We beschrijven een methode om gashydraat te vormen op sessiesle waterdruppels om de effecten van verschillende remmers, promotors en substraten op de morfologie van het hydraatkristal te bestuderen.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Methaanhydraatkristallisatie op Sessile Waterdruppels
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Dit artikel beschrijft een methode om methaanhydraatschillen te vormen op waterdruppels. Daarnaast biedt het blauwdrukken voor een drukcel met een werkdruk van 10 MPa, met een podium voor zitdruppels, een saffiervenster voor visualisatie en temperatuur- en drukomvormers. Een drukpomp aangesloten op een methaangasfles wordt gebruikt om de cel onder druk te zetten tot 5 MPa. Het koelsysteem is een tank van 10 gallon (37,85 L) met een 50% ethanoloplossing gekoeld via ethyleenglycol door koperspiralen. Deze opstelling maakt de observatie mogelijk van de temperatuurverandering geassocieerd met hydraatvorming en dissociatie tijdens respectievelijk afkoeling en depressurisatie, evenals visualisatie en fotografie van de morfologische veranderingen van de druppel. Met deze methode werd snelle vorming van een hydraatschelp waargenomen bij ~-6 °C tot -9 °C. Tijdens de drukmeting werd een temperatuurdaling van 0,2 °C tot 0,5 °C waargenomen bij de druk/temperatuur (P/T) stabiliteitscurve als gevolg van exotherme hydraatdissociatie, bevestigd door visuele waarneming van smelten aan het begin van de temperatuurdaling. Het "geheugeneffect" werd waargenomen na het onder druk zetten tot 5 MPa van 2 MPa. Dit experimentele ontwerp maakt het mogelijk om de druk, temperatuur en morfologie van de druppel in de loop van de tijd te bewaken, waardoor dit een geschikte methode is voor het testen van verschillende additieven en substraten op hydraatmorfologie.
Inleiding
Gashydraten zijn kooien van waterstofgebonden watermoleculen die gastgasmoleculen vangen via van der Waals-interacties. Methaanhydraten vormen zich onder hoge druk en lage temperatuuromstandigheden, die in de natuur voorkomen in het ondergrondse sediment langs continentale randen, onder Arctische permafrost en op andere planetaire lichamen in het zonnestelsel1. Gashydraten slaan enkele duizenden gigaton koolstof op, met belangrijke implicaties voor klimaat en energie2. Gashydraten kunnen ook gevaarlijk zijn in de aardgasindustrie omdat omstandigheden die gunstig zijn voor hydraten voorkomen in gaspijpleidingen, ....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Ontwerp, valideer en machine de drukcel.
- Ontwerp de cel om directe visualisatie van hydraatvorming uit een waterdruppel mogelijk te maken. Zorg ervoor dat de cel een hoofdkamer heeft met een doorzichtig saffiervenster en vier poorten voor vloeistof-/gasinlaat, uitlaat, licht en draden(figuur 1). Maak het definitieve ontwerp in engineering ontwerpsoftware(aanvullende figuur S1).
- Om te controleren of de drukcel veilig is onder hoge druk, voert u een eindige elementenanalyse uit met behulp van simulatiesoftware.
- Voer het full-size drukcelmodel van de technische ontwerpsoftware in de simulatieso....
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Met deze methode kan een gashydraatschaal op een druppel visueel worden bewaakt door een saffiervenster van de drukcel en via temperatuur- en drukomvormers. Om de hydraatschaal na druk tot 5 MPa te nucleeren, kan droogijs aan de bovenkant van de drukcel worden toegevoegd om een thermische schok te induceren om een snelle hydraatkristallisatie te veroorzaken. Er is een duidelijk morfologisch verschil bij droogijs-geforceerde hydraatvorming. De waterdruppel ging over van een glad, reflecterend oppervlak (
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
We hebben een methode ontwikkeld om veilig methaanhydraatschalen op sessiesle waterdruppels te vormen en delen deze methode om een drukcel met een werkdruk van 10 MPa te bewerken en te assembleren, evenals de druk- en koelsystemen. De drukcel is uitgerust met een trap voor de druppel met ingebedde thermokoppels, een saffiervenster voor het visualiseren van de druppel en een drukomvormer die aan de bovenkant van de cel is bevestigd. Het koelsysteem omvat gekoelde ethyleenglycol die door koperen spoelen circuleert in een t.......
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
Er zijn geen concurrerende financiële belangen.
Dankbetuigingen
NASA Exobiology grant 80NSSC19K0477 financierde dit onderzoek. Wij danken William Waite en Nicolas Espinoza voor de waardevolle gesprekken.
....Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| CAMERA EN LAPTOP | |||
| Camera Body | Nikon | D7200 | Naam in Protocol: camera |
| Camera Control Pro 2 Software | Nikon | Naam in Protocol: camera software | |
| Laptop | HP Pavilion | hp-pavilion-laptop-14-ce0068st | Moet een PC zijn met veel opslagruimte (~ 1 Tb) Naam in Protocol: laptop |
| Macrophotography Lens | Nikon | AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Lens | Naam in Protocol: lens |
| VERBRUIKSBARE ARTIKELEN | |||
| Deionized water | Naam in Protocol: DI water | ||
| Dry Ice | VWR of supermarkt | Koop net voordat het nucleeert Naam in Protocol: droogijs | |
| Ethanol | Naam in Protocol: ethanol | ||
| Ethylene Glycol | Naam in Protocol: ethyleenglycol | ||
| KOELSTEEL | |||
| 1/2 inch O.D. x 3/8 inch I.D. x 25 ft. Polyethyleen slang | Everbilt | Model # 301844 | Voor het circuleren van koelmiddel van koelmachine naar koperen spiraal in aquarium Naam in Protocol: 3/8” (innerlijke diameter) kunststof slang |
| Circulerende koelmachine | Polyscience | Naam in Protocol: koelmachine | |
| Economische flexibele polyethyleen schuim buizenisolatie | McMaster-Carr | 4530K162 | 3/4" dikke wand; 1/2" binnendiameter; R waarde 3; 6' lang Naam in Protocol: schuim buizenisolatie |
| Kunststof slang | gebruik eventuele slang die past op de luchtslangverbinding in het lab en lang genoeg is om van de luchtslangverbinding naar de voorkant van het aquarium te reizen | ||
| DATALOGGER | |||
| Armature Multiplexer Module voor 34970A/ 34972A, 20-kanaals | Keysight Technologies | 34901A | Naam in Protocol: datalogger multikanaal |
| Benchvue of Benchlink software | Benchvue of Benchlink | Naam in Protocol: temperatuur transducer software | |
| Data Acquisitie/Switch Unit. GPIB, RS232 | Keysight Technologies | 34970A | Naam in Protocol: datalogger |
| USB/GPIB interface | Keysight Technologies | 82357B | Naam in Protocol: datalogger USB |
| datalogger multikanaal | |||
| Schott Fostec -Llc 20510 Ace Fiber Optic Light Source | Schott Fostec | A20500 | 3115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W Naam in Protocol: lichtbron eenheid |
| Schott Fostec lichtbron gids - enkel pakket | Schott Fostec | A08031.40 | Naam in Protocol: glasvezel lichtbron kabel |
| METHANEGAS EN REGELAAPPARAAT | |||
| 1/4 OD inch x 20 ft. Koperen zachte koelspiraal | Everbilt | Model # D 04020PS | Voor het onder druk zetten van ISCO drukpomp. Een extra pakket is nodig voor koelmiddelcirculatie, zoals hieronder vermeld. Naam in Protocol: hoge druk gewaardeerde 1/4” koperbuis |
| Methane cylinder regulator | Airgas | Y11N114G350-AG | Naam in Protocol: methaancilinderregelaar |
| Methane gas cylinder | Airgas | ME UHP300 | Naam in Protocol: methaan gascilinder |
| DRUKPOMP | |||
| 1/4 inch flexibele slang, ~ 3 ft. | Aansluiten op pompinlaat voor lektest Naam in Protocol: 1/4" flexibele slang | ||
| 260D Spuitpomp W/Controller | Teledyne Instruments Inc. | 67-1240-520 | Naam in Protocol: drukpomp |
| Controller − Ethernet/USB | Teledyne Instruments Inc. | 62-1240-114 | Koop als u Labview op computer zou willen installeren en druk op afstand wilt regelen. We deden dit niet. |
| Glad-Bore Naadloze 316 Roestvrijstalen Buizen, 1/4" OD, 0.035" Wanddikte, 1 Voet Lang (x5) | McMaster-Carr | 89785K824 | Naam in Protocol: 1/4" buis |
| Glad-Bore Naadloze 316 Roestvrijstalen Buizen, 1/8" OD, 0.02" Wanddikte, 1 Voet Lang (x4) | McMaster-Carr | 89785K811 | Naam in Protocol: 1/8" buis |
| Roestvrijstalen Swagelok buisfitting, verminderende verbinding, 1/4 inch x 1/8 inch buis OD (x4) | Swagelok | SS-400-6-2 | Naam in Protocol: 1/8” naar 1/4” adapter |
| DRUKCEL | |||
| 316 Roestvrijstalen moer en ferrule set (1 moer/1 voorste ferrule/1 achterste ferrule) voor 1/4 inch buis fitting (20) | Swagelok | SS-400-NFSET | Gebruikt voor fittingverbindingen waar nodig Naam in Protocol: ferrule set |
| 316L Roestvrijstalen gegolfde (FM) slang, 1/4 inch, 316L Roestvrijstalen vlecht, 1/4 inch buisadapters, 60 inch (1.5 m) Lengte | Swagelok | SS-FM4TA4TA4-60 | Verbindt drukpomp met drukcel Naam in Protocol: 1/4" gevlochten roestvrijstalen flexibele drukbestendige slang |
| ABAQUS | ABAQUS FEA | Naam in Protocol: simulatiesoftware | |
| Slijtvaste dempingsring voor 7/8" Schroefmaat, 0.875" ID, 2.25" OD, verpakkingen van 10 (x1) | McMaster-Carr | 90131A107 | Naam in Protocol: 2.25" rubberen ring |
| Slijtvaste afdichtingsring, aramidfabriek/Buna-N rubber, 3/ |
Referenties
- 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.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
