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方法論記事

セシル水滴のメタンハイドレート結晶化

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DOI:

10.3791/62686

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2021年5月26日

 ,  ,  ,  , 
1Earth and Atmospheric Sciences, Georgia Institute of Technology, 2Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology

この記事について

サマリー

我々は、水和物結晶形態に及ぼす様々な阻害剤、プロモーター、基質の影響を研究するために、瀬状水滴にガスハイドレートを形成する方法を説明する。

要約

本論文では、水滴にメタンハイドレートシェルを形成する方法について述べている。さらに、10 MPa作動圧力に定格圧力セルの設計図を提供し、セシル液滴のステージ、視覚化用のサファイアウィンドウ、温度および圧力トランスデューサを含みます。メタンガスボンベに接続された圧力ポンプを使用して、セルを5 MPaに加圧します。冷却システムは、銅コイルを介してエチレングリコールを介して冷却された50%のエタノール溶液を含む10ガロン(37.85 L)タンクです。この設定により、冷却および減圧中の水和物形成と解離に関連する温度変化を観察し、液滴の形態変化の可視化と写真撮影を行うことができます。この方法により、水和殻の形成が~6°C~-9°Cで迅速に観察された。 減圧中、熱水和物解離による圧力/温度(P/T)安定性曲線で0.2°C~0.5°Cの温度低下が観察され、温度降下開始時の融解の目視観察により確認された。2MPaから5MPaに再加圧した後、「メモリ効果」が観察された。この実験設計により、液滴の圧力、温度、および形態を時間の経過とともに監視できるため、水和物形態に関する様々な添加剤や基質の試験に適した方法となっています。

概要

ガスハイドレートは、ファンデルワールス相互作用を介してゲストガス分子をトラップする水素結合水分子のケージです。メタンハイドレートは、高気圧および低温条件下で形成され、大陸のマージンに沿った地下堆積物、北極永久凍土下、および太陽系1の他の惑星体に自然界で発生する。ガスハイドレートは、気候とエネルギーに重要な意味を持つ炭素の数千ギガトンを格納します2.ガスハイドレートは、水和物に有利な条件がガスパイプラインで発生し、致命的な爆発や石油流出につながるパイプを詰まらせることができるため、天然ガス業界でも危険である可能性があります。

その場でのガスハイドレートの研究が難しいため、水和物の特性と阻害剤や基質の影響を特徴付けるために、実験室での実験がしばしば採用されている。これらの実験は、様々な形状および大きさの細胞内で上昇圧力でガスハイドレートを成長させることによって行われる。ガスパイプラインにおけるガスハイドレートの形成を防ぐ努力は、不凍タンパク質(AMP)、界面活性剤、アミノ酸、およびポリビニルピロリドン(PVP)5,6を含むいくつかの化学的および生物学的ガスハイドレート阻害剤の発見に至った。これらの化合物がガスハイドレート特性に及ぼす影響を判断するために、これらの実験は、オートクレーブ、結晶化剤、攪拌反応器、および0.2〜106立方センチメートル4の体積を支える揺動細胞を含む多様な容器設計を採用している。

ここで、以前の研究で使用されるセシル液滴法7、8、9、10、11、12は、圧力セル内の水のセスシル液滴上にガスハイドレートフィルムを形成することを含む。これらの容器は10-20 MPaまでの圧力に対応するためにステンレス鋼およびサファイアから成っている。セルはメタンガスボンベに接続されています。これらの2つの研究は、PVP7、11などの市販の運動水和阻害剤(KHI)と比較して、ガスハイドレート阻害剤としてAFPを試験するために液滴法を用いた。Bruusgardら.7阻害剤の形態学的影響に焦点を当て、I型AMPを含む液滴は、高い駆動力で阻害剤を持たない樹状液滴表面よりも滑らかでガラス状の表面を有することを発見した。

Udegbunamら11は、以前の研究でKHIを評価するために開発された方法を使用して、形態/成長機構、水和液-液体蒸気平衡温度/圧力、および速度論を温度の関数として分析することを可能にする。Jungらは、CH4水和物シェル8を形成した後に細胞をCO2であふれさせることにより、CH4-CO2置換を研究した。陳らは、水和物殻が9を形成するとしてオストワルド熟成を観察した。エスピノーザら他は、様々な鉱物基質上のCO2水和物殻を研究した。液滴法は、ガスハイドレートに対する様々な化合物や基質の形態学的効果を決定するための比較的簡単で安価な方法であり、少量の体積に起因する少量の添加剤を必要とします。本論文では、サファイアウィンドウを備えたステンレスセルを用いて水滴にこのような水和物殻を形成する方法を説明し、最大10MPaの作動圧力を評価する。

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プロトコル

1. 圧力セルを設計、検証、機械加工します。

  1. 水滴からの水和物の形成を直接可視化できるように細胞を設計します。セルにシースルーサファイアウィンドウと、流体/ガスインレット、コンセント、ライト、およびワイヤ用の4つのポートを備えたメインチャンバーがあることを確認します(図1)。エンジニアリング設計ソフトウェア (補足図 S1)で最終的な設計を作成します。
  2. 高圧で作動する圧力セルが安全であることを確認するには、シミュレーションソフトウェアを使用して有限要素解析を行います。
    1. エンジニアリング設計ソフトウェアのフルサイズの圧力セルモデルをシミュレーションソフトウェアに入力します。
    2. ヤング率400 GPa、ポアソン比0.29をサファイアウィンドウに割り当てます。
    3. すべてのステンレス鋼部品に対して、ヤング率190 GPaとポアソン比0.27のステンレス鋼316を割り当てます。
    4. ステップバイステップの方法で、0を1、2、3、4 5、6、7、8、9、および10 MPa空気圧をセルの内側に適用する(補足ビデオS1 および 補足ビデオS2)。各荷重ステップを静的問題として扱うため、関係式の時間依存項を無視し、加圧時の弾性変形のみを考慮します。
    5. シミュレーションソフトウェアの直線形方程式ソルバを使用して、さまざまな圧力条件下での応力分布と変形を計算します(補足表S1および補足表S2)。
  3. 圧力セル設計が安全であることを確認したら、エンジニアリング設計ソフトウェアの設計図に基づいてすべての部品を加工します。

2. 圧力セルを組み立てます (図 1)。

  1. 4 つのナショナル パイプ テーパード (NPT) スレッドを配管工のテープで圧力セルの各ポートにねじ込みます。
  2. ブループリント設計(補足図S1、部品C、D、E)を使用して照明ポートを組み立て、左上のNPTネジに接続します。
  3. 分岐ティーフィッティングとポートコネクタフィッティングを使用して、圧力トランスデューサを上部ポートNPTに接続します。
  4. ポートコネクタのフィッティングを使用して、左側のNPTネジの入口ニードルバルブを接続します。
  5. 圧力シールコネクタを圧力セルの右側のポートに取り付けます。3つのK型熱電対線を、セル内の3インチの緩み、セルの外側に3'の緩みを備えた圧力シールコネクタを通して挿入します。
  6. サンドペーパーでステージ表面を磨きます(補足図S1、パートF)。
  7. 熱電対をステージの各穴に挿入して、先端がステージの上部と同じになるようにします。各穴に接着剤の小さな滴を使用して、熱電対を所定の位置に固定し、乾燥させます。
  8. 圧力セルの背面壁にアクリルディスクをフィットさせ、光反射を高めます。圧力セルにステージを合わせます。
  9. サファイアウィンドウをインストールします。
    1. 2つの静的シーリングOリング(1つの1"と1-1/5")に真空グリースを塗布します。Oリングを圧力セルの窓穴の周りの溝に収めます。
    2. サファイアウィンドウを挿入します。8本のM8ステンレス製ネジを使用して、2-1/4インチのゴム製ワッシャーとネジ(補足図S1、パートB)でサファイアウィンドウを覆います(図2C)。

3. 装置を大きなヒュームフードに組み立てます(図2)。

注:メタンは圧力下で可燃性ガスであるため、すべてのメタン関連のチューブと容器を熱、火花、開炎、熱い表面から遠ざけてください。換気の良いエリア(例えば、ヒュームフード)内のすべての機器を設定します。メタンガスを使用する前に、安全メガネとラボコートを着用してください。

  1. すべての機器が収まるほどの大きさのフームフードに圧力ポンプを慎重に持ち上げます(図2A)。ポンプの基盤の上にポンプコントローラーを置きます。ポンプコントローラをポンプに接続し、電源ストリップに接続します。
  2. 高圧定格の1/4インチ銅管を、メタンガスボンベのレギュレータから圧力ポンプの入口の隣のヒュームフードまで走らせます(図2A、B)。
  3. データロガーを圧力ポンプの隣に置き、ラップトップをデータロガーにセットします(図2A)。両方を電源ストリップに差し込みます。データロガーUSBを介してノートパソコンにデータロガーを接続します。
  4. ラップトップ上で、データロガー、カメラ、圧力トランスデューサを圧力セルに制御するための適切なソフトウェアをインストールします。
  5. データロガーの横に水槽をセットし、水槽の底に非浸出パディングを置いて、振動を圧力セルに制限します(図2C)。
  6. 新しい1/4インチ銅管を使用して、銅管を2回楕円形に巻き、水槽に収まるようにし、圧力セルが内部に座る余地を残します(図2D)。コイルが圧力セルのサファイアウィンドウをブロックしていないことを確認します。サファイアウィンドウを表示するには、水槽内の圧力セルを高くします。
  7. 循環チラーをフームフードの近くの床に置きます(図2A)。50/50 vエチレングリコール/水でチラーを充填します。
    注意:エチレングリコールは危険であるため、手袋、ラボコート、ゴーグルを含む適切な安全服装を使用してください。
  8. 3/8インチ(内径)のプラスチックチューブを2つの長さにカットして、チラーの入口と出口を水槽内の銅管端に接続します。切削前に泡パイプの絶縁材が収まるのに十分な緩みがあることを確認してください。
  9. プラスチックチューブを泡パイプ断熱材にスライドさせます。
  10. 循環チラーの入口と出口から、水槽内の銅コイルの端に絶縁されたプラスチックチューブを接続します。金属部品の周りに配管工のテープを巻き付け、ワームドライブホースクランプで接続を締めることによってシールを固定します。チラーをオンにし、高速で循環するように設定します。漏れがないことを確認します。
  11. 水槽内の銅コイル/プラスチックチューブ接続の周りに水中シーラントを適用します。シーラントを治します。密封剤をダクトテープで包みます。
  12. 圧力ポンプチューブを取り付ける(図2E)。
    注:工具を使用する前に常に接続を手締めし、配管工のテープでNPT接続を取り外すことはありません。
    1. 配管工のテープを使用してポンプに付属の会社の付属品と圧力ポンプの両側に1/8 "ステンレス鋼管を取り付けます(図2F)。
    2. チューブベンダーを使用して、1/8インチパイプを90°の角度で前方に曲げ、ポンプから約2インチ離れて、接続で曲がらないようにします。
    3. チューブベンダーを使用して、1/8インチパイプを最初の曲げから約2インチ離れた90°の角度で下向きに曲げてください。
    4. 1/8" を両側の 1/8" パイプに取り付ける 1/4" アダプターを取り付けます(図 2G)。
    5. 両サイドのアダプター・フィッティングに1/4"パイプを取り付けます。
      注: バルブをポンプの側面に貼り付けるには、1/4 インチのチューブをトリムして、付属のバルブが 2 つのねじ穴の隣に置くようにします。
    6. 1/4インチのニードルバルブを取り付けます(図2H)。圧力ポンプに弁を固定する場合は、ネジ用の2つの1/16"穴と1つの1/2"穴を備えたスチールまたはプラスチックプレートを機械で留め、針バルブ接続間を固定します。バルブ接続の間にプレートを挿入し、ポンプの側面にプレートをねじ込みます。
      注: ニードルバルブの矢印が、高圧(圧力ポンプ内)から低圧(圧力ポンプの外側)を指していることを確認します。
    7. 1/4"編組ステンレス鋼柔軟な圧力評価ホースの一方の端を圧力ポンプの出口弁に、もう一方の端を圧力セルのサイドバルブに接続します。
    8. データロガーマルチチャンネルを使用して、圧力セルからデータロガーチャンネルに熱電対を接続します。追加の熱電対ワイヤを接続してタンク溶液の温度を測定し、もう一方の端をタンクに入れます。
    9. 圧力セルの圧力トランスデューサをラップトップに接続します。
    10. より鮮明な画像撮影のために、水槽の内側の圧力セルを前面に近づけるように設定します。
  13. 水族館を絶縁するには、水槽の外側をホイル裏打ちされたガラス繊維で包み、カメラが圧力セルのサファイアウィンドウを見るための穴/スリットで覆います。実験中の蒸発を防ぐために、水族館の上部に絶縁材料を覆います。
    注:光源からの熱の蓄積を避けるために、水槽の上をしっかりと密封しないでください。
  14. 水族館の前面に湿った空気の凝縮を防ぐために、カメラが向いている水槽の前面に最も近い空気バルブからプラスチックチューブを実行して、チューブが写真に見えないようにします。
  15. 水槽の横に光源ユニットをセットし、電源ストリップに差し込みます。
  16. 水槽の前にカメラをセットし、水晶体がサファイアウィンドウを向いている。カメラをラップトップと電源ストリップに差し込みます。
  17. 潜在的な漏れ損傷を防ぐために、フード表面からすべての電子機器を高めます。コンセントの電力容量に電力が供給されていることを再確認します。

4. 圧力セルを水で漏れテストします。

注:すべての接続が正しく密封されたことを確認するには、特にNPTネジを取り外した後に、セルが再組み立てされるたびに、圧力セルを水でリークテストします。これは、サファイアウィンドウやトップバルブを取り外した後に必要ありません。水はガスよりも圧力の下で安全です。

  1. ラップトップで圧力トランスデューサソフトウェアを開き、1秒のスキャン間隔でデータ収集を開始します。
  2. 圧力ポンプとコントローラーをオンにします。圧力 ポンプコントローラのポンプA を押して圧力を監視します。
  3. ポンプに圧力がある場合は、ポンプ入口バルブと出口弁の両方が閉じている間に、圧力ポンプコントローラの リフィル を押して圧力を下げます。
  4. 両方の圧力セルバルブを開いた状態で、ポンプ出口バルブを~1/16インチ開けて、残りの圧力をゆっくりと解放します。
  5. 接続されている場合は、圧力ポンプの入口弁から1/4"銅管を外します。
  6. ナットとフェルールセットを使用してポンプインレットバルブに1/4"フレキシブルチューブを取り付けます。チューブの端を1ガロンの水に入れます。
  7. ポンプの出口弁を閉じ、ポンプの入口弁を開きます。
  8. 圧力ポンプコントローラの リフィル を押して、ポンプピストンに水を充填します。
  9. 水槽の外側の浅い空の容器に圧力セルを設定します。
  10. 上部のポートから水が出て圧力セルを完全に満たすまで、圧力セルから空気をパージします。
    1. ポンプの入口弁を閉じ、ポンプの出口弁を開きます。
    2. 圧力セルのバルブが開いたままであることを確認します。
    3. 最大(最大)流れを100 mL/minに設定:圧力ポンプコントローラで、リミットを押します。最大流量の場合は 3を押します。1を押して最大流量を設定します。100でパンチ;Enterキーを押します。
    4. Dキーを押して前のページに移動します。
    5. 圧力ポンプコントローラで、一定の流量を100 mL/minに設定し 、Constフローを押します。流速の 場合は A を押します。 100でパンチ; Enterキーを押します。を押 します。
    6. もし水が出ないか、ピストンの容積が不足している場合は、ポンプ出口弁を閉じてピストンを再び補充し、ポンプ入口弁を水中にチューブで開け、 再充填を押す。次に、ポンプ入口バルブを閉じて空気をパージし、ポンプ出口バルブを開き、流量を 100に設定し 、Runを押します。
    7. 圧力セルの上部ポートから水が出たら、漏れを確認し、漏れた接続を締めます。 [停止]を押します。圧力セル出口(上)バルブを閉じます。
  11. 圧力セルを加圧します。
    メモ:圧力セルを加圧する前に安全メガネを着用してください。
    1. 最大流量制限を 10 mL/min に設定して、セルの高速加圧を防ぎます: 圧力ポンプコントローラで 、リミットを押します。最大流量の 場合は 3 を押します。 1 を押して最大流量を設定します。 10でパンチ; Enterキーを押します。
    2. 100 kPaにセルを加圧:圧力ポンプコントローラ上で 、Constプレスを押します。 Aを押す。 100でパンチ; Enterキーを押します。を押 します。
    3. 漏れがないか確認します。漏れがある場合は、ポンプコントローラの 停止 を押し、漏れたコンポーネントを締め付け 、Runを押して、100 kPaで漏れがなくなるまで繰り返します。ポンプ出口バルブを閉じ、圧力トランスデューサソフトウェアの圧力セルの圧力を監視することで、漏れが発生しないようにします。
      注:圧力が一貫して低下し、室温変動による通常の変動ではない場合は、漏れがあります。
    4. 圧力を100kPaから500kPaに500kPaに、次に100kPaから1,000 kPaに100kPa単位で増加させ、最後に1,000kPaから〜10,000 kPaに~10,000 kPaに~10,000 kPaの増分で1,000 kPaの増分で。これは、 以前のようにConst Press の設定を変更することによって行います。圧力設定の間に、ポンプ出口弁を閉じ、圧力が一定であることを確認するために前のように細胞の圧力を監視する。圧力が下がった場合は、漏れた部品を慎重に締め付けます。
  12. 10,000 kPa に達したら、ポンプ出口弁を閉じ、圧力トランスデューサに従って圧力セルがどの程度圧力を保持しているかを観察します。圧力の一貫した低下は漏れを示すので、より低い圧力で接続を締め付け、〜1,000 kPa。
  13. 減圧するには、ポンプ出口バルブを開き、圧力を100kPaに設定します。圧力高原が一度、圧力セル出口弁をわずかに開ける。
  14. 圧力ポンプから水を取り除くために、ポンプの入口弁を閉じ、最大流量および Constフロー 設定を 100 mL/minに変更し、ポンプが空になるまで 実行 を押します。
  15. ポンプ入口から1/4"フレキシブルチューブを取り外します。三つ編みのステンレス鋼ホースを圧力セルから取り外します。両方のバルブを開き、水を排出します。サファイアウィンドウを取り外して、セルを完全に乾燥させます。

5. 液滴表面にメタンハイドレートシェルを形成します。

  1. 機器を準備します。
    1. 新しいナットとフェルールセットを使用して、メタンシリンダーレギュレータを1/4インチ銅管でポンプに接続します。ガスボンベが閉じられていることを確認します。
    2. 練習液滴挿入技術。
      1. IVチューブなどの柔軟な先端をカニューレの端に向けて角度で切り、サファイアウィンドウに向かって液滴を向けます。カニューレに1mLのシリンジを取り付け、必要な脱イオン水量(〜50~300μL)を引き込みます。ニードルバルブやサファイアウィンドウが取り付けられていない状態で、カニューレの端部を上部ポートに挿入し、ドロップレットを中央のステージに排出する練習を行います。液滴挿入を練習した後、液滴を取り除き、ステージを乾燥させます。
        注:このプロトコルでは、250 μL の脱イオン水をシリンジに取り込んだ。
    3. サファイアの窓と洗濯機をM8ネジで取り付け直します。三つ編みのステンレス製ホースを圧力ポンプから圧力セルに接続し、ガスボンベから圧力セルへのすべての接続がタイトであることを再確認します。圧力セル入口弁(サイドバルブ)を開き、水槽内に圧力セルをセットします。光ファイバ光源ケーブルを圧力セル照明ポートに挿入します。
    4. 50/50エタノール/水(v/v)を水槽に加え、圧力セルの上部に収まるまで、光源接続のすぐ下に配置します。フードフローがオンになっていることを確認します。次の週に、将来の試験の前に溶液レベルが落ちた場合, より多くのエタノールを追加.ソリューションを毎月交換します。
    5. 冷却機をセル内で〜4°C~~3°Cにして、コイルを通して循環を開始する温度に設定します。水槽表面の結露を防ぐために、水槽の前面に気流をオンにします。
    6. データロガーソフトウェアで温度ログを開始します。スキャン間隔を 30 秒に設定します。圧力セル内部の温度が2°C(〜6-24時間)で安定するまで待ちます。
  2. ラップトップのカメラビューを使用して、圧力セルに水滴を追加します。
    1. 光源を80%程度にします。カメラソフトウェアを開きます。ライブビューでは、カメラレンズをセルの内側のチャンバーに合わせます。最適なイメージングのために光源を調整します。
    2. 1 秒のスキャン間隔で新しい温度ログを開始します。
    3. 取り付けた場合は、圧力セルの上部ポートにある出口ニードルバルブを取り外します。カニューレに1mLのシリンジを取り付け、必要な脱イオン水量(〜50~300μL)を引き込みます。
      注:このプロトコルでは、250 μL の脱イオン水がシリンジに取り込まれました。
    4. 先端がライブビューモードでカメラソフトウェアに表示されるまで、上部のポートを通してカニューレを挿入します。中央熱電対上の注射器から流体液滴を排出します。針弁を取り付け直します。
  3. 圧力セル内の液滴にカメラを焦点を合わせます。〜60 sごとにタイムラプスイメージングを開始します。
  4. ラップトップで圧力トランスデューサソフトウェアを開き、1秒のスキャン間隔でチャートとデータログのデータ収集を開始します(温度スキャン間隔と同じ)。液滴温度が0〜3°Cの間で安定するまで待ちます。
  5. 圧力セルを所望の圧力に加圧します。
    メモ:セルを加圧する前に安全メガネを着用してください。
    1. ポンプとコントローラーの電源を入れます。圧力ポンプの入口弁を閉じます。
    2. ポンプの出口弁と圧力セルのバルブを開きます。
      メモ:圧力セルの入口弁は常に開いている必要があります。
    3. 圧力ポンプコントローラで ゼロ を押してポンプ圧力を引き起下げます。圧力 ポンプコントローラのポンプA を選択して、圧力を監視します。
    4. メタンガス以外の液体がポンプに存在する場合は、圧力ポンプが空であることを確認してください。これを行うには、最大フローと コンストフロー を 100 mL/min に設定し 、Runを押します。ポンプが空になるまで動かしたままにします。ポンプ出口バルブを閉じ、ポンプ入口バルブを開きます。
    5. ガスボンベを開き、ガスボンベレギュレータを1,000kPaに設定します。
    6. 圧力ポンプコントローラの リフィル を押します。ポンプが満杯で1,000 kPa近くになったら、ポンプ入口弁とガスボンベを閉じます。
    7. ポンプ出口弁をセルにわずかに開く(約1/16"回転)。圧力トランスデューサソフトウェアの圧力セル圧力を監視し、圧力セル内の温度が比較的低いため、圧力が低下する可能性があります。
    8. 最大流量を 10 mL/minに設定 : 圧力ポンプコントローラで 、リミットを押します。最大流量の 場合は 3 を押します。 1 を押して最大流量を設定します。 10でパンチ; Enterキーを押します。
    9. 最大圧力を 5,000 kPaに設定 : 圧力ポンプコントローラで、 リミットを押します。 1を押します。 5000でパンチ; Enterキーを押します。
    10. 一定圧力を 1,000 kPaに設定 : 圧力ポンプコントローラで 、Constプレスを押します。 Aを押す。 1000でパンチ; Enterキーを押します。を押 します。
    11. 1,000 kPa に達したら、ポンプコントローラの 停止 を押し、ポンプの出口弁を閉じます。圧力セルの圧力を監視して、漏れが発生しないようにします。圧力が下がった場合は、液体漏れ検知器を使用して接続時に漏れを検出し、漏れたコンポーネントを慎重に締め付けます。
    12. セルが安定している場合は、ポンプ出口を開き 、Const Press を 2,000 kPaに設定します。 [停止] を押して、モニタします。2,000 kPa で安定している場合は 、Const プレス を 3,000 kPaに設定します。 [停止] を押して、モニタします。3,000 kPa で安定している場合は 、Const プレス を 4,000 kPaに設定します。 [停止] を押して、モニタします。4,000 kPa で安定している場合は 、Const Press を 5,000 kPaに設定します。 [停止] を押して、モニタします。
    13. 圧力が安定している場合は、ポンプ出口を閉じます。
      メモ:ポンプのボリュームがながなくなる場合は、ポンプの出口を閉じてポンプの入口を少し開きます。ガスボンベをゆっくりと開き、ガスレギュレータを1,000kPaに設定します。ポンプコントローラの リフィル を押します。ポンプが補充されたら、ガスボンベとポンプの入口を閉じます。ポンプを加圧して圧力セルの圧力に合わせる。
    14. 気体が液滴に浸透するまで、〜12〜24時間待ちます。
  6. ドライアイスを使用して水和物シェルを核生成します。
    1. 2~5 sごとに画像を撮影するようにタイムラプスを切り替えます。
    2. 水分補給殻がタイムラプスで見えるまで、細胞の上部にドライアイスを加えます。ドライアイスがスライドする場合は、セルの上部にテープを貼り付けます。
  7. メタンハイドレートの進行を、〜2~6時間のタイムラプス写真で観察します。
  8. ポンプ出口を開き 、Constプレス を2,000kPaに設定することで、セルを2,000kPaに減圧します。融解が発生した場合に注意してください。
    注:溶解ガスの脱出のために、セシル液滴のバブリングが発生する場合があります。
  9. ~30分後、圧力セルを5,000kPaに再加圧して、メモリ効果を観察します。水和物シェルが改革を開始したときに注意してください。シェルを約 30 分間から 2 時間形成します。
  10. ポンプ出口を開き 、Constプレス を0 kPaに設定して、セルを減圧します。圧力セルに残留圧力がある場合は、圧力セル上部バルブを~1/16で少し開く。
  11. 圧力と温度データを.csvファイルとして保存します。
  12. 前のように上部の圧力セルバルブを取り外し、注射器/カニューレ/IVチューブで液滴を抽出することで液滴を取り除きます。試験間の汚染が懸念される場合は、サファイアウィンドウを取り外し、ステージを消毒し、真空グリースを交換してください。圧力セルが室温まで温まったら、サファイアウィンドウを取り除くために吸引カップを使用してください。

6. データを分析します。

  1. 温度と圧力.csvファイルを開きます。
  2. 新しいスプレッドシートを作成します。圧力.csvの時間と圧力列、温度.csvファイルの時間と温度を新しいスプレッドシートにコピーします。
  3. X軸に時間を設定し、温度と圧力を持つ2つのy軸を用いて散布図を作成します(補足図S2)。
  4. 水和物の安定性曲線に対して、さらに 2 つの列を作成します。最初の列に、0.1 K 間隔で 273.15 K から ~279.15 K までの温度を入力します。2 番目の列で、スローン &K13の式 (1) を使用して圧力を計算します。
    P [kPa] = exp(a+b/T [K]) a = 38.98およびb = -8533.80 (1)
  5. 水和物安定性境界の散布図を作成し、X 軸に温度(K)、Y 軸に圧力(kPa)を使用します。x軸とy軸に対する実験温度と圧力を持つ散布図に、第2系列を追加します(図4)。
  6. タイムラプスイメージングに従って、水和物シェルが見えるようになったグラフに注意してください。

7. 機器を維持します。

  1. 蒸発したエタノールを交換するためにすべての試験の前にエタノールでタンク溶液を上に置きます。タンクソリューションを毎月完全に交換してください。
  2. 通常使用の2ヶ月ごとにOリングとゴムワッシャーを交換してください。
  3. 固定されない持続的なリークが発生した場合は、ポート接続を交換してください。

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結果

この方法により、液滴上のガスハイドレートシェルは、圧力セルのサファイアウィンドウを通して、温度および圧力トランスデューサを介して視覚的に監視することができます。5MPaに加圧した後に水和物シェルを核化するために、ドライアイスを圧力セルの上部に加えて、急速な水和物結晶化を誘発する熱ショックを誘発することができる。ドライアイス強制水和物シェル形成では明らかな形態学的な違いがあります。水滴は、滑らかな反射面(図3A)からわずかに樹状表面を有する不透明な水和物シェルに移行した(図3B)。100 μg mL-1 Type I AFP の添加により、液滴の上部から突起状のエッジと突起部に沿って隆起したエッジを誘導することで、水和物形態が変化しました (図 3C,D)。

水和物殻が〜1時間発達した後、細胞を2MPa(補足

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ディスカッション

私たちは、安全にセシル水滴にメタンハイドレートシェルを形成し、この方法を共有して、10 MPaの作動圧力に定格された圧力セルと加圧冷却システムを機械化し、組み立てる方法を開発しました。圧力セルには、埋め込まれた熱電対を含む液滴のステージ、液滴を視覚化するためのサファイアウィンドウ、および細胞の上部に固定された圧力トランスデューサが装備されています。冷却システムは、50%エタノール溶液を含むタンク内の銅コイルを循環する冷却エチレングリコールを含み、圧力セルが配置されます。圧力ポンプは、気筒から圧力セルにガスを加圧します。水和物殻は、急激な温度低下時に形成され、ドライアイスを圧力セルの上部に加えます。我々は、シェルが2時間形成することを可能にし、その間、ガスは水和物殻の確率的な割れ目を通して浸透し、オストワルドはより長い期間にわたって熟成すると信じている。実際、この装置はこれらの現象を研究するために使用することができる。

このプロトコルの重要なステップには、1)ガスで加圧する前に水で圧力セルを漏れテストし、2)サファイアウィンドウを挿入する前に水滴をステージに追加する練習、3)加圧前に...

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開示事項

競合する財政的利益はありません。

謝辞

NASA exobiology助成金 80NSSC19K0477 はこの研究に資金を提供しました。ウィリアム・ウェイトとニコラス・エスピノーザの貴重な話し合いに感謝します。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
カメラとラップトップ
カメラ本体ニコンD7200プロトコルの名前: カメラ
カメラ制御プロ2ソフトウェアニコンプロトコルの名前: カメラソフトウェア
ラップトップHP Pavilionhp-pavilion-laptop-14-ce0068st十分なストレージを備えたPCである必要があります (~ 1 Tb)
プロトコルの名前: ラップトップ
マクロ写真レンズニコンAF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED レンズプロトコルの名前: lens
CONSUMABLES
Deionized 水プロトコルの名前: DI 水
ドライアイスVWR または食料品店核生成
プロトコルの名前: ドライアイス
エタノールプロトコルの名前:エタノール
チレングリコールプロトコルの名前:エチレングリコール
冷却システム
1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 25フィート ポリエチレンチューブエバービルトモデル# 301844水槽内のチラーから銅コイルへの循環冷却剤用
プロトコルの名前:3/8 "(内径)プラスチックチューブ
循環チラーポリサイエンスプロトコルの名前:チラー
経済的 フレキシブル ポリエチレン フォーム パイプ 断熱材マクマスター・カー4530K1623/4インチ厚壁; 1/2インチ内径;R値3;プロトコルの6 'long
名前:フォームパイプ断熱材
チューブは、ラボの航空会社の接続に適合し、航空会社の接続から水族館の前面に移動するのに十分な長さの任意のチューブを使用します
DATALOGGER< /strong>
アーマチュアマルチプレクサモジュール34970A /
34972A、 20チャンネル		Keysight Technologies34901Aプロトコルの名前: データロガー マルチチャンネル
Benchvue または Benchlink ソフトウェアBenchvue または Benchlinkプロトコルの名前: 温度トランスデューサソフトウェア
データ収集/スイッチユニット。GPIB、RS232Keysight Technologies34970Aプロトコルの名前:データロガー
USB/GPIBインターフェースKeysight Technologies82357Bプロトコルの名前:データロガー USB
データロガー マルチチャンネル
Schott Fostec -Llc 20510 Ace 光ファイバー光源Schott FostecA205003115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W
プロトコルの名前:光源単位
Schott Fostec 光源ガイド - 単一束Schott FostecA08031.40プロトコルの名前: 光ファイバー光源ケーブル
メタンガスおよびレギュレーター
1/4 OD in. x 20 ft. 銅製ソフト冷凍コイルEverbiltモデル # D 04020PSISCO圧力ポンプの加圧用。クーラントの循環には、以下にリストされている追加のパックが必要です.
プロトコルの名前:高圧定格1/4インチ銅パイプ
メタンシリンダーレギュレータエアガスY11N114G350-AGプロトコルの名前:メタンシリンダーレギュレータ
メタンガスポンプエアガスME UHP300プロトコルの名前:メタンガスボンベ
<ストロング> プレッシャーポンプ
1/4インチ フレキシブルチューブ、~3フィート。リークテスト用のポンプ入口に接続します
プロトコルの名前:1/4" フレキシブルチューブ
260DシリンジポンプW /コントローラーTeledyne Instruments Inc.67-1240-520プロトコルの名前:圧力ポンプ
コントローラーとマイナス。イーサネット/USBTeledyne Instruments Inc.62-1240-114Labviewコンピューターにインストールして圧力ポンプをリモートで制御する場合は、購入します。私たちはこれをしませんでした。
スムースボアシームレス316ステンレス鋼チューブ、1/4インチ外径、0.035インチ壁厚さ、1フィートロング(x5)McMaster-Carr89785K824プロトコルの名前:1/4インチパイプ
スムースボアシームレス316ステンレス鋼チューブ、1/8インチ外径、0.02インチ壁厚、1フィートロング(x4)McMaster-Carr89785K811プロトコルの名前:1/8インチパイプ
スウェージロック製ステンレス製チューブ・フィッティング、レデューシング・ユニオン、1/4インチx 1/8インチチューブ外径 (x4)スウェージロック プロトコルのSS-400-6-2名前:1/8 "から1/4"アダプター
PRESSURE CELL
316ステンレス鋼ナットとフェルールセット(1ナット/ 1フロントフェルール/ 1バックフェルール)1/4インチ用。チューブ継手 (20)Swagelok SS-400-NFSET必要に応じて接続のフィッティングに使用されます
プロトコルの名前:フェルールセット
316Lステンレス鋼コンボリュート(FM)ホース、1/4インチ、316Lステンレス鋼編組、1/4インチチューブアダプタ、60インチ(1.5メートル)長さSwagelokSS-FM4TA4TA4-60圧力ポンプを圧力セル
に接続 プロトコルの名前:1/4インチ 編組ステンレス鋼 フレキシブル圧力定格ホース
ABAQUSABAQUS FEAプロトコルの名前:シミュレーションソフトウェア
7/8インチネジサイズ、0.875インチID、2.25インチOD、10個入りパック用耐摩耗性クッションワッシャー (x1)McMaster-Carr90131A107プロトコルの名前:2.25 "ゴムワッシャー
シーリングワッシャー、アラミド生地/ Buna-Nゴム、3/8 "ネジサイズ、0.625 "OD、10(x1)のパックMcMaster-Carr93303A105ポートアクリルシートに使用
|ホワイト2447 / WRT31
押し出し紙マスク(半透明55%(0.118 x 12 x 12)		州間プラスチックACRW7EPSHイメージングの背景として機能する圧力セルの内部チャンバーに収まるようにアクリルの円を機械で加工
プロトコルの名前:アクリルディスク
AutoCADの名前:エンジニアリング設計ソフトウェア
ConaxConaxテクノロジー311401-011TG(PTM2/)-24-A6-T、オプション 1/4" NPT
プロトコルの名前: 圧力シール コネクタ
高精度オイル充填圧力
一般
産業用アプリケーション用トランスデューサ/トランスミッタ (x2)		Omega Engineering, Inc.PX409-3.5KGUSBHつ買うのでバックアップがあります.
プロトコルの名前: 圧力トランスデューサ
高圧チャンバー 部品枯れた用具、ダイおよび製造業CADのデッサン(図S1)にリストされている圧力細胞の部品の機械化 (図S1)
プロトコルの名前: パートB =ステンレス鋼の洗濯機
高力316ステンレス鋼のソケットの頭部ねじ、M5 x 0.80のmmの糸、14のmmの長い(x20)McMaster-Carr90037A119照明の港の
高力316ステンレス鋼のソケットの頭部ねじのために使用されて、 M8 x 1.25 mmの糸、25のmm長い(x20)McMaster-Carr90037A133プロトコルの名前:M8ステンレス鋼ねじ
耐油性ハードBuna-N Oリング、3/32分数幅、ダッシュ番号120、50(x1)のパックMcMaster-Carr5308T178プロトコルの名前:1インチOリング
油性ハードBuna-N Oリング、3/32フラクショナル幅、ダッシュ番号128、50個入りパック(x1)McMaster-Carr5308T186プロトコルの名前:1.5インチOリング
Omega Inc.圧力トランスデューサソフトウェアOmegaEngineering、Inc.プロトコルの名前:圧力トランスデューサソフトウェア
ポリカーボネートディスクMcMaster-Carr8571K31ポートのCAD図面に記載、図S1パートE
サファイアウィンドウ(x3)Guild Optical Associates、Inc.光学グレードサファイアウィンドウ、Cプレーン
直径:1.811インチ±。005インチ
の厚さ:.590 "±.005インチ
表面品質: 60/40
エッジ 地面と安全面取り		3 つを購入して 2 つのバックアップがあります。
プロトコルの名前: サファイア窓
固体熱電対ワイヤー FEP 断熱材とジャケット、タイプ K、24 ゲージ、50 フィート 長さ (x1)McMaster-Carr3870K32プロトコルの名前: 熱電対
ステンレス鋼一体型ボンネット ニードル バルブ、 0.37 Cv、1/4インチSwagelokチューブ継手、調整ステム(x4)Swagelok SS-1RS42つは、><プロトコルの名前:1/4 "ニードルバルブ
ステンレス鋼パイプ継手、六角ニップル、1/4インチ。NPTオス (x2)スウェージロック SS-4-HN照明ポートに使用
ステンレス製スウェージロック チューブ継手、メス ブランチ ティー、1/4 インチチューブ外径 x 1/4 インチチューブ外径 x 1/4 インチNPT女子(x2)スウェージロック SS-400-3-4TTF圧力トランスデューサ
プロトコルの名前で使用: 分岐ティー継手
ステンレス鋼 Swagelok チューブ継手、オスコネクタ、1/4 インチチューブ外径 x 1/4 インチNPTオス (x4)スウェージロック SS-400-1-4ニードルバルブにつながるトップポートとサイドポートに使用
プロトコルの名前: NPT ネジ
ステンレス鋼 Swagelok チューブ継手、ポートコネクタ、1/4 インチ。チューブ外径 (x8)スウェージロック SS-401-PCNTPとバルブ接続
プロトコルの名前:ポートコネクタ fitting
TANK
1/4 OD インチ x 20フィート 銅ソフト冷凍コイルEverbiltモデル# D 04020PS循環クーラント用
プロトコルの名前:1/4インチ 銅パイプ
10ガロン水槽プロトコルのテトラ名: 10ガロンタンク
2オンスWaterweldJB溶接モデル#8277の名前:水中シーラント
3インチ×25フィートホイル裏打ちグラスファイバーパイプラップ断熱材フロストキングモデル#SP42X / 16
周りに包むためプロトコルの名前:ホイルライニンググラス
ファイバー3/8 7/8インチ。ステンレス鋼ホースクランプ(10パック)Everbiltモデル#670655Eプロトコルの名前:ウォームドライブホースクランプ発
泡スチロールプロトコルの名前:絶縁材料
TOOLS
1-1 / 8で。ラチェット式チューブカッターハスキーモデル #86-036-0111
1/2 インチから 1 インチパイプカッターアポロモデル#69PTKC001
モンキーレンチ(x2)スチールコアモデル#31899付きレンチが2つ必要です少なくとも1インチ
アレンレンチセットホームデポ
ダクトテープの名前:ダクトテープ
ラインのような柔軟なチューブ、グレインジャープローブ(カニューレ)プロトコルの名前:IVの名前チューブ
Grainger 18ゲージ プローブGrainger液滴
を挿入するため プロトコルの名前:カニューレ
高真空グリースダウ コーニングサファイアを挿入する前にOリングに適用 window
プロトコルの名前:真空グリース
Kleinツール プロフェッショナル 90度 4-in-1 チューブベンダークラインツールモデル# 89030プロトコルの名前:チューブベンダー
スヌープ液体漏れ検知器SwagelokMS-SNOOP-8OZmethane
ときに加圧されたときに漏れを検出するため プロトコルの名前:液体漏れ検出器
吸盤ホームデポぴったりとフィットするサファイアの窓
プロトコルの名前:吸盤
テフロンテーププロトコルの名前:配管工のテープ
Temflex 3/4 インチ x 60 フィート 1700 電気テープ ブラック3Mプロトコルのモデル#1700-1PK-BB40名前:電気テープ
エプラスチックを耐摩耗性照明プロトコルフィッティング 2耐照明プロトコル水族館ジョープロトコルIV

参考文献

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

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