Methodenartikel

Methaanhydraatkristallisatie op Sessile Waterdruppels

DOI:

10.3791/62686

⸱

26 mei 2021

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

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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, die de leidingen kunnen verstoppen, wat kan leiden tot dodelijke explosies en olielozingen3.

Vanwege de moeilijkheid om gashydraten in situte bestuderen, worden laboratoriumexperimenten vaak gebruikt om hydraateigenschappen en de invloed van remmers en substraten te karakteriseren4. Deze laboratoriumexperimenten worden uitgevoerd door gashydraat onder verhoogde druk te laten groeien in cellen van verschillende vormen en maten. Inspanningen om gashydraatvorming in gaspijpleidingen te voorkomen, hebben geleid tot de ontdekking van verschillende chemische en biologische gashydraatremmers, waaronder antivrieseiwitten (AFP's), oppervlakteactieve stoffen, aminozuren en polyvinylpyrrolidon (PVP)5,6. Om de effecten van deze verbindingen op gashydraateigenschappen te bepalen, hebben deze experimenten verschillende vatontwerpen gebruikt, waaronder autoclaven, kristallisatoren, geroerde reactoren en schommelcellen, die volumes van 0,2 tot 106 kubieke centimeter ondersteunen4.

De hier en in eerdere studiesgebruikte sessiespruppelmethode 7,8,9,10,11,12 omvat het vormen van een gashydraatfilm op een sessiesruppel water in een drukcel. Deze vaten zijn gemaakt van roestvrij staal en saffier om drukken tot 10-20 MPa op te vangen. De cel is verbonden met een methaangasfles. Twee van deze studies gebruikten de druppelmethode om AFP's te testen als gashydraatremmers in vergelijking met commerciële kinetische hydraatremmers (KHIs), zoals PVP7,11. Bruusgard et al.7 richtten zich op de morfologische invloed van remmers en ontdekten dat druppels met Type I AFP's een gladder, glazig oppervlak hebben dan het dendritische druppeloppervlak zonder remmers bij hoge drijvende krachten.

Udegbunam et al.11 gebruikten een methode die in een eerdere studie10was ontwikkeld om KHIs te beoordelen , die de analyse van morfologie / groeimechanismen, de hydraat-vloeistof-damp evenwichtstemperatuur / druk en kinetiek als functie van temperatuur mogelijk maakt. Jung et al. bestudeerden CH4-CO2 vervanging door de cel te overspoelen met CO2 na het vormen van een CH4 hydraat shell8. Chen et al. observeerden Ostwald-rijping als de gehydrateerde schaal9vormt. Espinoza et al. bestudeerden CO 2-hydraatschalen op verschillende minerale substraten12. De druppelmethode is een relatief eenvoudige en goedkope methode om het morfologische effect van verschillende verbindingen en substraten op gashydraten te bepalen en vereist kleine hoeveelheden additieven vanwege het kleine volume. Dit artikel beschrijft een methode voor het vormen van dergelijke hydraatschalen op een druppel water met behulp van een roestvrijstalen cel met een saffiervenster voor visualisatie, met een werkdruk tot 10 MPa.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Ontwerp, valideer en machine de drukcel.

  1. 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).
  2. Om te controleren of de drukcel veilig is onder hoge druk, voert u een eindige elementenanalyse uit met behulp van simulatiesoftware.
    1. Voer het full-size drukcelmodel van de technische ontwerpsoftware in de simulatiesoftware in.
    2. Wijs een Young's modulus van 400 GPa en een Poisson's ratio van 0,29 toe aan het saffiervenster.
    3. Wijs voor alle roestvrijstalen onderdelen roestvrij staal 316 toe met een Young's modulus van 190 GPa en Poisson's ratio van 0,27.
    4. Breng stap voor stap 0 tot 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9 en 10 MPa luchtdruk aan op de binnenkant van de cel(Aanvullende video S1 en Aanvullende Video S2). Behandel elke laadstap als een statisch probleem door de tijdsafhankelijke termen in de heersende vergelijkingen te negeren en houd alleen rekening met elastische vervorming tijdens het overdrukken.
    5. Gebruik de directe lineaire vergelijkingsoplosser in simulatiesoftware om de spanningsverdeling en de vervorming van de cel onder verschillende drukomstandigheden te berekenen(aanvullende tabel S1 en aanvullende tabel S2).
  3. Zodra het drukcelontwerp is geverifieerd om veilig te zijn, laat u alle onderdelen bewerken op basis van de blauwdruk van de engineeringontwerpsoftware.

2. Monteer de drukcel(figuur 1).

  1. Schroef de vier National Pipe Tapered (NPT) schroef de respectievelijke poorten op de drukcel met loodgieterstape.
  2. Monteer de verlichtingspoort met behulp van het blauwdrukontwerp(aanvullende figuur S1,delen C, D en E) en sluit deze aan op de NPT-schroef linksboven.
  3. Sluit de drukomvormer aan op de npt-toppoort met behulp van de aftakstukfitting en poortconnectorfitting.
  4. Sluit de inlaatnaaldklep in de NPT-schroef aan de linkerkant met behulp van een poortconnectorfitting.
  5. Installeer een drukafdichtingsconnector in de rechterpoort van de drukcel. Steek drie K-type thermokoppeldraden door de drukafdichtingsconnector met 3" speling in de cel en 3" speling buiten de cel.
  6. Polijst het podiumoppervlak met schuurpapier(aanvullende figuur S1,deel F).
  7. Steek de thermokoppels in de respectievelijke gaten in het podium, zodat de uiteinden gelijk zijn met de bovenkant van het podium. Gebruik een klein druppeltje lijm in elk gat om de thermokoppels op hun plaats te bevestigen en te laten drogen.
  8. Plaats de acrylschijf op de achterwand van de drukcel om de lichtreflectie te verbeteren. Plaats het podium in de drukcel.
  9. Installeer het saffiervenster.
    1. Breng vacuümvet aan op twee statische afdichtings-O-ringen (één 1"- en één 1-1/5"). Plaats de O-ringen in de groeven rond het raamgat op de drukcel.
    2. Plaats het saffiervenster. Bedek het saffiervenster met een 2-1/4 "rubberen ring en schroef de roestvrijstalen ring(aanvullende figuur S1,deel B) vast met behulp van acht M8 roestvrijstalen schroeven(figuur 2C).

3. Monteer de apparatuur in een grote zuurkast(figuur 2).

OPMERKING: Aangezien methaan een brandbaar gas onder druk is, moet u alle methaangerelateerde buizen en vaten uit de buurt houden van hitte, vonken, open vuur en hete oppervlakken. Plaats alle apparatuur in een goed geventileerde ruimte (bijvoorbeeld een zuurkast). Trek een veiligheidsbril en laboratoriumjas aan voordat u met methaangas werkt.

  1. Til de drukpomp voorzichtig op in een zuurkast die groot genoeg is om alle apparatuur te laten passen(figuur 2A). Plaats de pompregelaar bovenop de pompbasis. Sluit de pompregelaar aan op de pomp en sluit deze aan op een stekkerdoos.
  2. Voer een hogedruk-nominaal 1/4 "koperen buis uit van de regelaar op de methaangasfles naar de zuurkast naast de inlaat van de drukpomp(Figuur 2A,B).
  3. Plaats de datalogger naast de drukpomp en zet de laptop op de datalogger(figuur 2A). Sluit beide aan op een stekkerdoos. Sluit de datalogger aan op de laptop via de datalogger USB.
  4. Installeer op de laptop de juiste software om de datalogger, camera en drukomvormer op de drukcel te bedienen.
  5. Plaats het aquarium naast de datalogger en plaats niet-uitlogende vulling in de bodem van het aquarium om trillingen naar de drukcel te beperken(figuur 2C).
  6. Gebruik een nieuwe 1/4 "koperen pijp, spoel de koperen pijp twee keer in een ovaal om in het aquarium te passen, waardoor er ruimte overblijft voor de drukcel om erin te zitten(Figuur 2D). Zorg ervoor dat de spoel het saffiervenster in de drukcel niet blokkeert. Verhoog de drukcel in het aquarium om het saffiervenster te bekijken.
  7. Plaats de circulerende koelmachine op de vloer in de buurt van de zuurkast(figuur 2A). Vul de koelmachine met 50/50 v/v ethyleenglycol/water.
    OPMERKING: Aangezien ethyleenglycol gevaarlijk is, gebruik dan de juiste veiligheidskleding, inclusief handschoenen, laboratoriumjas en een bril bij het gieten.
  8. Snijd twee lengtes van een plastic buis van 3/8 " (binnendiameter) om de inlaat en uitlaat van de koelmachine aan te sluiten op de koperen pijpuiteinden in het aquarium. Zorg ervoor dat er voldoende speling is voor de isolatie van de schuimpijp om te passen voordat u gaat snijden.
  9. Schuif de kunststof slang door de isolatie van de schuimpijp.
  10. Sluit de geïsoleerde plastic slang van de inlaat en uitlaat op de circulerende koelmachine aan op de uiteinden van de koperen spoel in het aquarium. Zet de afdichtingen vast door loodgieterstape om de metalen onderdelen te wikkelen en de verbindingen vast te draaien met wormaandrijvingsslangklemmen. Zet de koelmachine aan en laat deze op hoge snelheid circuleren. Zorg ervoor dat er geen lekken zijn.
  11. Breng onderwaterkit aan rond de koperen spoel / plastic buisverbindingen in het aquarium. Laat het afdichtmiddel uitharden. Wikkel het afdichtmiddel in met ducttape.
  12. Installeer drukpompbuizen(figuur 2E).
    OPMERKING: Maak verbindingen altijd met de hand vast voordat u gereedschap gebruikt en maak de NPT-verbindingen nooit los met loodgieterstape omdat ze niet goed opnieuw afdichten.
    1. Installeer een 1/8 "roestvrijstalen buis aan weerszijden van de drukpomp met de bedrijfsfittingen die bij de pomp zijn geleverd met behulp van loodgieterstape(figuur 2F).
    2. Buig met een buisbuiger de 1/8" buis naar voren in een hoek van 90°, ongeveer 2" van de pomp, om te voorkomen dat deze bij de aansluiting buigt.
    3. Buig met een buisbuiger de 1/8" pijp naar beneden in een hoek van 90°, ongeveer 2" van de eerste bocht.
    4. Bevestig 1/8 "tot 1/4" adapter passend op de 1/8 "pijp aan beide zijden(Figuur 2G).
    5. Bevestig 1/4 "pijp aan adapter fitting aan beide zijden.
      OPMERKING: Om de klep aan de zijkant van de pomp te bevestigen, snijdt u de 1/4 "-buis af zodat de aangesloten klep naast de twee schroefgaten zit.
    6. Installeer de 1/4"-naaldkleppen(figuur 2H). Als u kleppen op de drukpomp bevestigt, bewerkt u een stalen of plastic plaat met twee 1/16 "gaten voor schroeven en een 1/2" gat om te bevestigen tussen naaldklepverbindingen. Plaats de plaat tussen de klepaansluitingen en schroef de plaat aan de zijkant van de pomp.
      OPMERKING: Zorg ervoor dat pijlen op de naaldkleppen van hoge druk (in de drukpomp) naar lage druk (buiten de drukpomp) wijzen.
    7. Sluit het ene uiteinde van de 1/4" gevlochten roestvrijstalen flexibele drukslang aan op de uitlaatklep van de drukpomp en het andere uiteinde op de zijklep van de drukcel.
    8. Sluit thermokoppels van de drukcel aan op dataloggerkanalen met behulp van de datalogger multichannel. Sluit een extra thermokoppeldraad aan om de temperatuur van de tankoplossing te meten en plaats het andere uiteinde in de tank.
    9. Sluit de drukomvormer op de drukcel aan op de laptop.
    10. Plaats de drukcel in het aquarium, dicht bij de voorkant, voor een duidelijker beeld.
  13. Om het aquarium te isoleren, wikkelt u de buitenkant van het aquarium met met folie bekleed glasvezel, met een gat / spleet voor de camera om het saffiervenster van de drukcel te bekijken. Bedek de bovenkant van het aquarium met isolatiemateriaal om verdamping tijdens experimenten te voorkomen.
    OPMERKING: Vermijd het goed afdichten van de bovenkant van het aquarium om de opbouw van warmte van de lichtbron te voorkomen.
  14. Om condensatie van vochtige lucht aan de voorkant van het aquarium te voorkomen, voert u plastic buizen uit van de dichtstbijzijnde luchtklep naar de voorkant van het aquarium waar de camera op gericht is, zodat de slang niet zichtbaar is op de foto's.
  15. Plaats de lichtbron naast het aquarium en sluit deze aan op de stekkerdoos.
  16. Zet de camera voor het aquarium, met de lens gericht op het saffiervenster. Sluit de camera aan op de laptop en stekkerdoos.
  17. Til alle elektronica van het kapoppervlak om mogelijke lekschade te voorkomen. Controleer nog eens of de stroom is verdeeld voor de stroomcapaciteit van de stopcontacten.

4. Lektest de drukcel met water.

OPMERKING: Om ervoor te zorgen dat alle verbindingen goed zijn afgedicht, test u de drukcel met water wanneer de cel opnieuw is gemonteerd, vooral na het loskoppelen van de NPT-schroeven. Dit is niet nodig na het verwijderen van het saffiervenster of de bovenklep. Water is veiliger onder druk dan gas.

  1. Open de drukomvormersoftware op de laptop en begin met het verzamelen van gegevens met een scaninterval van 1 s.
  2. Schakel de drukpomp en controller in. Druk op pomp A op de drukpompregelaar om de druk te controleren.
  3. Als er druk in de pomp is, verlaagt u de druk door op Navullen op de drukpompregelaar te drukken terwijl zowel de inlaat- als uitlaatkleppen van de pomp nog gesloten zijn.
  4. Met beide drukcelkleppen open, opent u de uitlaatklep van de pomp iets met ~ 1/16 "om de resterende druk langzaam los te laten.
  5. Indien aangesloten, koppelt u de 1/4" koperen buis los van de inlaatklep op de drukpomp.
  6. Bevestig 1/4" flexibele buizen aan de inlaatklep van de pomp met behulp van een moer en ferrule set. Plaats het uiteinde van de buis in een liter water.
  7. Sluit de uitlaatklep van de pomp en open de inlaatklep van de pomp.
  8. Druk op Bijvullen op de drukpompregelaar om de pompzuiger met water te vullen.
  9. Plaats de drukcel in een ondiepe lege container buiten het aquarium.
  10. Spoel de lucht uit de drukcel totdat er water uit de bovenste poort komt en de drukcel volledig vult.
    1. Sluit de inlaatklep van de pomp en open de uitlaatklep van de pomp.
    2. Zorg ervoor dat de kleppen op de drukcel nog open zijn.
    3. Stel het maximale (max) debiet in op 100 ml/min: druk op de drukpompregelaar op Limieten; druk op 3 voor max flow; druk op 1 om het maximale debiet in te stellen; pons in 100; druk op Enter.
    4. Druk op D om naar de vorige pagina te gaan.
    5. Stel het constante debiet in op 100 ml/min: druk op de drukpompregelaar op Const Flow; druk op A voor debiet; pons in 100; druk op Enter. Druk op Run.
    6. Als er geen water uitkomt of als het volume in de zuiger onvoldoende is, vult u de zuiger opnieuw bij door de uitlaatklep van de pomp te sluiten, de inlaatklep van de pomp te openen met slangen in water en op Bijvullente drukken . Spoel vervolgens de lucht eruit door de inlaatklep van de pomp te sluiten, de uitlaatklep van de pomp te openen, het debiet in te stellen op 100en op Runte drukken.
    7. Zodra er water uit de bovenste poort van de drukcel komt, controleert u op lekken en spant u eventuele lekkende verbindingen aan. Druk op Stop. Sluit de drukceluitlaat (bovenkant) klep.
  11. Zet de drukcel onder druk.
    OPMERKING: Trek een veiligheidsbril aan voordat u de drukcel onder druk zet.
    1. Stel de maximale debietlimiet in op 10 ml / min om snelle druk van de cel te voorkomen: druk op de drukpompregelaar op Limieten; druk op 3 voor max flow; druk op 1 om het maximale debiet in te stellen; pons in 10; druk op Enter.
    2. Zet de cel onder druk tot 100 kPa: druk op de drukpompregelaar op Const Press; pers A; pons in 100; druk op Enter. Druk op Run.
    3. Controleer op lekken. Als er een lek is, drukt u op Stop op de pompregelaar, spant u de lekkende componenten aan, drukt u op Uitvoerenen herhaalt u dit totdat er geen lekken zijn bij 100 kPa. Zorg ervoor dat er geen lekken zijn door de uitlaatklep van de pomp te sluiten en de druk van de drukcel te bewaken in de drukomvormersoftware.
      OPMERKING: Als de druk constant afneemt en geen normale fluctuatie is als gevolg van variatie in kamertemperatuur, is er een lek.
    4. Verhoog de druk in stappen van 50 kPa van 100 kPa tot 500 kPa, vervolgens in stappen van 100 kPa van 500 kPa tot 1.000 kPa en ten slotte in stappen van ~1.000 kPa van 1.000 kPa tot ~10.000 kPa. Doe dit door de instelling Const Press te wijzigen zoals voorheen. Sluit tussen de drukinstellingen de uitlaatklep van de pomp en controleer de druk van de cel zoals voorheen om ervoor te zorgen dat de druk constant is. Als de druk daalt, spant u de lekkende componenten voorzichtig aan.
  12. Bij het bereiken van 10.000 kPa sluit u de uitlaatklep van de pomp en observeert u hoe goed de drukcel de druk vasthoudt volgens de drukomvormer. Omdat een consistente drukdaling een lek aangeeft, spant u de verbindingen aan bij een lagere druk, ~ 1.000 kPa.
  13. Om de druk te verlagen, opent u de uitlaatklep van de pomp en stelt u de druk in op 100 kPa. Zodra de drukplateaus zijn bereikt, opent u de uitlaatklep van de drukcel enigszins.
  14. Om water uit de drukpomp te verwijderen, sluit u de inlaatklep van de pomp, wijzigt u de instellingen voor het maximale debiet en de Const Flow in 100 ml/minen drukt u op Uitvoeren totdat de pomp leeg is.
  15. Koppel de 1/4" flexibele buis los van de pompinlaat. Koppel de gevlochten roestvrijstalen hosing los van de drukcel. Open beide kleppen en laat het water afvloeien. Verwijder het saffiervenster om de cel volledig te laten drogen.

5. Vorm een methaanhydraatschil op het druppeloppervlak.

  1. Bereid de apparatuur voor.
    1. Sluit de methaancilinderregelaar aan op de pomp met de 1/4" koperen buis met behulp van een nieuwe moer- en ferruleset. Zorg ervoor dat de gasfles gesloten is.
    2. Oefen de druppelinbrengtechniek.
      1. Lijm een flexibele punt, zoals iv-buizen, gesneden onder een hoek met het uiteinde van de canule om de druppel naar het saffiervenster te leiden. Bevestig een spuit van 1 ml op de canule en trek het gewenste volume gedeïoniseerd water (~ 50-300 μL) naar binnen. Zonder de naaldklep of het saffiervenster bevestigd, steekt u het uiteinde van de canule in de bovenste poort en oefent u met het verdrijven van de druppel op het middenpodium. Na het oefenen van het inbrengen van druppels, verwijdert u de druppel en droogt u het podium.
        OPMERKING: In dit protocol werd 250 μL gedeioniseerd water in de spuit genomen.
    3. Bevestig het saffierraam en de ringen opnieuw met M8-schroeven. Sluit de gevlochten roestvrijstalen slang van de drukpomp aan op de drukcel en controleer of alle verbindingen van de gasfles naar de drukcel strak zijn. Open de drukcelinlaatklep (zijklep) en stel de drukcel in het aquarium in. Steek een glasvezellichtbronkabel in de drukcelverlichtingspoort.
    4. Voeg 50/50 ethanol/water (v/v) toe aan het aquarium totdat het waterpas staat met de bovenkant van de drukcel, net onder de aansluiting van de lichtbron. Zorg ervoor dat de kapstroom is ingeschakeld. Wanneer het oplossingsniveau daalt vóór toekomstige proeven in de volgende weken, voeg dan meer ethanol toe. Vervang de oplossing maandelijks.
    5. Stel de koelmachine in op de temperatuur die ~ 0 °C tot 3 °C in de cel (~ -4 °C) zal bereiken en begin door spoelen te circuleren. Schakel de luchtstroom naar de voorkant van het aquarium in om condensatie op het aquariumoppervlak te voorkomen.
    6. Start een temperatuurlog in de dataloggersoftware. Stel het scaninterval in op 30 s. Wacht tot de temperatuur in de drukcel stabiel is op 2 °C (~ 6-24 uur).
  2. Voeg een waterdruppel toe aan de drukcel met behulp van de cameraweergave op de laptop.
    1. Schakel de lichtbron in op ~80%. Open de camerasoftware. Stel in live view de cameralens scherp op de binnenste kamer van de cel. Pas de lichtbron aan voor de beste beeldvorming.
    2. Start een nieuw temperatuurlogboek met een scaninterval van 1 s.
    3. Indien bevestigd, maak de uitlaatnaaldklep in de bovenste poort van de drukcel los. Bevestig een spuit van 1 ml op de canule en trek het gewenste volume gedeïoniseerd water (~ 50-300 μL) naar binnen.
      OPMERKING: In dit protocol werd 250 μL gedeioniseerd water in de spuit getrokken.
    4. Steek de canule door de bovenste poort totdat de punt zichtbaar is in de camerasoftware in de live view-modus. Verdrijft de vloeistofdruppel uit de spuit over het centrale thermokoppel. Bevestig de naaldklep opnieuw.
  3. Richt de camera op de druppel in de drukcel. Begin met time-lapse imaging om ~60 s.
  4. Open de drukomvormersoftware op de laptop en begin met het verzamelen van gegevens op de kaart en het gegevenslogboek met een scaninterval van 1 s (hetzelfde als het temperatuurscaninterval). Wacht tot de druppeltemperatuur stabiel is tussen 0-3 °C.
  5. Zet de drukcel onder druk tot de gewenste druk.
    OPMERKING: Trek een veiligheidsbril aan voordat u de cel onder druk zet.
    1. Schakel de pomp en de controller in. Sluit de inlaatklep van de drukpomp.
    2. Open de uitlaatklep van de pomp en de kleppen van de drukcel.
      OPMERKING: De drukcelinlaatklep moet altijd open zijn.
    3. Tarra de pompdruk door op Nul op de drukpompregelaar te drukken. Selecteer Pomp A op de drukpompregelaar om de druk te controleren.
    4. Zorg ervoor dat de drukpomp leeg is als er een andere vloeistof dan methaangas in de pomp aanwezig was. Doe dit door de max flow en Const Flow in te stellen op 100 ml/min en op Runte drukken. Laat het draaien totdat de pomp leeg is. Sluit de uitlaatklep van de pomp en open de inlaatklep van de pomp.
    5. Open de gasfles en stel de gasflesregelaar in op 1.000 kPa.
    6. Druk op Bijvullen op de drukpompregelaar. Wanneer de pomp vol is en in de buurt van 1.000 kPa, sluit u de inlaatklep van de pomp en de gasfles.
    7. Iets open (~ 1/16 "draai) de pompuitlaatklep naar de cel. Bewaak de drukceldruk in de drukomvormersoftware, omdat de druk kan afnemen als gevolg van de relatief lagere temperatuur in de drukcel.
    8. Stel het maximale debiet in op 10 ml/min:druk op de drukpompregelaar op Limieten; druk op 3 voor max flow; druk op 1 om het maximale debiet in te stellen; pons in 10; druk op Enter.
    9. Stel de maximale druk in op 5.000 kPa:druk op de drukpompregelaar op Limieten; pers 1; pons in 5000; druk op Enter.
    10. Stel de constante druk in op 1.000 kPa: druk op de drukpompregelaar op Const Press; pers A; pons in 1000; druk op Enter. Druk op Run.
    11. Wanneer 1.000 kPa is bereikt, drukt u op Stop op de pompregelaar en sluit u de uitlaatklep van de pomp. Controleer de druk in de drukcel om er zeker van te zijn dat er geen lekken zijn. Als de druk daalt, gebruik dan de vloeistoflekdetector om het lek bij de aansluitingen te vinden en draai de lekkende componenten voorzichtig vast.
    12. Als de cel stabiel is, opent u de pompuitlaat en stelt u de Const Press in op 2.000 kPa. Druk op Stop en monitor. Indien stabiel op 2.000 kPa, stelt u Const Press in op 3.000 kPa. Druk op Stop en monitor. Indien stabiel op 3.000 kPa, stelt u Const Press in op 4.000 kPa. Druk op Stop en monitor. Indien stabiel op 4.000 kPa, stelt u Const Press in op 5.000 kPa. Druk op Stop en monitor.
    13. Als de druk stabiel is, sluit u de pompuitlaat.
      OPMERKING: Als het pompvolume opraakt, sluit u de pompuitlaat en opent u de pompinlaat enigszins. Open langzaam de gasfles en stel de gasregelaar in op 1.000 kPa. Druk op Bijvullen op de pompregelaar. Wanneer de pomp wordt bijgevuld, sluit u de gasfles en de pompinlaat. Zet de pomp onder druk om de drukceldruk aan te passen.
    14. Wacht tot ~ 12-24 uur voor het gas de druppel doordringt.
  6. Nucleateer de gehydrateerde schaal met behulp van droogijs.
    1. Schakel de time-lapse om elke 2-5 s foto's te maken.
    2. Voeg droogijs toe aan de bovenkant van de cel totdat de gehydrateerde schil in time-lapse wordt gezien. Als het droogijs glijdt, plakt u tape rond de bovenkant van de cel.
  7. Observeer de voortgang van de vorming van methaanhydraat door middel van time-lapse-foto's gedurende ~ 2-6 uur.
  8. Zet de cel onder druk tot 2.000 kPa door de pompuitlaat te openen en de Const Press in te stellen op 2.000 kPa. Let op wanneer smelten optreedt.
    OPMERKING: Borrelen in de zitdruppel kan optreden als gevolg van het ontsnappen van het opgeloste gas.
  9. Na ~ 30 minuten, druk de drukcel tot 5.000 kPa om het geheugeneffect te observeren. Let op wanneer een hydraatschaal begint te hervormen. Laat de schaal zich vormen gedurende ~ 30 minuten tot 2 uur.
  10. Zet de cel onder druk door de pompuitlaat te openen en de Const Press op 0 kPa te zetten. Als er restdruk in de drukcel is, open dan de drukceltopklep iets met ~ 1/16 ".
  11. Sla de druk- en temperatuurgegevens op als .csv bestanden.
  12. Verwijder de druppel door de bovenste drukcelklep zoals voorheen te verwijderen en de druppel te extraheren met de spuit/canule/IV-buis. Als er tussen de proeven door bezorgdheid bestaat over verontreiniging, verwijder dan het saffiervenster en ontsmet het podium en vervang het vacuümvet. Gebruik een zuignap om het saffiervenster te verwijderen zodra de drukcel is opgewarmd tot kamertemperatuur.

6. Analyseer de gegevens.

  1. Open de temperatuur en druk .csv bestanden.
  2. Maak een nieuwe spreadsheet. Kopieer de tijd- en drukkolommen van de druk .csv en de tijd en temperatuur van de temperatuur .csv bestand naar de nieuwe spreadsheet.
  3. Maak een spreidingsplot met de tijd op de x-as en twee y-assen met temperatuur en druk(aanvullende figuur S2).
  4. Maak nog twee kolommen voor de hydraatstabiliteitscurve. Voer in de eerste kolom de temperaturen in van 273,15 K tot ~ 279,15 K met intervallen van 0,1 K. Bereken in de tweede kolom de druk met behulp van formule (1) van Sloan & Koh13.
    P [kPa] = exp(a+b/T [K]) waarbij a = 38,98 en b = -8533,80 (1)
  5. Maak een spreidingsplot van de hydraatstabiliteitsgrens, met temperatuur (K) op de x-as en druk (kPa) op de y-as. Voeg een tweede reeks toe op de spreidingsplot met experimentele temperatuur en druk op respectievelijk de x- en y-as (figuur 4).
  6. Let op de grafieken waar een gehydrateerde schil zichtbaar werd, volgens de time-lapse beeldvorming.

7. Onderhoud de apparatuur.

  1. Top de tankoplossing voor elke proef af met ethanol om verdampte ethanol te vervangen. Vervang de tankoplossing maandelijks volledig.
  2. Vervang de o-ringen en rubberen ring om de 2 maanden bij regelmatig gebruik.
  3. Vervang poortverbindingen als er aanhoudende lekkage optreedt die niet wordt verholpen door aanscherping.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Er zijn geen concurrerende financiële belangen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
CAMERA EN LAPTOP
Camera BodyNikonD7200Naam in Protocol: camera
Camera Control Pro 2 SoftwareNikonNaam in Protocol: camera software
LaptopHP Pavilionhp-pavilion-laptop-14-ce0068stMoet een PC zijn met veel opslagruimte (~ 1 Tb)
Naam in Protocol: laptop
Macrophotography LensNikonAF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED LensNaam in Protocol: lens
VERBRUIKSBARE ARTIKELEN
Deionized waterNaam in Protocol: DI water
Dry IceVWR of supermarktKoop net voordat het nucleeert
Naam in Protocol: droogijs
EthanolNaam in Protocol: ethanol
Ethylene GlycolNaam in Protocol: ethyleenglycol
KOELSTEEL
1/2 inch O.D. x 3/8 inch I.D. x 25 ft. Polyethyleen slangEverbiltModel # 301844Voor het circuleren van koelmiddel van koelmachine naar koperen spiraal in aquarium
Naam in Protocol: 3/8” (innerlijke diameter) kunststof slang
Circulerende koelmachinePolyscienceNaam in Protocol: koelmachine
Economische flexibele polyethyleen schuim buizenisolatieMcMaster-Carr4530K1623/4" dikke wand; 1/2" binnendiameter; R waarde 3; 6' lang
Naam in Protocol: schuim buizenisolatie
Kunststof slanggebruik 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 Technologies34901ANaam in Protocol: datalogger multikanaal
Benchvue of Benchlink softwareBenchvue of BenchlinkNaam in Protocol: temperatuur transducer software
Data Acquisitie/Switch Unit. GPIB, RS232Keysight Technologies34970ANaam in Protocol: datalogger
USB/GPIB interfaceKeysight Technologies82357BNaam in Protocol: datalogger USB
datalogger multikanaal
Schott Fostec -Llc 20510 Ace Fiber Optic Light SourceSchott FostecA205003115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W
Naam in Protocol: lichtbron eenheid
Schott Fostec lichtbron gids - enkel pakketSchott FostecA08031.40Naam in Protocol: glasvezel lichtbron kabel
METHANEGAS EN REGELAAPPARAAT
1/4 OD inch x 20 ft. Koperen zachte koelspiraalEverbiltModel # D 04020PSVoor 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 regulatorAirgasY11N114G350-AGNaam in Protocol: methaancilinderregelaar
Methane gas cylinderAirgasME UHP300Naam 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/ControllerTeledyne Instruments Inc.67-1240-520Naam in Protocol: drukpomp
Controller − Ethernet/USBTeledyne Instruments Inc.62-1240-114Koop 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-Carr89785K824Naam in Protocol: 1/4" buis
Glad-Bore Naadloze 316 Roestvrijstalen Buizen, 1/8" OD, 0.02" Wanddikte, 1 Voet Lang (x4)McMaster-Carr89785K811Naam in Protocol: 1/8" buis
Roestvrijstalen Swagelok buisfitting, verminderende verbinding, 1/4 inch x 1/8 inch buis OD (x4)Swagelok SS-400-6-2Naam 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-NFSETGebruikt 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) LengteSwagelokSS-FM4TA4TA4-60Verbindt drukpomp met drukcel
Naam in Protocol: 1/4" gevlochten roestvrijstalen flexibele drukbestendige slang
ABAQUSABAQUS FEANaam in Protocol: simulatiesoftware
Slijtvaste dempingsring voor 7/8" Schroefmaat, 0.875" ID, 2.25" OD, verpakkingen van 10 (x1)McMaster-Carr90131A107Naam in Protocol: 2.25" rubberen ring
Slijtvaste afdichtingsring, aramidfabriek/Buna-N rubber, 3/

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Vorming van methaanhydraathydraatschillendrukcelthydraatmorfologietime lapse imagingtemperatuurbewakinghydraatdissociatieantivrieseiwittenstabiliteit van gashydraten

Gerelateerde artikelen