É necessária uma assinatura do JoVE para visualizar este conteúdo. Faça login ou inicie seu teste gratuito.

Artigo de método

Cristalização do hidrato de metano em gotículas de água sessile

2.4K visualizações

⸱

DOI:

10.3791/62686

⸱

26 de maio de 2021

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

Neste artigo

Resumo

Descrevemos um método para formar hidrato de gás em gotículas de água sessile para estudar os efeitos de vários inibidores, promotores e substratos na morfologia cristalina hidrato.

Resumo

Este artigo descreve um método para formar conchas de hidrato de metano em gotículas de água. Além disso, fornece plantas para uma célula de pressão avaliada em 10 MPa de pressão de trabalho, contendo um estágio para gotículas sessile, uma janela de safira para visualização e transdutores de temperatura e pressão. Uma bomba de pressão conectada a um cilindro de gás metano é usada para pressurizar a célula a 5 MPa. O sistema de resfriamento é um tanque de 37,85 L contendo uma solução de 50% de etanol resfriada através de glicol de etileno através de bobinas de cobre. Esta configuração permite a observação da mudança de temperatura associada à formação e dissociação do hidrato durante o resfriamento e despressurização, respectivamente, bem como a visualização e fotografia das alterações morfológicas da gotícula. Com este método, observou-se formação rápida de conchas hidratantes a ~-6 °C a -9 °C. Durante a despressurização, observou-se uma queda de temperatura de 0,2 °C a 0,5 °C na curva de estabilidade de pressão/temperatura (P/T) devido à dissociação do hidratado exotérmico, confirmada pela observação visual do derretimento no início da queda da temperatura. O "efeito memória" foi observado após repressurização para 5 MPa de 2 MPa. Este projeto experimental permite o monitoramento da pressão, temperatura e morfologia da gotícula ao longo do tempo, tornando este um método adequado para testar vários aditivos e substratos na morfologia hidratada.

Introdução

Hidratos de gás são gaiolas de moléculas de água ligadas a hidrogênio que capturam moléculas de gás convidado através de interações van der Waals. Os hidratos de metano formam-se sob condições de alta pressão e baixa temperatura, que ocorrem na natureza nos sedimentos subsuperficial ao longo das margens continentais, sob o permafrost ártico, e em outros corpos planetários no sistema solar1. Hidratos a gás armazenam vários milhares de gigatoneladas de carbono, com implicações importantes para o clima e a energia2. Hidratos de gás também podem ser perigosos na indústria de gás natural porque condições favoráveis para hidratantes ocorrem em gasodutos, que podem entupir os tubos levando a explosões fatais e derramamentos de óleo3.

Devido à dificuldade de estudar hidratos de gás in situ,experimentos laboratoriais são frequentemente empregados para caracterizar propriedades hidratadas e a influência de inibidores e substratos4. Esses experimentos de laboratório são realizados pelo cultivo de hidrato de gás a uma pressão elevada em células de várias formas e tamanhos. Os esforços para prevenir a formação de hidratos de gás em gasodutos levaram à descoberta de vários inibidores químicos e biológicos de hidrato de gás, incluindo proteínas anticongelantes (AFPs), surfactantes, aminoácidos e polivinilibrirrolidone (PVP)5,6. Para determinar os efeitos desses compostos nas propriedades de hidrato a gás, esses experimentos têm utilizado diversos projetos de embarcações, incluindo autoclaves, cristalizadores, reatores agitados e células de balanço, que suportam volumes de 0,2 a 106 centímetros cúbicos4.

O método de gotícula sessile utilizado aqui e em estudos anteriores7,8,9,10,11,12 envolve a formação de uma película hidrato a gás em uma gotícula sessile de água dentro de uma célula de pressão. Estes vasos são feitos de aço inoxidável e safira para acomodar pressões de até 10-20 MPa. A célula está conectada a um cilindro de gás metano. Dois desses estudos utilizaram o método de gotícula para testar os AFPs como inibidores de hidrato de gás em comparação com os inibidores de hidrato cinético comercial (KHIs), como PVP7,11. Bruusgard et al.7 se concentraram na influência morfológica dos inibidores e descobriram que as gotículas contendo AFPs tipo I têm uma superfície mais lisa e visada do que a superfície de gotícula dendrítica sem inibidores em altas forças motrizes.

Udegbunam et al.11 utilizaram um método desenvolvido para avaliar os KHIs em um estudo anterior10, que permite a análise de mecanismos de morfologia/crescimento, temperatura/pressão de vapor hidratado-líquido e cinética em função da temperatura. Jung et al. estudaram a substituição ch4-CO2 inundando a célula com CO2 depois de formar uma concha de hidratação CH4 8. Chen et al. observaram o amadurecimento de Ostwald como a casca de hidratação forma9. Espinoza et al. estudaram conchas hidratadas de CO2 em vários substratos minerais12. O método gotícula é um método relativamente simples e barato para determinar o efeito morfológico de vários compostos e substratos em hidratos a gás e requer pequenas quantidades de aditivos devido ao pequeno volume. Este artigo descreve um método para formar tais conchas hidratadas em uma gota de água usando uma célula de aço inoxidável com uma janela de safira para visualização, avaliada em até 10 MPa de pressão de trabalho.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Protocolo

1. Projete, valide e máquina a célula de pressão.

  1. Projete a célula para permitir a visualização direta da formação de hidrato a partir de uma gotícula de água. Certifique-se de que a célula tenha uma câmara principal com janela de safira e quatro portas para entrada de fluido/gás, saída, luz e fios(Figura 1). Crie o design final em software de design de engenharia(Figura Suplementar S1).
  2. Para verificar se a célula de pressão é segura sob alta pressão, realize uma análise de elementos finitos usando software de simulação.
    1. Insira o modelo de célula de pressão em tamanho real do software de projeto de engenharia para o software de simulação.
    2. Atribua um módulo young de 400 GPa e uma razão de Poisson de 0,29 para a janela de safira.
    3. Para todas as peças de aço inoxidável, atribua aço inoxidável 316 com um módulo young de 190 GPa e razão de Poisson de 0,27.
    4. De forma passo a passo, aplique 0 a 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9 e 10 MPa pressão de ar no interior da célula (Vídeo Suplementar S1 e Vídeo Suplementar S2). Trate cada passo de carregamento como um problema estático ignorando os termos dependentes do tempo nas equações de governo e considere apenas a deformação elástica durante a pressurização.
    5. Use o solucionador de equações lineares diretas em software de simulação para calcular a distribuição do estresse e a deformação da célula sob várias condições de pressão(Tabela Suplementar S1 e Tabela Suplementar S2).
  3. Uma vez que o design da célula de pressão seja verificado como seguro, tenha todas as peças usinadas com base no projeto do software de projeto de engenharia.

2. Montar a célula de pressão(Figura 1).

  1. Enrosque os quatro fios NPT (National Pipe Tapered) nas respectivas portas da célula de pressão com fita do encanador.
  2. Monte a porta de iluminação usando o projeto do projeto(Figura Suplementar S1, partes C, D e E) e conecte-se ao parafuso NPT superior esquerdo.
  3. Conecte o transdutor de pressão ao NPT da porta superior usando o encaixe do te do ramo e o encaixe do conector da porta.
  4. Conecte a válvula da agulha de entrada no parafuso NPT do lado esquerdo usando um encaixe do conector da porta.
  5. Instale um conector de vedação de pressão na porta do lado direito da célula de pressão. Insira três fios termopar do tipo K através do conector da vedação de pressão com 3" de folga dentro da célula e 3' folga fora da célula.
  6. Polir a superfície do palco com lixa(Figura Suplementar S1, Parte F).
  7. Insira os termopares nos respectivos orifícios do palco para que as pontas estejam alinhadas com a parte superior do palco. Use uma pequena gota de cola em cada orifício para fixar os termopares no lugar e deixe-os secar.
  8. Coloque o disco acrílico na parede traseira da célula de pressão para melhorar o reflexo da luz. Coloque o estágio na célula de pressão.
  9. Instale a janela de safira.
    1. Aplique graxa a vácuo em dois anéis O estáticos (um de 1" e outro de 1-1/5"). Coloque os anéis O nas ranhuras ao redor do orifício da janela na célula de pressão.
    2. Insira a janela de safira. Cubra a janela de safira com uma arruela de borracha de 2-1/4" e parafuso na máquina de lavar de aço inoxidável(Figura Suplementar S1, Parte B) utilizando oito parafusos de aço inoxidável M8(Figura 2C).

3. Monte o equipamento em uma grande capa de fumaça(Figura 2).

NOTA: Como o metano é um gás inflamável sob pressão, mantenha todos os tubos relacionados ao metano e vasos longe do calor, faíscas, chama aberta e superfícies quentes. Coloque todos os equipamentos dentro de uma área bem ventilada (por exemplo, um capô de fumaça). Don óculos de segurança e jaleco antes de trabalhar com gás metano.

  1. Levante cuidadosamente a bomba de pressão em um capô de fumaça grande o suficiente para que todos os equipamentos se encaixem(Figura 2A). Coloque o controlador da bomba em cima da base da bomba. Conecte o controlador da bomba à bomba e conecte-o em uma tira de alimentação.
  2. Execute um tubo de cobre de alta pressão de 1/4" do regulador no cilindro de gás metano até o capô de fumaça ao lado da entrada da bomba de pressão(Figura 2A, B).
  3. Coloque o data logger ao lado da bomba de pressão e coloque o laptop no data logger(Figura 2A). Conecte ambos em uma tira de energia. Conecte o data logger ao laptop através do data logger USB.
  4. No laptop, instale o software adequado para controlar o data logger, câmera e transdutor de pressão na célula de pressão.
  5. Coloque o aquário ao lado do data logger e coloque o estofamento não lixiviador na parte inferior do aquário para limitar vibrações à célula de pressão(Figura 2C).
  6. Usando um novo tubo de cobre de 1/4", enrole o tubo de cobre duas vezes em um oval para caber no aquário, deixando espaço para a célula de pressão sentar dentro(Figura 2D). Certifique-se de que a bobina não bloqueie a janela de safira na célula de pressão. Eleve a célula de pressão no aquário para ver a janela de safira.
  7. Coloque o refrigerador circulante no chão próximo ao capô da fumaça(Figura 2A). Encha o refrigerador com 50/50 v/v de etileno glicol/água.
    NOTA: Como o glicol de etileno é perigoso, use trajes de segurança apropriados, incluindo luvas, jaleco e óculos ao derramar.
  8. Corte dois comprimentos de uma tubulação de plástico de 3/8" (diâmetro interno) para conectar a entrada do refrigerador e a saída às extremidades do tubo de cobre no aquário. Certifique-se de que haverá folga suficiente para que o isolamento do tubo de espuma encaixe antes de cortar.
  9. Deslize o tubo de plástico através do isolamento do tubo de espuma.
  10. Conecte o tubo de plástico isolado da entrada e a saída no refrigerador circulante até as extremidades da bobina de cobre dentro do aquário. Fixar as vedações enrolando fita adesiva em torno das partes metálicas e apertando as conexões com grampos de mangueira de acionamento de vermes. Ligue o refrigerador e coloque-o em alta velocidade. Certifique-se de que não há vazamentos.
  11. Aplique selante subaquático ao redor das conexões de tubos de cobre/tubos plásticos dentro do aquário. Permita que o selante cure. Enrole o selante com fita adesiva.
  12. Instale tubos de bomba de pressão(Figura 2E).
    NOTA: Sempre aperte as conexões manualmente antes de usar ferramentas e nunca desprender as conexões NPT com fita do encanador, pois elas não selam bem.
    1. Instale um tubo de aço inoxidável de 1/8" em ambos os lados da bomba de pressão com os encaixes da empresa que vieram com a bomba usando fita adesiva(Figura 2F).
    2. Com um dobrador de tubo, dobre o tubo de 1/8" para a frente em um ângulo de 90°, aproximadamente 2" de distância da bomba, para evitar dobrar na conexão.
    3. Com um dobrador de tubo, dobre o tubo de 1/8" para baixo em um ângulo de 90°, aproximadamente 2" de distância da primeira curva.
    4. Conecte o adaptador de 1/8" ao adaptador de 1/4" no tubo de 1/8" em ambos os lados(Figura 2G).
    5. Conecte o tubo de 1/4" ao encaixe do adaptador em ambos os lados.
      NOTA: Para fixar a válvula ao lado da bomba, corte a tubulação de 1/4" para que a válvula fixada fique ao lado dos dois orifícios do parafuso.
    6. Instale as válvulas de agulha de 1/4"(Figura 2H). Se afixar válvulas na bomba de pressão, máquina uma placa de aço ou plástico com dois orifícios de 1/16" para parafusos e um orifício de 1/2" para fixar entre as conexões da válvula da agulha. Insira a placa entre as conexões da válvula e enrosque a placa ao lado da bomba.
      NOTA: Certifique-se de que as setas nas válvulas da agulha apontam da alta pressão (dentro da bomba de pressão) à baixa pressão (fora da bomba de pressão).
    7. Conecte uma extremidade da mangueira de aço inoxidável de aço inoxidável trançada de 1/4" à válvula de saída na bomba de pressão e a outra extremidade à válvula lateral da célula de pressão.
    8. Conecte termopares da célula de pressão aos canais de data-logger usando o multicanal do data logger. Conecte um fio termopar adicional para medir a temperatura da solução do tanque e coloque a outra extremidade no tanque.
    9. Conecte o transdutor de pressão na célula de pressão ao laptop.
    10. Coloque a célula de pressão dentro do aquário, perto da frente, para imagens mais claras.
  13. Para isolar o aquário, enrole o exterior do aquário com fibra de vidro forrada com papel alumínio, com um furo/fenda para a câmera ver a janela de safira da célula de pressão. Cubra a parte superior do aquário com material isolante para evitar a evaporação durante os experimentos.
    NOTA: Evite selar firmemente a parte superior do aquário para evitar o acúmulo de calor da fonte de luz.
  14. Para evitar a condensação do ar úmido na frente do aquário, execute tubos plásticos da válvula de ar mais próxima até a frente do aquário, onde a câmera estará apontando para que o tubo não seja visível nas fotografias.
  15. Coloque a unidade de fonte de luz ao lado do aquário e conecte-a na tira de alimentação.
  16. Coloque a câmera na frente do aquário, com a lente apontando para a janela de safira. Ligue a câmera ao laptop e à tira de energia.
  17. Eleve todos os eletrônicos da superfície do capô para evitar possíveis danos causados pelo vazamento. Verifique duas vezes se a energia é distribuída para a capacidade de energia das tomadas.

4. Teste a célula de pressão com água.

NOTA: Para garantir que todas as conexões sejam seladas adequadamente, teste a célula de pressão com água sempre que a célula tiver sido remontada, especialmente depois de desconectar os parafusos NPT. Isso não é necessário depois de remover a janela de safira ou a válvula superior. A água é mais segura sob pressão do que o gás.

  1. Abra o software transdutor de pressão no laptop e comece a coletar dados em um intervalo de varredura de 1 s.
  2. Ligue a bomba de pressão e o controlador. Pressione a bomba A no controlador da bomba de pressão para monitorar a pressão.
  3. Se houver pressão na bomba, diminua a pressão pressionando o controlador da bomba de pressão enquanto as válvulas de entrada e saída da bomba ainda estiverem fechadas.
  4. Com ambas as válvulas de célula de pressão abertas, abra ligeiramente a válvula de saída da bomba por ~1/16" para liberar lentamente a pressão restante.
  5. Se conectado, desconecte o tubo de cobre de 1/4" da válvula de entrada na bomba de pressão.
  6. Conecte tubos flexíveis de 1/4" à válvula de entrada da bomba usando um conjunto de porca e ferrule. Coloque a ponta da tubulação em um galão de água.
  7. Feche a válvula de saída da bomba e abra a válvula de entrada da bomba.
  8. Pressione a recarga no controlador da bomba de pressão para encher o pistão da bomba com água.
  9. Coloque a célula de pressão em um recipiente raso e vazio fora do aquário.
  10. Limpe o ar da célula de pressão até que a água saia da porta superior e encha completamente a célula de pressão.
    1. Feche a válvula de entrada da bomba e abra a válvula de saída da bomba.
    2. Certifique-se de que as válvulas da célula de pressão ainda estão abertas.
    3. Defina o fluxo máximo (máximo) para 100 mL/min: no controlador da bomba de pressão, pressione limites; pressione 3 para fluxo máximo; pressione 1 para definir o fluxo máximo; soco em 100; pressione Enter.
    4. Pressione D para chegar à página anterior.
    5. Defina a taxa de fluxo constante para 100 mL/min: no controlador da bomba de pressão, pressione o Fluxo De Const; pressionar A para fluxorate; soco em 100; pressione Enter. Press Run.
    6. Se a água não sair ou se o volume no pistão for insuficiente, recarreque o pistão novamente fechando a válvula de saída da bomba, abrindo a válvula de entrada da bomba com tubos na água e pressione a recarga. Em seguida, purgar o ar para fora fechando a válvula de entrada da bomba, abrindo a válvula de saída da bomba, definindo a vazão para 100e pressionando Run.
    7. Uma vez que a água saia da porta superior da célula de pressão, verifique se há vazamentos e aperte quaisquer conexões que vazam. Parada de imprensa. Feche a válvula de saída da célula de pressão (superior).
  11. Pressurize a célula de pressão.
    NOTA: Doe os óculos de segurança antes de pressurizar a célula de pressão.
    1. Defina o limite máximo de fluxo para 10 mL/min para evitar uma pressurização rápida da célula: no controlador da bomba de pressão, pressione limites; pressione 3 para fluxo máximo; pressione 1 para definir o fluxo máximo; soco em 10; pressione Enter.
    2. Pressurize a célula a 100 kPa: no controlador da bomba de pressão, pressione Const Press; pressionar A; soco em 100; pressione Enter. Press Run.
    3. Procure por vazamentos. Se houver vazamento, pressione Pare no controlador da bomba, aperte os componentes de vazamento, pressione Rune repita até que não haja vazamentos a 100 kPa. Certifique-se de que não há vazamentos fechando a válvula de saída da bomba e monitorando a pressão da célula de pressão no software do transdutor de pressão.
      NOTA: Se a pressão diminuir de forma consistente e não estiver normal devido à variação da temperatura ambiente, há um vazamento.
    4. Aumente a pressão em incrementos de 50 kPa de 100 kPa para 500 kPa, depois em incrementos de 100 kPa de 500 kPa para 1.000 kPa, e finalmente em incrementos de ~1.000 kPa de 1.000 kPa para ~10.000 kPa. Faça isso alterando a configuração Const Press como antes. Entre as configurações de pressão, feche a válvula de saída da bomba e monitore a pressão da célula como antes para garantir que a pressão seja constante. Se a pressão cair, aperte cuidadosamente os componentes de vazamento.
  12. Ao atingir 10.000 kPa, feche a válvula de saída da bomba e observe o quão bem a célula de pressão mantém a pressão de acordo com o transdutor de pressão. Como uma queda consistente na pressão indica um vazamento, aperte as conexões a uma pressão menor, ~1.000 kPa.
  13. Para despressurizar, abra a válvula de saída da bomba e coloque a pressão em 100 kPa. Uma vez que a pressão planar, abra ligeiramente a válvula de saída da célula de pressão.
  14. Para remover a água da bomba de pressão, feche a válvula de entrada da bomba, altere o fluxo máximo e as configurações de fluxo de const para 100 mL/mine pressione Executar até que a bomba esteja vazia.
  15. Desconecte a tubulação flexível de 1/4" da entrada da bomba. Desconecte a trança de aço inoxidável da célula de pressão. Abra as duas válvulas e escorra a água. Remova a janela de safira para permitir que a célula seque completamente.

5. Forme uma camada de hidrato de metano na superfície da gotícula.

  1. Prepare o equipamento.
    1. Conecte o regulador do cilindro de metano à bomba com o tubo de cobre de 1/4" usando um novo conjunto de porcas e ferrule. Certifique-se de que o cilindro de gás está fechado.
    2. Pratique a técnica de inserção de gotículas.
      1. Cole uma ponta flexível, como tubos intravenosos, cortado em um ângulo até o final da cânula para ajudar a direcionar a gota em direção à janela de safira. Conecte uma seringa de 1 mL à cânula e puxe o volume desejado de água deionizada (~50-300 μL). Sem a válvula da agulha ou a janela de safira presa, insira a extremidade da cânula na porta superior e pratique a expulsão da gota para o centro do palco. Depois de praticar a inserção de gotículas, remova a gota e seque o estágio.
        NOTA: Neste protocolo, 250 μL de água desionizada foram levados para a seringa.
    3. Recoloque a janela de safira e as arruelas com parafusos M8. Conecte a mangueira de aço inoxidável trançada da bomba de pressão à célula de pressão, e verifique duas vezes se todas as conexões do cilindro de gás à célula de pressão estão apertadas. Abra a válvula de entrada da célula de pressão (válvula lateral) e coloque a célula de pressão no aquário. Insira um cabo de fonte de luz de fibra óptica na porta de iluminação da célula de pressão.
    4. Adicione 50/50 etanol/água (v/v) ao aquário até que esteja nivelado com a parte superior da célula de pressão, logo abaixo da conexão de fonte de luz. Certifique-se de que o fluxo do capô está ligado. Quando o nível da solução cair antes dos testes futuros nas próximas semanas, adicione mais etanol. Substitua a solução mensalmente.
    5. Coloque o refrigerador até a temperatura que alcançará ~0 °C a 3 °C dentro da célula (~-4 °C) e comece a circular através de bobinas. Ligue o fluxo de ar para a frente do aquário para evitar a condensação na superfície do aquário.
    6. Inicie um registro de temperatura no software de data logger. Defina o intervalo de digitalização para 30 s. Aguarde até que a temperatura dentro da célula de pressão esteja estável a 2 °C (~6-24 h).
  2. Adicione uma gota de água na célula de pressão usando a visão da câmera no laptop.
    1. Ligue a fonte de luz para ~80%. Abra o software da câmera. Em exibição ao vivo, concentre a lente da câmera na câmara interna da célula. Ajuste a fonte de luz para melhor imagem.
    2. Inicie um novo registro de temperatura com um intervalo de varredura de 1 s.
    3. Se estiver preso, desprende a válvula da agulha de saída na porta superior da célula de pressão. Conecte uma seringa de 1 mL à cânula e puxe o volume desejado de água deionizada (~50-300 μL).
      NOTA: Neste protocolo, 250 μL de água desionizada foram puxados para dentro da seringa.
    4. Insira a cânula através da porta superior até que a ponta esteja visível no software da câmera no modo de visualização ao vivo. Expulse a gota de fluido da seringa sobre o termopar central. Recoloque a válvula da agulha.
  3. Concentre a câmera na gota na célula de pressão. Inicie imagens de lapso de tempo a cada ~60 s.
  4. Abra o software transdutor de pressão no laptop e comece a coletar dados no gráfico e o registro de dados em um intervalo de varredura de 1 s (o mesmo que o intervalo de varredura de temperatura). Aguarde até que a temperatura da gotícula esteja estável entre 0-3 °C.
  5. Pressurize a célula de pressão para a pressão desejada.
    NOTA: Doe os óculos de segurança antes de pressurizar a célula.
    1. Ligue a bomba e o controlador. Feche a válvula de entrada da bomba de pressão.
    2. Abra a válvula de saída da bomba e as válvulas da célula de pressão.
      NOTA: A válvula de entrada da célula de pressão deve estar sempre aberta.
    3. Aque a pressão da bomba pressionando Zero no controlador da bomba de pressão. Selecione a bomba A no controlador da bomba de pressão para monitorar a pressão.
    4. Certifique-se de que a bomba de pressão está vazia se um fluido diferente do gás metano estivesse presente na bomba. Faça isso definindo o fluxo máximo e o Fluxo de Const para 100 mL/min e pressionando Run. Deixe-o funcionando até que a bomba esteja vazia. Feche a válvula de saída da bomba e abra a válvula de entrada da bomba.
    5. Abra o cilindro de gás e coloque o regulador do cilindro de gás em 1.000 kPa.
    6. Pressione a recarga no controlador da bomba de pressão. Quando a bomba estiver cheia e perto de 1.000 kPa, feche a válvula de entrada da bomba e o cilindro de gás.
    7. Levemente aberto (~1/16" de giro) a válvula de saída da bomba para a célula. Monitore a pressão da célula de pressão no software do transdutor de pressão, pois a pressão pode diminuir devido à temperatura relativamente menor na célula de pressão.
    8. Defina o fluxo máximo para 10 mL/min:no controlador da bomba de pressão, pressione limites; pressione 3 para fluxo máximo; pressione 1 para definir o fluxo máximo; soco em 10; pressione Enter.
    9. Defina a pressão máxima para 5.000 kPa: no controlador da bomba de pressão, pressione limites; prensa 1; soco em 5000; pressione Enter.
    10. Coloque a pressão constante em 1.000 kPa: no controlador da bomba de pressão, pressione Const Press; pressionar A; soco em 1000; pressione Enter. Press Run.
    11. Quando 1.000 kPa for atingido, pressione Pare no controlador da bomba e feche a válvula de saída da bomba. Monitore a pressão na célula de pressão para garantir que não haja vazamentos. Se a pressão cair, use o detector de vazamento de líquido para encontrar o vazamento nas conexões e aperte cuidadosamente os componentes de vazamento.
    12. Se a célula estiver estável, abra a saída da bomba e coloque a Prensa Const para 2.000 kPa. Pressione Stop e monitor. Se estável a 2.000 kPa, defina Const Press para 3.000 kPa. Pressione Stop e monitor. Se estável a 3.000 kPa, defina Const Press para 4.000 kPa. Pressione Stop e monitor. Se estável a 4.000 kPa, defina Const Press para 5.000 kPa. Pressione Stop e monitor.
    13. Se a pressão estiver estável, feche a saída da bomba.
      NOTA: Se o volume da bomba acabar, feche a saída da bomba e abra ligeiramente a entrada da bomba. Abra lentamente o cilindro de gás e ajuste o regulador de gás para 1.000 kPa. Pressione a recarga no controlador da bomba. Quando a bomba estiver reabastecida, feche o cilindro de gás e a entrada da bomba. Pressurize a bomba para combinar com a pressão da célula de pressão.
    14. Espere ~12-24 h para o gás permear a gota.
  6. Nuclear a casca de hidratação usando gelo seco.
    1. Mude o lapso de tempo para tirar imagens a cada 2-5 s.
    2. Adicione gelo seco ao topo da célula até que a casca de hidratação seja vista em lapso de tempo. Se o gelo seco deslizar, afixe fita ao redor da parte superior da célula.
  7. Observe o progresso da formação de hidrato de metano através de fotos de lapso de tempo por ~2-6 h.
  8. Despressurize a célula para 2.000 kPa abrindo a saída da bomba e definindo a Prensa Const para 2.000 kPa. Observe quando ocorre o derretimento.
    NOTA: Borbulhar na gotícula sessile pode ocorrer devido à fuga do gás dissolvido.
  9. Após ~30 min, repressurize a célula de pressão para 5.000 kPa para observar o efeito da memória. Note quando uma casca hidratante começar a se reformar. Deixe a casca se formar por ~30 min a 2 h.
  10. Despressurize a célula abrindo a saída da bomba e definindo a Prensa Const para 0 kPa. Se houver pressão residual na célula de pressão, abra ligeiramente a válvula superior da célula de pressão em ~1/16".
  11. Salve os dados de pressão e temperatura à medida que .csv arquivos.
  12. Remova a gotícula removendo a válvula celular de pressão superior como antes e extraindo a gotícula com o tubo de seringa/cânula/IV. Se houver preocupação com a contaminação entre os ensaios, remova a janela de safira e higienize o estágio e substitua a graxa de vácuo. Use uma ventosa para remover a janela de safira uma vez que a célula de pressão tenha aquecido à temperatura ambiente.

6. Analise os dados.

  1. Abra a temperatura e pressão .csv arquivos.
  2. Faça uma nova planilha. Copie as colunas de tempo e pressão da .csv de pressão e a hora e temperatura da temperatura .csv arquivar na nova planilha.
  3. Faça um gráfico de dispersão com tempo no eixo x e dois eixos y com temperatura e pressão(Figura Suplementar S2).
  4. Faça mais duas colunas para a curva de estabilidade do hidratado. Na primeira coluna, insira as temperaturas de 273,15 K a ~279,15 K em intervalos de 0,1 Mil. Na segunda coluna, calcule a pressão usando fórmula (1) de Sloan & Koh13.
    P [kPa] = exp(a+b/T [K]) onde a = 38,98 e b = -8533,80 (1)
  5. Faça um gráfico de dispersão do limite de estabilidade do hidrato, com temperatura (K) no eixo x e pressão (kPa) no eixo y. Adicione uma segunda série no gráfico de dispersão com temperatura experimental e pressão sobre os eixos x e y, respectivamente(Figura 4).
  6. Observe nos gráficos onde uma concha hidratante se tornou visível, de acordo com a imagem de lapso de tempo.

7. Mantenha o equipamento.

  1. Cubra a solução do tanque com etanol antes de cada ensaio para substituir o etanol evaporado. Substitua completamente a solução do tanque mensalmente.
  2. Troque os anéis o e a lavadora de borracha a cada 2 meses de uso regular.
  3. Substitua as conexões da porta se ocorrer um vazamento persistente que não seja corrigido pelo aperto.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Resultados

Com este método, uma casca de hidrato a gás em uma gotícula pode ser monitorada visualmente através de uma janela de safira da célula de pressão e através de transdutores de temperatura e pressão. Para nuclear a casca de hidratação depois de pressurizar para 5 MPa, o gelo seco pode ser adicionado ao topo da célula de pressão para induzir um choque térmico para desencadear a cristalização rápida do hidrato. Há uma clara diferença morfológica na formação de conchas de hidrato forçadas ao gelo seco. A gotícula de água passo...

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Discussão

Desenvolvemos um método para formar conchas de hidrato de metano em gotículas de água sessile com segurança e compartilhar este método para máquina e montar uma célula de pressão avaliada em 10 MPa de pressão de trabalho, bem como os sistemas de pressurização e resfriamento. A célula de pressão é equipada com um estágio para a gotícula contendo termopares incorporados, uma janela de safira para visualizar a gotícula e um transdutor de pressão fixado no topo da célula. O sistema de resfriamento inclui etileno glicol refri...

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Divulgações

Não há interesses financeiros concorrentes.

Agradecimentos

A nasa Exobiology Grant 80NSSC19K0477 financiou esta pesquisa. Agradecemos a William Waite e Nicolas Espinoza por discussões valiosas.

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
CAMERA E LAPTOP
Camera BodyNikonD7200Nome no Protocolo: Camera
Camera Control Pro 2 SoftwareNikonNome no Protocolo: software da câmera
Laptop HPPavilionhp-pavilion-laptop-14-ce0068stPrecisa ser PC com bastante espaço de armazenamento (~ 1 Tb)
Nome no Protocolo: laptop
Lente de macrofotografiaNikonAF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Nome da lenteno protocolo: lente
CONSUMÍVEIS
ÁguaNome no protocolo: água DI
Gelo secoVWR ou merceariaCompre pouco antes da nucleação
Nome no protocolo: gelo seco
EtanolNome no Protocolo: etanol
EtilenoglicolNome no Protocolo: etilenoglicol
SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO
1/2 pol. O.D. x 3/8 pol. I.D. x 25 pés. Tubulação de PolietilenoEverbiltModelo # 301844Para circulação de refrigerante do resfriador para bobinas de cobre no aquário
Nome no Protocolo: 3/8" (diâmetro interno) tubulação plástica
Chiller circulantePolyscienceNome no protocolo: chiller
Isolamento de tubo de espuma de polietileno flexível econômicoMcMaster-Carr4530K162parede de 3/4" de espessura; 1/2" de diâmetro interno; R Valor 3; 6' long
Nome no protocolo: isolamento de tubo
de espuma Tubo deuse qualquer tubo que se encaixe na conexão da linha aérea no laboratório e longo o suficiente para viajar da conexão da linha aérea para a frente do aquário
DATALOGGERMódulo Multiplexador
Armadura para 34970A/
34972A, 20 canais		Keysight Technologies34901ANome no protocolo: registrador de dados multicanal
Benchvue ou software BenchlinkBenchvue ou BenchlinkNome no protocolo: software transdutor de temperatura
Unidade de aquisição/comutação de dados. GPIB, RS232Keysight Technologies34970ANome no protocolo: datalogger
Interface USB/GPIBKeysight Technologies82357BNome no protocolo: datalogger Registrador de
dados USB multicanal
Schott Fostec -Llc 20510 Ace Fonte de luz de fibra ópticaSchott FostecA205003115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W
Nome no protocolo: fonte de luz unidade
Guia de fonte de luz Schott Fostec - pacote únicoSchott FostecA08031.40Nome no Protocolo: cabo de fonte de luz de fibra óptica
GÁS METANO E REGULADOR
1/4 OD in. x 20 ft. Bobina de Refrigeração Macia de CobreEverbiltModelo # D 04020PSPara pressurizar a bomba de pressão ISCO. Um pacote adicional é necessário para a circulação do líquido de arrefecimento, conforme listado abaixo.
Nome no protocolo: alta pressão nominal 1/4" tubo de cobre
Regulador de cilindro de metanoAirgasY11N114G350-AGNome no Protocolo: regulador de cilindro de metano
Cilindro de gás metanoAirgasME UHP300Nome no Protocolo: cilindro de gás metano
BOMBA DE PRESSÃO
1/4 pol.  tubo flexível, ~ 3 pés.Conecte à entrada da bomba para teste de vazamento
Nome no Protocolo: Tubulação flexível de 1/4" 
Bomba de Seringa 260D com ControladorTeledyne Instruments Inc.67-1240-520Nome no Protocolo: Controlador da bomba de pressão
− Ethernet/USBTeledyne Instruments Inc.62-1240-114Compre se quiser instalar o Labview no computador e controlar a bomba de pressão remotamente. Nós não fizemos isso.
Tubulação de aço inoxidável 316 sem costura de furo liso, 1/4" OD, espessura de parede de 0,035", 1 pé de comprimento (x5)McMaster-Carr89785K824Nome no protocolo: tubo de 1/4"
Tubulação de aço inoxidável 316 sem costura de furo liso, 1/8" OD, espessura de parede de 0,02", 1 pé de comprimento (x4)McMaster-Carr89785K811Nome no protocolo: tubo
de 1/8"Conexão de Tubo Swagelok de Aço Inoxidável, União Redutora, 1/4 pol. x 1/8 pol. Tubo OD (x4)Swagelok  SS-400-6-2Nome no Protocolo: adaptador de 1/8" a 1/4<
strong>PRESSURE CELL
316 Conjunto de Porca e Virola de Aço Inoxidável (1 Porca/1 Virola Dianteira/1 Virola Traseira) para 1/4 pol. Encaixe de Tubo (20)Swagelok  SS-400-NFSETUsado para conexões de encaixe quando necessário
Nome no Protocolo: conjunto de ponteiras
Mangueira Enrolada (FM) de Aço Inoxidável 316L, 1/4 pol., Trança de Aço Inoxidável 316L, 1/4 pol. Adaptadores de Tubo, 60 pol. (1,5 m) ComprimentoSwagelokSS-FM4TA4TA4-60Conecta a bomba de pressão à célula de pressão
Nome no Protocolo: Mangueira flexível de aço inoxidável trançado de 1/4" com classificação de pressão
ABAQUSABAQUS FEANome no Protocolo: software de simulação
Arruela de Amortecimento Resistente à Abrasão para Tamanho do Parafuso de 7/8", 0.875" ID, 2.25" OD, pacotes de 10 (x1)McMaster-Carr90131A107Nome no Protocolo: Arruela de borracha de 2,25"
Arruela de Vedação Resistente à Abrasão, Tecido Aramida/Borracha Buna-N, Tamanho do Parafuso de 3/8", 0,625" OD, pacotes de 10 (x1)McMaster-Carr93303A105Usado para porta de iluminação
Folha de Acrílico | Branco 2447 / WRT31
Extrudado Mascarado por Papel (Translúcido 55% (0,118 x 12 x 12)		Plásticos InterestaduaisACRW7EPSHUsinar um círculo de acrílico para caber na câmara interna da célula de pressão para servir como pano de fundo para a geração de imagens
Nome no Protocolo: disco acrílico
AutoCADAutoCAD Nome no Protocolo: software de projeto de engenharia
Conax fittingConax Technologies311401-011TG(PTM2/)-24-A6-T, OPCIONAL 1/4" NPT
Nome no Protocolo: conector de vedação de pressão
Transdutores/Transmissores de Pressão
Preenchidos com Óleo de Alta Precisão para Aplicações Industriais Gerais
(x2)		Omega Engineering, Inc.PX409-3.5KGUSBHCompre dois para que haja um backup.
Nome no Protocolo: transdutor de pressão
CÂMARA DE ALTA PRESSÃO  PEÇASWither Tool, Die and Manufacturing CompanyUsinagem para peças de células de pressão conforme listado nos desenhos CAD (Figura S1)
Nome no Protocolo: Parte B = arruela de aço inoxidável
Parafuso de cabeça cilíndrica de aço inoxidável 316 de alta resistência, rosca M5 x 0,80 mm, 14 mm de comprimento (x20)McMaster-Carr90037A119Usado para porta de iluminação
Parafuso de cabeça cilíndrica de aço inoxidável 316 de alta resistência, M8 x 1,25 mm de rosca, 25 mm de comprimento (x20)McMaster-Carr90037A133Nome no protocolo: Parafusos de aço inoxidável M8
O-Ring Buna-N duro resistente a óleo, largura fracionária de 3/32, número do traço 120, pacotes de 50 (x1)McMaster-Carr5308T178Nome no protocolo: O-ring O-Ring
duro resistente a óleo Buna-N O-Ring, largura fracionária de 3/32, número do traço 128, pacotes de 50 (x1)McMaster-Carr5308T186Nome no protocolo: 1,5 "o-ring
Omega Inc. software do transdutor de pressãoOmega Engineering, Inc.Nome no protocolo: software do transdutor de pressão
Disco de policarbonatoMcMaster-Carr8571K31Listado nos desenhos CAD para porta de iluminação, Fig. S1 Parte E
Janelas de safira (x3)Guild Optical Associates, Inc.Janela de safira de grau óptico, plano C
Diâmetro: 1.811" ±. 005"
Espessura: .590" ±. 005"
Qualidade da superfície: 60/40
Bordas retificadas e chanfradas de segurança		Compre três para que haja dois backups.
Nome no Protocolo: janela de safira
Fio de termopar sólido Isolamento e revestimento FEP, Tipo K, calibre 24, 50 pés Comprimento (x1)McMaster-Carr3870K32Nome no protocolo: termopares
Válvula de agulha de castelo integral de aço inoxidável, 0,37 Cv, 1/4 pol. Conexão de Tubo Swagelok, Haste Reguladora (x4)Swagelok  SS-1RS4Dois serão usados para a bomba de pressão também.
Nome no Protocolo: Válvulas de agulha de 1/4"
Encaixe de Tubo de Aço Inoxidável, Bico Hexagonal, 1/4 pol. NPT Macho (x2)Swagelok  SS-4-HNUsado para porta de iluminação
Conexão de Tubo Swagelok de Aço Inoxidável, Tee de Ramo Feminino, 1/4 pol. Tubo OD x 1/4 pol. Tubo OD x 1/4 pol. NPT Feminino (x2)Swagelok  SS-400-3-4TTFUsado com transdutor de pressão
Nome no Protocolo: encaixe em T de ramificação Encaixe
Tubo Swagelok de Aço Inoxidável, Conector Macho, 1/4 pol. Tubo OD x 1/4 pol. NPT Macho (x4)Swagelok  SS-400-1-4Usado na porta superior e na porta lateral que leva às válvulas de agulha
Nome no Protocolo: Parafusos NPT
Conexão de Tubo Swagelok de Aço Inoxidável, Conector de Porta, 1/4 pol. Tubo OD (x8)Swagelok  SS-401-PCUse como conexões de tubo entre conexões NTP e válvulas
Nome no Protocolo: conector de porta
encaixeTANK
1/4 OD in. x 20 ft. Bobina de Refrigeração Macia de CobreEverbiltModelo # D 04020PSPara circulação de refrigerante
Nome no Protocolo: Tubo de cobre de 1/4"
Aquário de 10 galõesTetraNome no Protocolo: Tanque de 10 galões
2 oz. WaterweldJ-B WeldModelo # 8277Nome no Protocolo: selante subaquático
3 in. x 25 ft. Isolamento de Tubo de Fibra de Vidro com Revestimento FoilKingModelo # SP42X/16Para envolver em torno de aquário
Nome no Protocolo: fibra de vidro revestida com folha
3/8 7/8 in. Braçadeira de Mangueira de Aço Inoxidável (pacote com 10)EverbiltModelo # 670655ENome no Protocolo: braçadeiras de mangueira de acionamento por verme
IsoporNome no Protocolo: material isolante
FERRAMENTAS
1-1/8 pol. Cortador de Tubo de CatracaHuskyModelo # 86-036-0111
1/2 pol. a 1 pol. Cortador de TubosApolloModelo # 69PTKC001
Chave ajustável (x2)Modelo de núcleo de aço# 31899Precisa de duas chaves com mandíbula de pelo menos 1 "
Conjunto de chaves AllenDepot
FitaNome no Protocolo: fita adesiva
Tubo flexível, como uma linha IV, para caber na extremidade da sonda grainger (cânula)Nome no Protocolo: IV tubo
Grainger Sonda de calibre 18GraingerPara inserir gotículas
Nome no Protocolo: cânula
Graxa de Alto VácuoDow corningAplique aos anéis de vedação antes de inserir a janela de safira
Nome no Protocolo: graxa a vácuo
Klein Tools Professional 90 Graus 4-em-1 Dobrador de TubosKlein ToolsModelo # 89030Nome no Protocolo: dobrador de tubos
Líquido Snoop detector de vazamentoSwagelokMS-SNOOP-8OZPara detectar vazamentos quando pressurizado quando metano
Nome no Protocolo: detector de vazamento de líquido
VentosaHome DepotPara remover janela de safira de encaixe apertado
Nome no Protocolo: ventosa
FitaNome no Protocolo: fita de encanador
Fita Isolante Temflex 3/4 pol. x 60 pés. 1700 Preto3MModelo # 1700-1PK-BB40Nome no protocolo: fita isolante
deionizada plástico de de Frost Home adesiva de Teflon

Referências

  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).

Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.

Reimpressões e permissões

Etiquetas

Formação de Hidrato de MetanoCascas de HidratoCélula de PressãoMorfologia de HidratosImagem em Time-LapseMonitoramento de TemperaturaDissociação de HidratosProteínas AnticongelantesEstabilidade de Hidratos de Gás
Cristalização do hidrato de metano em gotículas de água sessile
Fale conosco
Recomendar à biblioteca

Privacidade

Termos de Uso

Políticas

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Todos os direitos reservados.