我们描述了一种在静止水滴上形成气体水合物的方法，用于研究各种抑制剂、促进剂和基底对水合物晶体形貌的影响。
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本文内容
摘要
摘要
本文描述了一种在水滴表面形成甲烷水合物壳层的方法。此外，还提供了工作压力可达10 MPa的压力腔设计蓝图，该压力腔包含用于支撑静滴的载台、蓝宝石观察窗以及温度和压力传感器。通过连接甲烷气瓶的压力泵将压力腔加压至5 MPa。冷却系统由一个10加仑（37.85 L）的储液罐组成，其中盛有50%乙醇溶液，并通过铜管盘管以乙二醇进行冷却。该装置可分别在冷却和降压过程中观察与水合物生成和分解相关的温度变化，同时实现对液滴形态变化的可视化观察与摄影记录。采用该方法，在约-6 °C至-9 °C时观察到快速的水合物壳层形成。在降压过程中，由于放热性水合物分解，在压力/温度（P/T）相平衡曲线上观察到0.2 °C至0.5 °C的温度下降，且在温度下降起始阶段通过肉眼观察到熔融现象，进一步证实了该过程。当从2 MPa重新加压至5 MPa后，观察到了“记忆效应”。该实验设计可实现对液滴压力、温度及形态随时间变化的连续监测，因此适用于研究不同添加剂和基底对水合物形态的影响。
引言
气体水合物是由氢键连接的水分子形成的笼状结构，可捕获客体气体分子 通过 范德华相互作用。甲烷水合物在高压低温条件下形成，这种条件自然存在于大陆边缘海底沉积物中 边缘区域、北极永久冻土层下方以及太阳系其他行星体上1气体水合物储存了数千吉吨的碳，对气候和能源具有重要意义2天然气水合物在天然气工业中也可能构成危害，因为输气管道中的条件有利于水合物形成，可能导致管道堵塞，进而引发致命爆炸和石油泄漏。3.
由于研究气体水合物存在困难 原位, 实验室实验常被用于表征水合物的性质以及抑制剂和基质的影响4这些实验室实验通过在不同形状和尺寸的反应釜中加压培养气体水合物来进行。为防止天然气管道中形成气体水合物，研究人员已发现多种化学和生物抑制剂，包括抗冻蛋白（AFPs）、表面活性剂、氨基酸和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。5,6为了确定这些化合物对天然气水合物性质的影响，这些实验采用了多种反应容器设计，包括高压釜、结晶器、搅拌反应器和摇摆池，其支持的体积范围为0.2至106 立方厘米4
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方案
1. 设计、验证并加工压力池。
- 设计反应池，以便直接观察水滴中水合物的形成过程。确保反应池具有一个主腔室，配备透明的蓝宝石窗口，以及四个用于流体/气体进出口、光源和线路连接的端口（图1）。使用工程设计软件完成最终设计（补充图S1）。
- 为验证压力反应池在工作高压下的安全性，使用仿真软件进行有限元分析。
- 将工程设计软件中的全尺寸压力反应池模型导入仿真软件。
- 为蓝宝石窗口指定杨氏模量为400 GPa，泊松比为0.29。
- 对于所有不锈钢部件，指定材料为316不锈钢，杨氏模量为190 GPa，泊松比为0.27。
- 逐步对反应池内部施加0至1、2、3、4、5、6、7、8、9和10 MPa的空气压力（补充视频S1和补充视频S2）。通过忽略控制方程中的时间相关项，将每一步加载视为静态问题，并仅考虑加压过程中的弹性形变。
- 使用仿真软件中的直接线性方程求解器，计算在不同压力条件下反应池的应力分布和形变情况（补充表S1和补充表S2）。
- 在确认压力反应池设计安全后，依据工程设计软件的图纸对所有部件进行机械加工。
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结果
通过该方法，可通过压力池的蓝宝石窗口以及温度和压力传感器，直观监测液滴表面的气体水合物壳层。在加压至 5 MPa 后，可通过向压力池顶部加入干冰以产生热冲击，从而引发水合物快速结晶。加入干冰强制形成水合物壳层后，形态上存在明显差异。水滴表面从光滑、有光泽的状态（图 3A）转变为不透明、表面略呈树枝状的水合物壳层（图 3B）。添加 100 µg mL-1 的 I 型抗冻蛋白（AFP）会改变水合物的形态，导致液滴边缘出现脊状结构，并在液滴顶部形成突起（图 3C，D）。
水合物壳形成约1小时后，将样品池减压至2 MPa（补充视频 S3）。在减压过程中，由于水合物解离释放热量，在压力-温度（P/T）稳定曲线附近出现了0.2 °C至0.5 °C的温度下降13（
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讨论
我们开发了一种在静止水滴上安全形成甲烷水合物壳层的方法，并分享该方法所用的压力容器的加工与组装工艺，该压力容器的工作压力可达10 MPa，同时介绍加压与冷却系统。该压力容器配备有用于放置液滴的载台，载台内嵌热电偶，另设有蓝宝石观察窗以观察液滴形貌，并在容器顶部固定有压力传感器。冷却系统通过铜管盘管在盛有50%乙醇溶液的储罐中循环低温乙二醇，压力容器即置于该储罐内。通过压力泵将气瓶中的气体加压输送至压力容器中。当向压力容器顶部加入干冰导致温度迅速降低时，水合物壳层随即形成。我们让壳层生长时间持续2小时，在此期间我们认为气体通过水合物壳层的随机开裂渗透，并在较长时间内发生奥斯特瓦尔德熟化。事实上，该装置可用于研究这些现象。
本方案的关键步骤包括：1）在用气体加压前，先用水对压力腔进行检漏测试；2）在插入蓝宝石窗口前，练习将水滴添加到载样台上；3）在加压前将水滴冷却至约 2 °C 并保持稳定；4）以不超过 10 mL min-1 的流速，按每步 1 MPa 逐级加压至 5 MPa；5）关闭压力泵通往压力腔的出口阀，以限制压力泵与腔体之间的气体交换；6）在加入干冰前，.......
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披露
不存在竞争性财务利益。
致谢
本研究由美国国家航空航天局（NASA）外空生物学基金80NSSC19K0477资助。我们感谢William Waite和Nicolas Espinoza的有益讨论。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 相机与笔记本电脑 | |||
| 相机机身 | Nikon | D7200 | 方案中名称：camera |
| Camera Control Pro 2 软件 | Nikon | 方案中名称：camera software | |
| 笔记本电脑 | HP Pavilion | hp-pavilion-laptop-14-ce0068st | 需为具有充足存储空间（约 1 Tb）的 PC 方案中名称：laptop |
| 微距摄影镜头 | Nikon | AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Lens | 方案中名称：lens |
| 耗材 | |||
| 去离子水 | 方案中名称：DI water | ||
| 干冰 | VWR 或杂货店 | 需在成核前购买 方案中名称：dry ice | |
| 乙醇 | 方案中名称：ethanol | ||
| 乙二醇 | 方案中名称：ethylene glycol | ||
| 冷却系统 | |||
| 外径 1/2 英寸 × 内径 3/8 英寸 × 25 英尺 聚乙烯管 | Everbilt | 型号 # 301844 | 用于将冷却剂从制冷机循环至水族箱中的铜管 方案中名称：3/8”（内径）塑料管 |
| 循环式制冷机 | Polyscience | 方案中名称：chiller | |
| 经济型柔性聚乙烯泡沫管绝缘材料 | McMaster-Carr | 4530K162 | 壁厚 3/4 英寸；内径 1/2 英寸；R 值 3；长 6 英尺 方案中名称：foam pipe insulation |
| 塑料管 | 使用任何可适配实验室气路连接且长度足以从气路连接延伸至水族箱前端的管路 | ||
| 数据记录仪 | |||
| 34970A/ 34972A 用 20 通道多路复用模块 | Keysight Technologies | 34901A | 方案中名称：datalogger multichannel |
| Benchvue 或 Benchlink 软件 | Benchvue 或 Benchlink | 方案中名称：temperature transducer software | |
| 数据采集/开关单元，GPIB，RS232 | Keysight Technologies | 34970A | 方案中名称：datalogger |
| USB/GPIB 接口 | Keysight Technologies | 82357B | 方案中名称：datalogger USB |
| datalogger multichannel | |||
| Schott Fostec -Llc 20510 Ace 光纤光源 | Schott Fostec | A20500 | 3115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W 方案中名称：light source unit |
| Schott Fostec 光源导管 — 单束 | Schott Fostec | A08031.40 | 方案中名称：fiber optic light source cable |
| 甲烷气源与调压器 | |||
| 外径 1/4 英寸 × 20 英尺 铜制软质制冷盘管 | Everbilt | 型号 # D 04020PS | 用于对 ISCO 压力泵加压。冷却剂循环需额外一包，如下所列。 方案中名称：high pressure-rated 1/4” copper pipe |
| 甲烷气瓶调压器 | Airgas | Y11N114G350-AG | 方案中名称：methane cylinder regulator |
| 甲烷气瓶 | Airgas | ME UHP300 | 方案中名称：methane gas cylinder |
| 压力泵 | |||
| 1/4 英寸 柔性管，约 3 英尺 | 连接至泵入口用于检漏 方案中名称：1/4" flexible tubing | ||
| 260D 注射泵带控制器 | Teledyne Instruments Inc. | 67-1240-520 | 方案中名称：pressure pump |
| 控制器 − 以太网/USB | Teledyne Instruments Inc. | 62-1240-114 | 若需在计算机上安装 Labview 并远程控制压力泵，则需购买。我们未采用此方式。 |
| 光滑无缝 316 不锈钢管，外径 1/4 英寸，壁厚 0.035 英寸，长 1 英尺（×5） | McMaster-Carr | 89785K824 | 方案中名称：1/4" pipe |
| 光滑无缝 316 不锈钢管，外径 1/8 英寸，壁厚 0.02 英寸，长 1 英尺（×4） | McMaster-Carr | 89785K811 | 方案中名称：1/8" pipe |
| 不锈钢 Swagelok 管接头，减径接头，1/4 英寸 × 1/8 英寸 管外径（×4） | Swagelok | SS-400-6-2 | 方案中名称：1/8” to 1/4” adapter |
| 压力室 | |||
| 316 不锈钢螺母与卡套组（1 螺母/1 前卡套/1 后卡套），用于 1/4 英寸管接头（20 套） | Swagelok | SS-400-NFSET | 必要时用于接头连接 方案中名称：ferrule set |
| 316L 不锈钢波纹（FM）软管，1/4 英寸，316L 不锈钢编织层，1/4 英寸管接头，长 60 英寸（1.5 米） | Swagelok | SS-FM4TA4TA4-60 | 连接压力泵与压力室 方案中名称：1/4" braided stainless steel flexible pressure-rated hose |
| ABAQUS | ABAQUS FEA | 方案中名称：simulation software | |
| 耐磨缓冲垫圈，适用于 7/8 英寸螺钉，内径 0.875 英寸，外径 2.25 英寸，每包 10 个（×1） | McMaster-Carr | 90131A107 | 方案中名称：2.25" rubber washer |
| 耐磨密封垫圈，芳纶织物/丁腈橡胶，3/8 英寸螺钉，外径 0.625 英寸，每包 10 个（×1） | McMaster-Carr | 93303A105 | 用于照明口 |
| 亚克力板 | 白色 2447 / WRT31 挤出纸面保护（半透明 55%（0.118 × 12 × 12） | Interstate Plastics | ACRW7EPSH | 加工成圆形亚克力片，适配压力室内部腔体，作为成像背景 方案中名称：acrylic disc |
| AutoCAD | AutoCAD | 方案中名称：engineering design software | |
| Conax 接头 | Conax Technologies | 311401-011 | TG(PTM2/)-24-A6-T，可选 1/4 英寸 NPT 方案中名称：pressure seal connector |
| 高精度油填充压力 传感器/变送器，适用于通用 工业应用（×2） | Omega Engineering, Inc. | PX409-3.5KGUSBH | 购买两个以备备用。 方案中名称：pressure transducer |
| 高压腔 零件 | Wither Tool, Die and Manufacturing Company | 根据 CAD 图纸（图 S1）加工压力室零件 方案中名称：Part B = stainless steel washer | |
| 高强度 316 不锈钢内六角圆柱头螺钉，M5 × 0.80 mm 螺纹，长 14 mm（×20） | McMaster-Carr | 90037A119 | 用于照明口 |
| 高强度 316 不锈钢内六角圆柱头螺钉，M8 × 1.25 mm 螺纹，长 25 mm（×20） | McMaster-Carr | 90037A133 | 方案中名称：M8 stainless steel screws |
| 耐油硬质丁腈橡胶 O 型圈，3/32 英寸宽度，120 号（×1 包，50 个） | McMaster-Carr | 5308T178 | 方案中名称：1" o-ring |
| 耐油硬质丁腈橡胶 O 型圈，3/32 英寸宽度，128 号（×1 包，50 个） | McMaster-Carr | 5308T186 | 方案中名称：1.5" o-ring |
| Omega 公司压力传感器软件 | Omega Engineering, Inc. | 方案中名称：pressure transducer software | |
| 聚碳酸酯圆盘 | McMaster-Carr | 8571K31 | 列于 CAD 图纸照明口部分，图 S1 Part E |
| 蓝宝石窗口（×3） | Guild Optical Associates, Inc. | 光学级蓝宝石窗口，C 面 直径：1.811” ±.005” 厚度：.590” ±.005” 表面质量：60/40 边缘经磨边和安全倒角处理 | 购买三个以备两个备用。 方案中名称：sapphire window |
| 实心 K 型热电偶线，FEP 绝缘与护套，24 号，50 英尺长（×1） | McMaster-Carr | 3870K32 | 方案中名称：thermocouples |
| 不锈钢一体式帽针阀，0.37 Cv，1/4 英寸 Swagelok 管接头，调节阀杆（×4） | Swagelok | SS-1RS4 | 其中两个也将用于压力泵。 方案中名称：1/4" needle valves |
| 不锈钢管接头，六角外螺纹接头，1/4 英寸外螺纹 NPT（×2） | Swagelok | SS-4-HN | 用于照明口 |
| 不锈钢 Swagelok 管接头，三通分支接头，1/4 英寸管外径 × 1/4 英寸管外径 × 1/4 英寸内螺纹 NPT（×2） | Swagelok | SS-400-3-4TTF | 与压力传感器配合使用 方案中名称：branch tee fitting |
| 不锈钢 Swagelok 管接头，外螺纹接头，1/4 英寸管外径 × 1/4 英寸外螺纹 NPT（×4） | Swagelok | SS-400-1-4 | 用于顶部端口和通向针阀的侧端口 方案中名称：NPT screws |
| 不锈钢 Swagelok 管接头，端口连接器，1/4 英寸管外径（×8） | Swagelok | SS-401-PC | 用作 NTP 与阀门连接之间的管路连接 方案中名称：port connector fitting |
| 水箱 | |||
| 外径 1/4 英寸 × 20 英尺 铜制软质制冷盘管 | Everbilt | 型号 # D 04020PS | 用于冷却剂循环 方案中名称：1/4" copper pipe |
| 10 加仑水族箱 | Tetra | 方案中名称：10 gallon tank | |
| 2 盎司 Waterweld | J-B Weld | 型号 # 8277 | 方案中名称：underwater sealant |
| 3 英寸 × 25 英尺 铝箔衬玻璃纤维管包裹绝缘材料 | Frost King | 型号 # SP42X/16 | 用于包裹水族箱 方案中名称：foil-lined fiberglass |
| 3/8 英寸 × 7/8 英寸 不锈钢软管夹（10 个装） | Everbilt | 型号 # 670655E | 方案中名称：worm drive hose clamps |
| 聚苯乙烯泡沫 | 方案中名称：insulating material | ||
| 工具 | |||
| 1-1/8 英寸棘轮式管割刀 | Husky | 型号 # 86-036-0111 | |
| 1/2 英寸至 1 英寸管割刀 | Apollo | 型号 # 69PTKC001 | |
| 可调扳手（×2） | Steel Core | 型号 # 31899 | 需要两个钳口至少 1 英寸的扳手 |
| 内六角扳手套装 | Home Depot | ||
| 胶带 | 方案中名称：duct tape | ||
| 柔性管（如输液管），适配 Grainger 探针末端（套管） | 方案中名称：IV tube | ||
| Grainger 18 号探针 | Grainger | 用于插入液滴 方案中名称：cannula | |
| 高真空润滑脂 | Dow corning | 在插入蓝宝石窗口前涂抹于 O 型圈上 方案中名称：vacuum grease | |
| Klein Tools 专业 90 度 4 合 1 管弯机 | Klein Tools | 型号 # 89030 | 方案中名称：tube bender |
| Snoop 液体检漏剂 | Swagelok | MS-SNOOP-8OZ | 甲烷加压时用于检测泄漏 方案中名称：liquid leak detector |
| 吸盘 | Home Depot | 用于取出紧配合的蓝宝石窗口 方案中名称：suction cup | |
| 聚四氟乙烯胶带 | 方案中名称：plumber's tape | ||
| Temflex 3/4 英寸 × 60 英尺 1700 黑色电工胶带 | 3M | 型号 # 1700-1PK-BB40 | 方案中名称：electrical tape |
参考文献
- 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.
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