Summary
Çeşitli inhibitörlerin, promotörlerin ve substratların hidrat kristal morfolojisi üzerindeki etkilerini incelemek için sessile su damlacıkları üzerinde gaz hidrat oluşturmak için bir yöntem açıklıyoruz.
Abstract
Bu makalede, su damlacıkları üzerinde metan hidrat kabukları oluşturmak için bir yöntem açıklanmaktadır. Buna ek olarak, sessile damlacıkları için bir aşama, görselleştirme için bir safir pencere ve sıcaklık ve basınç dönüştürücüleri içeren 10 MPa çalışma basıncına derecelendirilmiş bir basınç hücresi için planlar sağlar. Hücreyi 5 MPa'ya basınçlandırmak için metan gazı silindirine bağlı bir basınç pompası kullanılır. Soğutma sistemi, bakır bobinler aracılığıyla etilen glikol ile soğutulan% 50 etanol çözeltisi içeren 10 galonluk (37,85 L) bir tanktır. Bu kurulum, sırasıyla soğutma ve basınçsızlaştırma sırasında hidrat oluşumu ve ayrışması ile ilişkili sıcaklık değişiminin gözlemlenmesine ve damlacığın morfolojik değişikliklerinin görselleştirilmesine ve fotoğraflanmasına olanak tanır. Bu yöntemle ~-6 °C ila -9 °C'de hızlı hidrat kabuğu oluşumu gözlendi. Basınç kaybı sırasında, ekzotermik hidrat ayrışması nedeniyle basınç/sıcaklık (P/T) stabilite eğrisinde 0,2 °C ila 0,5 °C sıcaklık düşüşü gözlendi ve sıcaklık düşüşünün başlangıcında erimenin görsel gözlemi ile doğrulandı. "Bellek etkisi" 2 MPa'dan 5 MPa'ya basınçlandırıldıktan sonra gözlendi. Bu deneysel tasarım, damlacık basıncının, sıcaklığının ve morfolojisinin zaman içinde izlenmesini sağlar ve bu da bunu hidrat morfolojisi üzerinde çeşitli katkı maddelerini ve substratları test etmek için uygun bir yöntem haline getirir.
Introduction
Gaz hidratları, van der Waals etkileşimleri yoluyla konuk gaz moleküllerini hapseden hidrojenle bağlanmış su moleküllerinin kafesleridir. Metan hidratları, doğada kıta kenarları boyunca yüzey altı tortusunda, Arktik permafrosta ve güneş sistemindeki diğer gezegen cisimlerinde meydana gelen yüksek basınç ve düşük sıcaklık koşullarında oluşur1. Gaz hidratları, iklim ve enerji için önemli etkileri olan birkaç bin gigaton karbon depolar2. Gaz hidratları doğal gaz endüstrisinde de tehlikeli olabilir, çünkü gaz boru hatlarında hidratlar için elverişli koşullar oluşur, bu da ölümcül patlamalara ve petrol sızıntılarına yol açan boruları tıkayabilir3.
Gaz hidratlarını yerindeincelemenin zorluğu nedeniyle, laboratuvar deneyleri genellikle hidrat özelliklerini ve inhibitörlerin ve substratların etkisini karakterize etmek için kullanılır4. Bu laboratuvar deneyleri, çeşitli şekil ve boyutlardaki hücrelerde yüksek basınçta gaz hidrat yetiştirilerek gerçekleştirilir. Gaz boru hatlarında gaz hidrat oluşumunu önleme çabaları, antifriz proteinleri (AFP'ler), yüzey aktif maddeler, amino asitler ve polivinilipirrolidon (PVP)5,6dahil olmak üzere çeşitli kimyasal ve biyolojik gaz hidrat inhibitörlerinin keşfedilmesine yol açmıştır. Bu bileşiklerin gaz hidrat özellikleri üzerindeki etkilerini belirlemek için, bu deneyler otoklavlar, kristalizatörler, karıştırılmış reaktörler ve 0,2 ila 106 santimetreküp4hacimleri destekleyen sallanan hücreler de dahil olmak üzere çeşitli gemi tasarımları kullanmıştır.
Burada ve önceki çalışmalarda kullanılan sessile damlacık yöntemi7,8,9,10,11,12, basınç hücresi içindeki su damlacıklarında bir gaz hidrat filmi oluşturmayı içerir. Bu kaplar, 10-20 MPa'ya kadar basınçları karşılamak için paslanmaz çelik ve safirden yapılmıştır. Hücre bir metan gazı silindirine bağlı. Bu çalışmalardan ikisi, PVP 7,11gibi ticari kinetik hidrat inhibitörlerine (KHI) kıyasla AFP'leri gaz hidrat inhibitörleri olarak test etmek için damlacık yöntemini kullandı. Bruusgard ve ark.7 inhibitörlerin morfolojik etkisine odaklandı ve Tip I AFP'leri içeren damlacıkların, yüksek itici güçlerde inhibitörler olmadan dendritik damlacık yüzeyinden daha pürüzsüz, camsı bir yüzeye sahip olduğunu buldu.
Udegbunam ve ark.11, önceki bir çalışmada KHI'leri değerlendirmek için geliştirilen bir yöntem kullandı10Morfoloji / büyüme mekanizmalarının, hidrat-sıvı-buhar dengesi sıcaklığının / basıncının ve kinetiğin sıcaklığın bir işlevi olarak analizini sağlar. Jung ve arkadaşları, CH4hidrat kabuğu8 oluşturduktan sonra hücreyi CO 2 ile doldurarak CH 4 -CO2 değişimini inceledi. Chen ve ark. hidrat kabuğu9oluştururken Ostwald olgunlaşmasını gözlemledi. Espinoza ve ark. çeşitli mineral substratlarda CO2 hidrat kabuklarını inceledi12. Damlacık yöntemi, çeşitli bileşiklerin ve substratların gaz hidratları üzerindeki morfolojik etkisini belirlemek için nispeten basit ve ucuz bir yöntemdir ve küçük hacim nedeniyle az miktarda katkı maddesi gerektirir. Bu makalede, görselleştirme için safir pencereli, 10 MPa'ya kadar çalışma basıncı derecelendirilmiş paslanmaz çelik bir hücre kullanarak bir su damlası üzerinde bu tür hidrat kabukları oluşturmak için bir yöntem açıklanmaktadır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Basınç hücresini tasarlayın, doğrulayın ve makine halinen.
- Hücreyi, bir su damlasından hidrat oluşumunun doğrudan görselleştirilmesine izin vermek için tasarlayın. Hücrenin, sıvı/gaz girişi, çıkış, ışık ve teller için bir ana hazneye ve dört bağlantı noktasına sahip olduğundan emin olun (Şekil 1). Mühendislik tasarım yazılımında son tasarımı oluşturun (Ek Şekil S1).
- Basınç hücresinin yüksek basınç altında çalışarak güvenli olup olmadığını kontrol etmek için simülasyon yazılımı kullanarak sonlu bir eleman analizi yapın.
- Mühendislik tasarım yazılımından simülasyon yazılımına tam boyutlu basınç hücresi modelini girin.
- Safir pencereye 400 GPa'lık bir Young modülü ve 0,29'lık poisson oranı atayın.
- Tüm paslanmaz çelik parçalar için, Young'ın 190 GPa modülüne ve Poisson'un 0,27 oranına sahip paslanmaz çelik 316'yı atayın.
- Adım adım, hücrenin içine 0 ila 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9 ve 10 MPa hava basıncı uygulayın(Ek Video S1 ve Ek Video S2). Yönetim denklemlerindeki zamana bağlı terimleri yoksayarak her yükleme adımını statik bir sorun olarak ele alın ve basınçlandırma sırasında yalnızca elastik deformasyonu göz önünde bulundurun.
- Çeşitli basınç koşullarında(Ek Tablo S1 ve Ek Tablo S2)stres dağılımını ve hücrenin deformasyonunu hesaplamak için simülasyon yazılımındaki doğrudan doğrusal denklem çözücüsüyü kullanın.
- Basınç hücresi tasarımının güvenli olduğu doğrulandıktan sonra, tüm parçaların mühendislik tasarım yazılımı planına göre işlenmiş olmasını sağlayın.
2. Basınç hücresini monte edin (Şekil 1).
- Dört Ulusal Boru Konik (NPT) dişini tesisatçı bandı ile basınç hücresindeki ilgili bağlantı noktalarına vidaleyin.
- Şema tasarımını(Ek Şekil S1, C, D ve E parçaları) kullanarak aydınlatma portunu monte edin ve sol üst NPT vidasına bağlayın.
- Dal tee bağlantı elemanını ve bağlantı noktası konektör montajını kullanarak basınç dönüştürücüsünü üst bağlantı noktası NPT'ye bağlayın.
- Giriş iğnesi vanasını sol taraftaki NPT vidasına bir bağlantı noktası konnektörü bağlantısı kullanarak bağlayın.
- Basınç hücresinin sağ tarafındaki bağlantı noktasına bir basınç contası konektörü takın. Basınç contası konnektöründen üç K tipi termokuple teli yerleştirin ve hücrenin içine 3" gevşeklik ve hücrenin dışında 3' gevşeklik yerleştirin.
- Sahne yüzeyini zımpara kağıdı ile parlatın(Ek Şekil S1, Parça F).
- Termokuplesları sahnedeki ilgili deliklere yerleştirin, böylece uçlar sahnenin üst kısmıyla yıkanır. Termokuplları yerinde sabitlemek ve kurumasını sağlamak için her delikte küçük bir damla tutkal kullanın.
- Işık yansımasını geliştirmek için akrilik diski basınç hücresinin arka duvarına takın. Sahneyi basınç hücresine sığdırın.
- Safir pencereyi takın.
- İki statik sızdırmazlık O-halkasına (bir 1" ve bir 1-1/5") vakum yağı uygulayın. O halkalarını basınç hücresindeki pencere deliğinin etrafındaki oluklara takın.
- Safir pencereyi takın. Safir pencereyi 2-1/4" kauçuk yıkayıcı ile kaplar ve paslanmaz çelik yıkayıcıya vida(Ek Şekil S1, Bölüm B) sekiz M8 paslanmaz çelik vida (Şekil 2C)kullanarak.
3. Ekipmanı büyük bir duman başlığına monte edin(Şekil 2).
NOT: Metan basınç altında yanıcı bir gaz olduğundan, metanla ilgili tüm boruları ve kapları ısıdan, kıvılcımlardan, açık alevden ve sıcak yüzeylerden uzak tutun. Tüm ekipmanları iyi havalandırılmış bir alana (örneğin, duman kaputu) kurun. Metan gazı ile çalışmadan önce güvenlik gözlükleri ve laboratuvar önlüğü yapmayın.
- Basınç pompasını, tüm ekipmanın sığacak kadar büyük bir duman kaputuna dikkatlice kaldırın (Şekil 2A). Pompa kontrol cihazını pompa tabanının üzerine yerleştirin. Pompa kontrol cihazını pompaya bağlayın ve bir güç şeridine takın.
- Metan gazı silindiri üzerindeki regülatörden basınç pompasının girişindeki duman kaputuna kadar yüksek basınç dereceli 1/4" bakır boru çalıştırın (Şekil 2A,B).
- Veri kaydediciyi basınç pompasının yanına yerleştirin ve dizüstü bilgisayarı veri kaydediciye ayarlayın (Şekil 2A). Her ikisini de bir güç şeridine takın. Veri kaydediciyi, veri kaydedici USB'si aracılığıyla dizüstü bilgisayara bağlayın.
- Dizüstü bilgisayarda, basınç hücresindeki veri kaydediciyi, kamerayı ve basınç dönüştürücüserini kontrol etmek için uygun yazılımı yükleyin.
- Akvaryumu veri kaydedicinin yanına yerleştirin ve titreşimleri basınç hücresiyle sınırlamak için akvaryumun altına liçsiz dolgu yerleştirin (Şekil 2C).
- Yeni bir 1/4" bakır boru kullanarak, bakır boruyu akvaryuma sığacak şekilde iki kez oval bir şekilde sarmak ve basınç hücresinin içeride oturması için yer bırakmak(Şekil 2D). Bobinin basınç hücresindeki safir pencereyi engellemediğine emin olun. Safir pencereyi görüntülemek için akvaryumdaki basınç hücresini yükseltin.
- Sirkülasyon soğutucuyu duman kaputunun yanındaki zemine yerleştirin (Şekil 2A). Soğutucuyu 50/50 v/v etilen glikol/su ile doldurun.
NOT: Etilen glikol tehlikeli olduğundan, dökülürken eldiven, laboratuvar önlüğü ve gözlük de dahil olmak üzere uygun güvenlik kıyafetleri kullanın. - Soğutucu giriş ve çıkışını akvaryumdaki bakır boru uçlarına bağlamak için 3/8" (iç çap) plastik borunun iki uzunluğunu kesin. Kesmeden önce köpük boru yalıtımı için yeterli gevşeklik olduğundan emin olun.
- Plastik boruyu köpük boru yalıtımı boyunca kaydırın.
- Yalıtımlı plastik boruyu, dolaşımdaki soğutucudaki giriş ve çıkıştan akvaryumun içindeki bakır bobinin uçlarına bağlayın. Tesisatçının bandını metal parçaların etrafına sararak ve solucan tahrik hortumu kelepçeleri ile bağlantıları sıkılaştırarak contaları sabitleyin. Soğutucuyu açın ve yüksek hızda dolaşacak şekilde ayarlayın. Sızıntı olmadığından emin olun.
- Akvaryumun içindeki bakır bobin/plastik boru bağlantılarının etrafına sualtı dolgu macunu uygulayın. Dolgu macunlarının tedavi etmesine izin verin. Dolgu macunlarını koli bandı ile sarın.
- Basınç pompası borularını takın (Şekil 2E).
NOT: Aletleri kullanmadan önce bağlantıları her zaman elle sıkın ve NPT bağlantılarını tesisatçının bandıyla asla ayırmayın, çünkü iyi bir şekilde yeniden mühürlemezler.- Tesisatçı bandı kullanarak pompa ile birlikte gelen şirket bağlantı parçaları ile basınç pompasının her iki tarafına 1/8" paslanmaz çelik boru takın (Şekil 2F).
- Bir boru bükücü ile, bağlantıda bükülmeyi önlemek için 1/8" boruyu pompadan yaklaşık 2" uzakta, 90 ° açıyla öne doğru bükün.
- Bir boru bükücü ile, 1/8" boruyu ilk virajdan yaklaşık 2" uzakta, 90 ° açıyla aşağı doğru bükün.
- Her iki taraftaki 1/8" boruya 1/8" adaptör takmak için 1/8" ila 1/4" adaptör takın (Şekil 2G).
- Her iki tarafa da adaptör takmak için 1/4" boru takın.
NOT: Vanayı pompanın yanına yapıştırmak için, 1/4" boruyu, takılı vananın iki vida deliğinin yanına oturacak şekilde kesin. - 1/4" iğne vanalarını takın (Şekil 2H). Vanaları basınç pompasına yapıştırıyorsanız, iğne valf bağlantıları arasında sabitlemek için vidalar için iki adet 1/16" delik ve bir adet 1/2" delikli bir çelik veya plastik plaka işleyin. Plakayı valf bağlantıları arasına yerleştirin ve plakayı pompanın yanına vidalayın.
NOT: İğne vanalarındaki okların yüksek basınçtan (basınç pompasının içinde) düşük basınca (basınç pompasının dışına) işaret etmesini sağlayın. - 1/4" örgülü paslanmaz çelik esnek basınç dereceli hortumun bir ucunun basınç pompasının çıkış vanasına, diğer ucunun bir ucunun da basınç hücresinin yan vanasına bağlayın.
- Termokuplları basınç hücresinden veri kaydedici çok kanallı kullanarak veri kaydedici kanallarına bağlayın. Tank çözeltisinin sıcaklığını ölçmek için ek bir termokupl tel bağlayın ve diğer ucunun tanka konmasının.
- Basınç hücresindeki basınç dönüştürücüslerini dizüstü bilgisayara bağlayın.
- Daha net görüntüleme için akvaryumun içindeki basınç hücresini öne yakın bir şekilde ayarlayın.
- Akvaryumu yalıtmak için, akvaryumun dışını folyo kaplı fiberglas ile sarın, kameranın basınç hücresinin safir penceresini görüntülemesi için bir delik / yarık ile sarın. Deneyler sırasında buharlaşmayı önlemek için akvaryumun üstünü yalıtım malzemesi ile örtün.
NOT: Işık kaynağından ısı birikmesini önlemek için akvaryum üstünü sıkıca kapatmaktan kaçının. - Akvaryumun ön tarafında nemli havanın yoğunlaşmasını önlemek için, plastik boruyu en yakın hava vanasından, kameranın işaret edeceği akvaryumun önüne kadar çalıştırın, böylece borular fotoğraflarda görünmez.
- Işık kaynağı ünitesini akvaryumun yanına ayarlayın ve güç şeridine takın.
- Kamerayı akvaryumun önüne, lens safir pencereye doğru işaret ederek ayarlayın. Kamerayı dizüstü bilgisayara ve güç şeridine takın.
- Olası sızıntı hasarını önlemek için kaput yüzeyindeki tüm elektronik eşyaları yükseltin. Prizlerin güç kapasitesi için gücün dağıtıldığını iki kez kontrol edin.
4. Basınç hücresini su ile sızdırarak test edin.
NOT: Tüm bağlantıların düzgün bir şekilde kapatıldığından emin olmak için, özellikle NPT vidalarını kestikten sonra, hücre yeniden bir araya geldiğinde basınç hücresini suyla sızdırarak test edin. Safir pencereyi veya üst vanayı çıkardıktan sonra bu gerekli değildir. Su basınç altında gazdan daha güvenlidir.
- Dizüstü bilgisayardaki basınç dönüştürücü yazılımını açın ve 1 s tarama aralığında veri toplamaya başlayın.
- Basınç pompasını ve kontrol cihazını açın. Basıncı izlemek için basınç pompası denetleyicisinde A Pompası'na basın.
- Pompada basınç varsa, hem pompa giriş hem de çıkış vanaları hala kapalıyken basınç pompası denetleyicisinde Yeniden Doldur tuşuna basarak basıncı azaltın.
- Her iki basınç hücresi valfi de açıkken, kalan basıncı yavaşça serbest bırakmak için pompa çıkış vanasını ~1/16" hafifçe açın.
- Bağlıysa, 1/4" bakır boruyu basınç pompasındaki giriş vanasından çıkarın.
- Somun ve yüksük seti kullanarak pompa giriş vanasına 1/4" esnek boru takın. Borunun ucunu bir galon suya yerleştirin.
- Pompanın çıkış vanasını kapatın ve pompanın giriş vanasını açın.
- Pompa pistonunun suyla doldurulması için basınç pompası denetleyicisine Yeniden Doldur'a basın.
- Basınç hücresini akvaryumun dışındaki sığ boş bir kaba ayarlayın.
- Üst porttan su çıkana ve basınç hücresini tamamen doldurana kadar havayı basınç hücresinden arındırın.
- Pompanın giriş vanasını kapatın ve pompanın çıkış vanasını açın.
- Basınç hücresindeki vanaların hala açık olduğundan emin olun.
- Maksimum (maksimum) akışı 100 mL/dk olarak ayarlayın: basınç pompası denetleyicisinde Sınırlar'abasın; maksimum akış için 3 tuşuna basın; maksimum akışı ayarlamak için 1 tuşuna basın; 100'deyumruk; Enter tuşunabasın.
- Önceki sayfaya ulaşmak için D tuşuna basın.
- Sabit akış hızını 100 mL/dk olarak ayarlayın: basınç pompası denetleyicisinde Const Flow tuşunabasın; akış hızı için A tuşuna basın; 100'deyumruk; Enter tuşunabasın. Çalıştır 'abasın.
- Su çıkmazsa veya pistondaki hacim yetersizse, pompa çıkış vanasını kapatarak, pompa giriş vanasını suda boru ile açarak pistonunu tekrar doldurun ve Yeniden Doldur 'abasın. Ardından, pompa giriş vanasını kapatarak, pompa çıkış vanasını açarak, akış hızını 100olarak ayarlayarak ve Çalıştır 'a basarak havayı temizle.
- Basınç hücresinin üst bağlantı noktasından su çıktıktan sonra sızıntı olup olmadığını kontrol edin ve sızan bağlantıları sıkın. Durdur tuşunabasın. Basınç hücresi çıkışı (üst) vanasını kapatın.
- Basınç hücresini basınçlandırın.
NOT: Basınç hücresine basınç vermeden önce güvenlik gözlükleri takmayın.- Hücrenin hızlı basınçlandırılmasını önlemek için maksimum akış sınırını 10 mL / dk olarak ayarlayın: basınç pompası denetleyicisinde, Sınırlar'abasın; maksimum akış için 3 tuşuna basın; maksimum akışı ayarlamak için 1 tuşuna basın; 10'dayumruk; Enter tuşunabasın.
- Hücreyi 100 kPa'ya basın: basınç pompası denetleyicisinde Const Press'e basın; A tuşunabasın; 100'deyumruk; Enter tuşunabasın. Çalıştır 'abasın.
- Sızıntı olup olmadığını kontrol edin. Bir sızıntı varsa, pompa denetleyicisinde Durdur'a basın, sızıntı bileşenlerini sıkın, Çalıştır'a basın ve 100 kPa'da sızıntı olmayana kadar tekrarlayın. Pompa çıkış vanasını kapatarak ve basınç dönüştürücü yazılımındaki basınç hücresinin basıncını izleyerek sızıntı olmadığından emin olun.
NOT: Basınç sürekli olarak azalırsa ve oda sıcaklığı değişimi nedeniyle normal dalgalanma değilse, bir sızıntı vardır. - Basıncı 50 kPa'dan 100 kPa'ya 500 kPa'ya, ardından 100 kPa'dan 500 kPa'dan 1.000 kPa'ya ve son olarak 1.000 kPa'dan ~10.000 kPa'ya yükseltir. Const Press ayarını daha önce olduğu gibi değiştirerek bunu yapın. Basınç ayarları arasında, pompa çıkış vanasını kapatın ve basıncın sabit olduğundan emin olmak için hücrenin basıncını eskisi gibi izleyin. Basınç düşerse, sızan bileşenleri dikkatlice sıkın.
- 10.000 kPa'ya ulaştıktan sonra pompa çıkış vanasını kapatın ve basınç hücresinin basınç dönüştürücüye göre basıncı ne kadar iyi tuttuğunu gözlemleyin. Basınçtaki tutarlı bir düşüş bir sızıntıya işaret ettiği için, bağlantıları daha düşük basınçta sıkın, ~1.000 kPa.
- Basıncı açmak için pompa çıkış vanasını açın ve basıncı 100 kPa'ya ayarlayın. Basınç platoları olduktan sonra, basınç hücresi çıkış vanasını hafifçe açın.
- Basınç pompasından su çıkarmak için pompa giriş vanasını kapatın, maksimum akışı ve Konst Akış ayarlarını 100 mL/dkolarak değiştirin ve pompa boşalana kadar Çalıştır'a basın.
- 1/4" esnek boruyu pompa girişinden çıkarın. Örgülü paslanmaz çelik hazneyi basınç hücresinden çıkarın. Her iki vanayı da açın ve suyu boşaltın. Hücrenin tamamen kurumasını sağlamak için safir pencereyi çıkarın.
5. Damlacık yüzeyinde bir metan hidrat kabuğu oluşturur.
- Ekipmanı hazırlayın.
- Metan silindir regülatörünü yeni bir somun ve yüksük seti kullanarak 1/4" bakır boru ile pompaya bağlayın. Gaz tüpünün kapalı olduğundan emin olun.
- Damlacık ekleme tekniğini uygulayın.
- Damlacığı safir pencereye yönlendirmeye yardımcı olmak için damarın ucuna bir açıyla kesilmiş IV boru gibi esnek bir ucu yapıştırın. Kanolaya 1 mL şırıngar takın ve istenen deiyonize su hacmini (~50-300 μL) çekin. İğne vanası veya safir pencere takılı olmadan, kanülün ucunu üst bağlantı noktasına yerleştirin ve damlayı orta sahneye atmayı uygulayın. Damlacık yerleştirmeyi uyguladıktan sonra, damlayı çıkarın ve sahneyi kurutun.
NOT: Bu protokolde şırınna 250 μL deiyonize su alınmıştır.
- Damlacığı safir pencereye yönlendirmeye yardımcı olmak için damarın ucuna bir açıyla kesilmiş IV boru gibi esnek bir ucu yapıştırın. Kanolaya 1 mL şırıngar takın ve istenen deiyonize su hacmini (~50-300 μL) çekin. İğne vanası veya safir pencere takılı olmadan, kanülün ucunu üst bağlantı noktasına yerleştirin ve damlayı orta sahneye atmayı uygulayın. Damlacık yerleştirmeyi uyguladıktan sonra, damlayı çıkarın ve sahneyi kurutun.
- Safir pencereyi ve pulları M8 vidalarla yeniden takın. Örgülü paslanmaz çelik hortumu basınç pompasından basınç hücresine bağlayın ve gaz silindirinden basınç hücresine kadar tüm bağlantıların sıkı olup olmadığını iki kez kontrol edin. Basınç hücresi giriş vanasını (yan valf) açın ve akvaryumdaki basınç hücresini ayarlayın. Basınç hücresi aydınlatma portuna fiber optik ışık kaynağı kablosu takın.
- Akvaryuma, ışık kaynağı bağlantısının hemen altındaki basınç hücresinin üst kısmıyla aynı seviyeye gelene kadar 50/50 etanol/su (v/v) ekleyin. Davlumbaz akışının açık olduğundan emin olun. Çözelti seviyesi sonraki haftalarda gelecekteki denemelere önce düştüğünde, daha fazla etanol ekleyin. Çözümü aylık olarak değiştirin.
- Soğutucuyu hücre içinde ~0 °C ila 3 °C (~-4 °C) elde edecek sıcaklığa ayarlayın ve bobinler arasında dolaşmaya başlayın. Akvaryum yüzeyinde yoğuşmaları önlemek için hava akışını akvaryumun önüne açın.
- Veri kaydedici yazılımında bir sıcaklık günlüğü başlatın. Tarama aralığını 30 s olarak ayarlayın. Basınç hücresinin içindeki sıcaklık 2 °C'de (~6-24 saat) sabit olana kadar bekleyin.
- Dizüstü bilgisayardaki kamera görünümünü kullanarak basınç hücresine bir su damlası ekleyin.
- Işık kaynağını ~%80'e açın. Kamera yazılımını açın. Canlı görüntüde, kamera lensini hücrenin iç odasına odakla. En iyi görüntüleme için ışık kaynağını ayarlayın.
- 1 s tarama aralığıyla yeni bir sıcaklık günlüğü başlatın.
- Takılıysa, çıkış iğne vanasını basınç hücresinin üst portunda ayırın. Kanolaya 1 mL şırıngar takın ve istenen deiyonize su hacmini (~50-300 μL) çekin.
NOT: Bu protokolde şırınna 250 μL deiyonize su çekilmiştir. - Cannula'ı, kamera yazılımında canlı görüntü modunda uç görünene kadar üst bağlantı noktasına yerleştirin. Sıvı damlacığı şırıngamdan merkezi termokuple atın. İğne vanasını yeniden takın.
- Kamerayı basınç hücresindeki damlacık üzerine odakla. Her ~60 s'de bir zaman atlamalı görüntülemeye başlayın.
- Dizüstü bilgisayardaki basınç dönüştürücü yazılımını açın ve grafikte ve veri günlüğünde 1 s tarama aralığında (sıcaklık tarama aralığıyla aynı) veri toplamaya başlayın. Damlacık sıcaklığı 0-3 °C arasında sabit olana kadar bekleyin.
- Basınç hücresini istediğiniz basınca bastırın.
NOT: Hücreye basınç basmadan önce güvenlik gözlükleri takmayın.- Pompayı ve kumandayı açın. Basınç pompasının giriş vanasını kapatın.
- Pompanın çıkış vanasını ve basınç hücresinin vanalarını açın.
NOT: Basınç hücresi giriş vanası her zaman açık olmalıdır. - Basınç pompası denetleyicisinde Sıfır'a basarak pompa basıncını daraleyin. Basıncı izlemek için basınç pompası denetleyicisinde Pompa A'yı seçin.
- Pompada metan gazı dışında farklı bir sıvı varsa basınç pompasının boş olduğundan emin olun. Bunu, maksimum akışı ve Const Flow'u 100 mL/dk olarak ayarlayarak ve Çalıştır 'abasarak yapın. Pompa boşalana kadar çalışır durumda bırakın. Pompa çıkış vanasını kapatın ve pompa giriş vanasını açın.
- Gaz tüpünü açın ve gaz silindiri regülatörünü 1.000 kPa'ya ayarlayın.
- Basınç pompası kontrol ünitesinde Yeniden Doldur'a basın. Pompa dolduğunda ve 1.000 kPa'ya yaklaştığında, pompa giriş vanasını ve gaz silindirini kapatın.
- Pompa çıkış vanasını hücreye hafifçe açın (~1/16" çevirin). Basınç hücresindeki nispeten düşük sıcaklık nedeniyle basınç azalabileceği için basınç dönüştürücü yazılımındaki basınç hücresi basıncını izleyin.
- Maksimum akışı 10 mL / dakolarak ayarlayın: basınç pompası denetleyicisinde, Sınırlar'abasın; maksimum akış için 3 tuşuna basın; maksimum akışı ayarlamak için 1 tuşuna basın; 10'dayumruk; Enter tuşunabasın.
- Maksimum basıncı 5.000 kPa'yaayarlayın: basınç pompası denetleyicisinde, Sınırlar'abasın; 1'ebasın; 5000yılında yumruk; Enter tuşunabasın.
- Sabit basıncı 1.000 kPa'yaayarlayın : basınç pompası denetleyicisinde Const Press'e basın; A tuşunabasın; 1000'deyumruk; Enter tuşunabasın. Çalıştır 'abasın.
- 1.000 kPa'ya ulaşıldığında, pompa kontrol ünitesinde Durdur tuşuna basın ve pompanın çıkış vanasını kapatın. Sızıntı olmadığından emin olmak için basınç hücresindeki basıncı izleyin. Basınç düşerse, bağlantılardaki sızıntıyı bulmak için sıvı sızıntı dedektörünü kullanın ve sızıntı bileşenlerini dikkatlice sıkın.
- Hücre sabitse, pompa çıkışını açın ve Const Press'i 2.000 kPa'ya ayarlayın. Durdur ve izle'ye basın. 2.000 kPa'da kararlıysa, Const Press'i 3.000 kPa olarak ayarlayın. Durdur ve izle'ye basın. 3.000 kPa'da kararlıysa, Const Press'i 4.000 kPa olarak ayarlayın. Durdur ve izle'ye basın. 4.000 kPa'da kararlıysa, Const Press'i 5.000 kPa olarak ayarlayın. Durdur ve izle'ye basın.
- Basınç sabitse, pompa çıkışını kapatın.
NOT: Pompa hacmi biterse, pompa çıkışını kapatın ve pompa girişini hafifçe açın. Gaz tüpünü yavaşça açın ve gaz regülatörünü 1.000 kPa'ya ayarlayın. Pompa kontrol ünitesinde Yeniden Doldur'a basın. Pompa yeniden doldurulduğunda, gaz tüpünü ve pompa girişini kapatın. Pompayı basınç hücresi basıncına uyacak şekilde basınçlandırın. - Gazın damlacıklara nüfuz etmesi için ~12-24 saat bekleyin.
- Kuru buz kullanarak hidrat kabuğunu çekirdeklendirin.
- Her 2-5 sn'de bir görüntü çekmek için zaman atlamalıyı değiştirin.
- Hidrat kabuğu zaman atlamalı olarak görülene kadar hücrenin üstüne kuru buz ekleyin. Kuru buz kayarsa, hücrenin üst kısmına bant yapıştırın.
- ~2-6 saat boyunca hızlandırılmış fotoğraflar aracılığıyla metan hidrat oluşumunun ilerlemesini gözlemleyin.
- Pompa çıkışını açarak ve Const Press'i 2.000 kPa'ya ayarlayarak hücreyi 2.000 kPa'ya düşür. Erimenin ne zaman gerçekleştiğini not edin.
NOT: Çözünmüş gazın kaçması nedeniyle sessile damlacığındaki kabarcıklanma meydana gelebilir. - ~30 dk sonra, bellek etkisini gözlemlemek için basınç hücresini 5.000 kPa'ya yeniden basınçlandırın. Hidrat kabuğunun ne zaman reform yapmaya başladığını not edin. Kabuğun ~30 dakika ila 2 saat boyunca oluşmasına izin verin.
- Pompa çıkışını açarak ve Const Press'i 0 kPa'ya ayarlayarak hücrenin basıncını düşür. Basınç hücresinde artık basınç varsa, basınç hücresi üst vanasını ~1/16" hafifçe açın.
- Basınç ve sıcaklık verilerini .csv dosyaları olarak kaydedin.
- Daha önce olduğu gibi üst basınçlı hücre vanasını çıkararak ve damlacığı şırınna/canül/IV tüp ile çıkararak damlacığı çıkarın. Denemeler arasında kontaminasyon endişesi varsa, safir pencereyi çıkarın ve sahneyi sterilize edin ve vakum gresini değiştirin. Basınç hücresi oda sıcaklığına ısındıktan sonra safir pencereyi çıkarmak için bir emme kabı kullanın.
6. Verileri analiz edin.
- Dosyaların sıcaklığını ve basıncını .csv.
- Yeni bir elektronik tablo yapın. Basınç .csv zaman ve basınç sütunlarını ve sıcaklık .csv dosyasındaki zaman ve sıcaklığı yeni elektronik tabloya kopyalayın.
- X ekseninde zaman ve sıcaklık ve basınç ile iki y ekseni ile bir dağılım grafiği yapın(Ek Şekil S2).
- Hidrat stabilite eğrisi için iki sütun daha yapın. İlk sütunda, sıcaklıkları 0,1 K aralıklarla 273,15 K ila ~279,15 K arasında girin. İkinci sütunda, Sloan & Koh13formülünü (1) kullanarak basıncı hesaplayın.
P [kPa] = exp(a+b/T [K]) burada a = 38,98 ve b = -8533,80 (1) - X ekseninde sıcaklık (K) ve y ekseninde basınç (kPa) ile hidrat stabilite sınırının bir saçılma grafiğini yapın. Sırasıyla x ve y eksenleri üzerinde deneysel sıcaklık ve basınç ile saçılma arsasına ikinci bir seri ekleyin (Şekil 4).
- Zaman atlamalı görüntülemeye göre hidrat kabuğunun görünür hale geldiği grafiklere dikkat edin.
7. Ekipmanın bakımını sağlayın.
- Buharlaştırılmış etanol yerine her denemeden önce tank çözeltisini etanol ile kapatın. Tank çözeltisini aylık olarak tamamen değiştirin.
- Her 2 aylık düzenli kullanımda o-halkaları ve kauçuk yıkayıcıyı değiştirin.
- Sıkarak düzeltilmeyen kalıcı sızıntı meydana gelirse bağlantı noktası bağlantılarını değiştirin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bu yöntemle, bir damlacık üzerindeki bir gaz hidrat kabuğu, basınç hücresinin safir penceresinden ve sıcaklık ve basınç dönüştürücüleri aracılığıyla görsel olarak izlenebilir. 5 MPa'ya basınç verdikten sonra hidrat kabuğunu çekirdeklendirmek için, basınç hücresinin üstüne kuru buz eklenebilir ve hızlı hidrat kristalizasyonunu tetiklemek için termal bir şoka neden olabilir. Kuru buzla zorlanan hidrat kabuğu oluşumunda açık bir morfolojik fark vardır. Su damlası pürüzsüz, yansıtıcı bir yüzeyden (Şekil 3A) hafif dendritik yüzeye sahip opak bir hidrat kabuğuna geçti (Şekil 3B). 100 μg mL-1 Tip I AFP ilavesi, damlacık boyunca sırtlı kenarları ve damlacık üst kısmından çıkıntıları indükleerek hidrat morfolojisini değiştirdi (Şekil 3C,D).
Hidrat kabuğu ~1 saat için geliştikten sonra, hücre 2 MPa'ya(Ek Video S3)depresörize edildi. Basınç basınçsızlaştırma sırasında, ekzotermik hidrat ayrışması nedeniyle P/T stabilite eğrisi 13 ( Şekil 4 ) yakınında sıcaklıkta0,2 °C ila0,5°C düşüş oldu. Hidrat ayrışması, Şekil 4'tekiyıldızlar tarafından belirtilen sıcaklıktaki düşüşün başlangıcında zaman atlamalı görüntüleme yoluyla görsel erime ile doğrulandı. Tam hidrat ayrışmasından sonra, morfolojiyi ve erime sıcaklığını gözlemlemek için hücreyi "bellek etkisi"14, hidrat sistemde zaten oluştuktan sonra daha hızlı oluştuğu fenomen (Ek Video S4). Yeniden basınçlandırmadan sonra, bir hidrat kabuğu 5 MPa'ya ulaştıktan sonra birkaç dakika içinde reforme edildi ve ayrışma sırasında stabilite eğrisinde aynı sıcaklık düşüşünü gözlemledik.
Damlacıksız ve hidrat kabuğu oluşturmayan bir damlacık ile yapılan negatif kontroller(Şekil 4, Denemeler 4 ve 5) basınç düşürme sırasında sıcaklıkta bir düşüş göstermedi. 2 MPa'nın altındaki basınçsızlaştırmada, damlacık içinde hızlı gaz gidermeden gaz köpürmesi gözlemledik. Her sıcaklık düşüşünün tepe noktası daha önce belirlenen P/T stabilite eğrisi13'ün üzerinde olduğundan (Şekil 4'tehidrat stabilite eğrisi #1), bu denemelerin apeks P/T'leri temel alınarak bir gerileme eğrisi hesaplandı (P [kPa] = EXP(38.98+-8533.8/T [K]), hidrat stabilite eğrisi #2 Şekil 4).
Şekil 1: Basınç hücresi. Damlacığın oturduğu aşama ve gömülü termokuples safir pencere ve aşırı kauçuk ve çelik pullar çıkarılarak ortaya çıkar. Tüm parçalar ve bağlantılar etiketlenmiştir. Sol üst giriş: merkezi ve yan sahne gömülü termokupllar ile yukarıdan gösterilen sahne. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Metan hidrat deneysel kurulumu. (A) Deneysel kurulumun bulunduğu duman davlumbaz. (B) Gaz tüpü basınç pompasına bakır bir bobin ile bağlanır. Panelden vurgulanan (A)monte basınç hücresi, (D) yalıtım veya çözelti olmadan 10 galonluk (37,85 L) tank, (E) basınç pompası ve (F, G, H) basınç pompası bağlantılarının yakınlaştırılmış görüntüleridir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Metan hidrat kabukları. Damlacığın (A) ve sonrası (B) deiyonize bir su damlacığı ve öncesi (C) ve sonrası (D) üzerinde oluşan bir metan hidrat kabuğunun temsili görüntüleri 100 μg mL-1 Tip I antifriz proteini içeren bir damlacık üzerinde oluşan bir hidrat kabuğu. Ölçek çubukları = 5 mm. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Basınç-sıcaklık stabilite diyagramı. Basınç basınçlandırma sırasında basınç ve sıcaklık verileri metan hidrat P/T stabilite eğrileri ile gösterilmiştir (Sloan ve Koh 200713'ten #1 ve bu çalışmadan hidrat erime tepelerinden bir gerileme eğrisi alarak hesaplanan #2). DI su damlacıklarında başarıyla oluşturulmuş hidrat kabukları ile yapılan denemeler Deneme 1, 2 ve 3'tür. Deneme 4, sahnede damlacık olmayan negatif bir kontroldü. Deneme 5'teki damlacık, hidrat kabuğunun oluşmadığı başka bir olumsuz kontroldü. Yıldızlar, basınç kaybı sırasında görsel hidrat erimesi başladığında gösterir. Deneme 1 30 s çözünürlüğe sahiptir (her 30 s'de bir veri noktası); diğer denemelerin çözünürlüğü 1 s. Kısaltmalardır: T = deneme; M.E. = bellek etkisi; P/T = basınç sıcaklığı; DI = deiyonize; res = çözünürlük. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Şekil S1: Basınç hücresini işleme için CAD görüntüleri. Basınç hücresinin A-F parçaları, parça harfleri ve boyutları ile etiketlenir. Kısaltma: CAD = bilgisayar destekli tasarım. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Şekil S2: Denemeler için zaman içinde basınç ve sıcaklık verileri 2-4. Deneme 2 ve 3 hidrat kabukları oluşturan düzenli deiyonize su damlacıklarıydı. Deneme 4, damlacık bulunmayan negatif bir kontroldü. Denemeler, sıfır zamanında meydana gelen ilk basınçsızlaştırmada sıralanır. Basınç pompası ile gaz karışması nedeniyle basınçsızlaşmanın başlangıcında sıcaklıkta küçük bir düşüş meydana gelir. Deneme 2 ve 3'te gösterildiği gibi, ilk basınç düşüşünden sonra nemlendirme erimesi nedeniyle daha büyük bir sıcaklık düşüşü meydana gelir. Deneme 4'ün sonundaki sıcaklık dalgalanması, 2 ve 3 denemelerinin sonunda da ortaya çıkan tam basınçsızlaştırmaya yol açan vananın açılmasından kaynaklanmaktadır. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Tablo S1: İşlenmiş basınç hücresinin izin verebilir stresi (MPa). Kısaltma: FS = güvenlik faktörü. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Tablo S2: İşlenmiş basınç hücresi için güvenlik faktörü. Kısaltma: FS = güvenlik faktörü. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Video S1: Suş. İşlenmiş basınç hücresindeki gerinim simülasyonunun videosu. Bu Videoyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Video S2: Stres. İşlenmiş basınç hücresindeki stres simülasyonunun videosu. Bu Videoyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Video S3: Hidrat kabuğu ayrışması deneme 3. 25x hızda hidrat kabuğu ayrışması zaman atlamalı video. Bu Videoyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Video S4: Bellek efekti çekirdeğinin deneme 3. 10x hızda 2 MPa'dan 5 MPa'ya kadar basınçlandırdıktan sonra bellek etkisiyle kabuk oluşumunun hızlandırılmış videosu. Bu Videoyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sessile su damlacıklarında metan hidrat kabuklarını güvenli bir şekilde oluşturmak ve bu yöntemi 10 MPa çalışma basıncına sahip bir basınç hücresinin yanı sıra basınç ve soğutma sistemlerini makineleştirmek ve monte etmek için paylaşmak için bir yöntem geliştirdik. Basınç hücresi, gömülü termokuples içeren damlacık için bir sahne, damlacığı görselleştirmek için bir safir pencere ve hücrenin üstüne sabitlenmiş bir basınç dönüştürücü ile donatılmıştır. Soğutma sistemi, basınç hücresinin yer edildiği% 50 etanol çözeltisine sahip bir tankta bakır bobinler aracılığıyla dolaşan soğutulmuş etilen glikol içerir. Basınç pompası, silindirden basınç hücresine kadar olan gazı basınçlandırır. Hidrat kabuğu, basınç hücresinin tepesine kuru buz eklenmesiyle hızlı sıcaklık azalması üzerine oluşur. Kabuğun 2 saat boyunca oluşmasına izin veriyoruz, bu sırada gazın hidrat kabuğunun stochastic çatlaması ve Ostwald'ın daha uzun bir süre boyunca olgunlaşması yoluyla nüfuz ettiğine inanıyoruz. Gerçekten de, bu cihaz bu fenomenleri incelemek için kullanılabilir.
Bu protokol için kritik adımlar şunlardır: 1) basınç hücresini gazla basınçlandırmadan önce su ile test edin, 2) safir pencereyi takmadan önce su damlacığını sahneye ekleme alıştırması yapın, 3) damlacığı basınçlandırmadan önce ~2 °C'de sabit olacak şekilde soğutun, 4) 10 mL min-1 ila 5 MPa maksimum akış hızı ile basınçlandırın, 5) basınç pompası ile gaz değişimini sınırlamak için basınç pompasındaki çıkış vanasını kapatın, 6) sıcaklık, basınç ve zaman atlamalı yazılımı sırasıyla her 1 s, 1 s ve 5 sn 'yi (veya daha az) günlüğe kaydedecek şekilde ayarlayın, kuru buz eklemeden önce, 7) zaman atlamalı bir hidrat kabuğu gözleninceye kadar hücrenin tepesine sürekli kuru buz uygulayın, 8) hidrat kabuğunun en az 1 saat boyunca oluşmasına izin verin, 9) basınçlandırma ile aynı hızda basınçlandırın.
Yöntem geliştirme sırasında, soğutma, basınçlaştırma, basınç basınçlaştırma, damlacık boyutu ve damlacık ekleme tekniği de dahil olmak üzere değişkenleri ve teknikleri optimize ettik. Bu yöntemin kullanılmasında birkaç sınırlama vardır. Bir sınırlama, kamera çözünürlüğü ve kamera ile damlacık arasındaki malzemeler (tank, etanol çözeltisi, kalın safir pencere) nedeniyle damlacık görüntülemenin çözünürlüğüdür. Ek olarak, diğer çalışmalar yüzey damlasını mikro ölçekli 7,9,10üzerinde gözlemlerken, bu yöntem yalnızca makro ölçekli gözlemlere izin verir. Mikro gözlemlere ilgi varsa mikroskop lens ataşmanı kurulabilir.
Bu yöntemin bir başka sınırlaması, hidrat kabuğu kalınlığını tam olarak ölçememektir. Bununla birlikte, hidrat kalınlığı, hidrat oluşumundan önce ve sonra kesit alanının çıkarılması ve oluşan hidrat hacmini belirlemek için basınç basınç değişimi sırasında sıcaklıktaki değişimi kullanarak gaz tüketiminin hesaplanması ile tahmin edilebilir. Diğer bir sınırlama, basınç hücresinin safir pencere içeren sadece bir tarafı olduğundan, bu damlacık 3D olarak görüntülenememesidir. Buna karşılık, diğer çalışmalar damlacıkları birden fazla açıdan gözlemlemek için tamamen safirden yapılmış hücreler kullanmıştır7. Ayrıca sıcaklık kontrol edici bir aşama10 veya spektroskopik teknikler kurmadık; ancak, bunlar kesinlikle bu kurulum kullanılarak yüklenebilir.
Bu yöntemle, katkı maddeleri veya alternatif aşama substratları içeren damlacıklar ile morfoloji, ayrışma basıncı ve sıcaklığı ile hidrat ayrışması sırasında sıcaklıktaki değişim gözlenebilir. Bu yöntem nispeten ucuzdur ve gaz hidrat kabukları oluşturmak için birkaç kapsamlı protokol vardır. Yüksek basınçlı sistemler tehlikeli olabileceği için, basınçlandırma ve sızıntı testi için güvenlik ipuçları içeririz. Ek olarak, birçok kurulum gaz hidrat oluşumunun görselleştirilmesine izin vermez veya bunu çok daha küçük veya çok daha büyük ölçekte yapar. Laboratuvar deneyleri, ölümcül gaz boru hattı patlamalarına neden olabilecek doğal gaz hidratlarının ve doğal gaz hidratlarının anlaşılmasına büyük katkıda bulunmaktadır. Bu yöntem, katkı maddelerinin ayrışma sıcaklığı ve morfoloji üzerindeki etkilerini ve katkı maddelerinin bellek etkisini ortadan kaldırma yeteneğini hızlı bir şekilde değerlendirmek için kullanılabilir. Etkili katkı maddeleri doğal gaz boru hatlarında inhibitör olarak veya derin deniz bakteriyel proteinlerinin biyolojik aktivitesini incelemek için kullanılabilir6,15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Rakip finansal çıkarlar yoktur.
Acknowledgments
NASA Exobiology hibesi 80NSSC19K0477 bu araştırmayı finanse etti. Değerli tartışmalar için William Waite ve Nicolas Espinoza'ya teşekkür ederiz.
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
- Bohrmann, G., Torres, M. E. Gas hydrates in marine sediments. Marine Geochemistry. Schulz, H. D., Zabel, M. , Springer. Heidelberg, Germany. 481-512 (2006).
- Ruppel, C. D., Kessler, J. D. The interaction of climate change and methane hydrates. Reviews of Geophysics. 55 (1), 126-168 (2017).
- Hammerschmidt, E. G. Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines. Industrial and Engineering Chemistry. 26, 851-855 (1934).
- 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).
- Kelland, M. A. A review of kinetic hydrate inhibitors from an environmental perspective. Energy & Fuels. 32 (12), 12001-12012 (2018).
- Walker, V. K., et al. Antifreeze proteins as gas hydrate inhibitors. Canadian Journal of Chemistry. 93 (8), 839-849 (2015).
- 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).
- 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).
- Chen, X., Espinoza, D. N. Ostwald ripening changes the pore habit and spatial variability of clathrate hydrate. Fuel. 214, 614-622 (2018).
- 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).
- 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).
- Sloan, E. D., Koh, C. A. Clathrate Hydrates of Natural Gases. 3rd edn. , CRC Press. (2007).
- Makogon, I. F. Hydrates of natural gas. , PennWell Books. Tulsa, Oklahoma, USA. 125 (1981).
- 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).
