky Model # 86-036-0111
1/2 in. to 1 in. Pipe Cutter Apollo Model # 69PTKC001
Adjustable wrench (x2) Steel Core Model # 31899 Need two wrenches with jaw at least 1"
Allen wrench set Home Depot
Duct tape Name in Protocol: duct tape
Flexible tubing, like an IV line, to fit on the end of grainger probe (canula) Name in Protocol: IV tube
Grainger 18 gauge probe Grainger For inserting droplet
Name in Protocol: cannula
High Vacuum Grease Dow corning Apply to o-rings before inserting sapphire window
Name in Protocol: vacuum grease
Klein Tools Professional 90 Degree 4-in-1 Tube Bender Klein Tools Model # 89030 Name in Protocol: tube bender
Snoop liquid leak detector Swagelok MS-SNOOP-8OZ To detect leaks when pressurized when methane
Name in Protocol: liquid leak detector
Suction cup Home Depot For removing tight fitting sapphire window
Name in Protocol: suction cup
Teflon Tape Name in Protocol: plumber's tape
Temflex 3/4 in. x 60 ft. 1700 Electrical Tape Black 3M Model # 1700-1PK-BB40 Name in Protocol: electrical tape

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Bohrmann, G., Torres, M. E. Gas hydrates in marine sediments. Marine Geochemistry. Schulz, H. D., Zabel, M. , Springer. Heidelberg, Germany. 481-512 (2006).
  2. Ruppel, C. D., Kessler, J. D. The interaction of climate change and methane hydrates. Reviews of Geophysics. 55 (1), 126-168 (2017).
  3. Hammerschmidt, E. G. Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines. Industrial and Engineering Chemistry. 26, 851-855 (1934).
  4. Ke, W., Kelland, M. A. Kinetic hydrate inhibitor studies for gas hydrate systems: a review of experimental equipment and test methods. Energy & Fuels. 30 (12), 10015-10028 (2016).
  5. Kelland, M. A. A review of kinetic hydrate inhibitors from an environmental perspective. Energy & Fuels. 32 (12), 12001-12012 (2018).
  6. Walker, V. K., et al. Antifreeze proteins as gas hydrate inhibitors. Canadian Journal of Chemistry. 93 (8), 839-849 (2015).
  7. Bruusgaard, H., Lessard, L. D., Servio, P. Morphology study of structure I methane hydrate formation and decomposition of water droplets in the presence of biological and polymeric kinetic inhibitors. Crystal Growth & Design. 9 (7), 3014-3023 (2009).
  8. Jung, J. W., Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. Properties and phenomena relevant to CH4-CO2 replacement in hydrate-bearing sediments. Journal of Geophysical Research. 115 (10102), 1-16 (2010).
  9. Chen, X., Espinoza, D. N. Ostwald ripening changes the pore habit and spatial variability of clathrate hydrate. Fuel. 214, 614-622 (2018).
  10. DuQuesnay, J. R., Diaz Posada, M. C., Beltran, J. G. Novel gas hydrate reactor design: 3-in-1 assessment of phase equilibria, morphology and kinetics. Fluid Phase Equilibria. 413, 148-157 (2016).
  11. Udegbunam, L. U., DuQuesnay, J. R., Osorio, L., Walker, V. K., Beltran, J. G. Phase equilibria, kinetics and morphology of methane hydrate inhibited by antifreeze proteins: application of a novel 3-in-1 method. The Journal of Chemical Thermodynamics. 117, 155-163 (2018).
  12. Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. Water-CO2-mineral systems: Interfacial tension, contact angle, and diffusion - Implications to CO2 geological storage. Water Resources Research. 46 (7537), 1-10 (2010).
  13. Sloan, E. D., Koh, C. A. Clathrate Hydrates of Natural Gases. 3rd edn. , CRC Press. (2007).
  14. Makogon, I. F. Hydrates of natural gas. , PennWell Books. Tulsa, Oklahoma, USA. 125 (1981).
  15. Johnson, A. M., et al. Mainly on the plane: deep subsurface bacterial proteins bind and alter clathrate structure. Crystal Growth & Design. 20 (10), 6290-6295 (2020).

Tags

מדעי הסביבה גיליון 171 מתאן לחות טיפה לחץ גבוה תוספים מעכבים גבולות יציבות
מתאן הידרציה התגבשות על טיפות מים יסילי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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

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

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

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

Waiting X
Simple Hit Counter