Cristalización del hidrato de metano en gotas de agua sésil

Resumen

Describimos un método para formar hidrato de gas en gotas de agua sésil para estudiar los efectos de varios inhibidores, promotores y sustratos en la morfología del cristal de hidrato.

Resumen

Este artículo describe un método para formar conchas de hidrato de metano en gotas de agua. Además, proporciona planos para una celda de presión clasificada a 10 MPa de presión de trabajo, que contiene una etapa para gotas sésiles, una ventana de zafiro para visualización y transductores de temperatura y presión. Se utiliza una bomba de presión conectada a un cilindro de gas metano para presurizar la celda a 5 MPa. El sistema de enfriamiento es un tanque de 10 galones (37.85 L) que contiene una solución de etanol al 50% enfriada a través de etilenglicol a través de bobinas de cobre. Esta configuración permite la observación del cambio de temperatura asociado con la formación y disociación de hidratos durante el enfriamiento y la despresurización, respectivamente, así como la visualización y fotografía de los cambios morfológicos de la gota. Con este método, se observó una rápida formación de conchas de hidrato a ~ -6 ° C a -9 ° C. Durante la despresurización, se observó una caída de temperatura de 0,2 °C a 0,5 °C en la curva de estabilidad presión/temperatura (P/T) debido a la disociación exotérmica de hidratos, confirmada por la observación visual de la fusión al comienzo de la caída de temperatura. El "efecto memoria" se observó después de represurizar a 5 MPa desde 2 MPa. Este diseño experimental permite el monitoreo de la presión, la temperatura y la morfología de la gota a lo largo del tiempo, lo que lo convierte en un método adecuado para probar varios aditivos y sustratos en la morfología del hidrato.

Introducción

Los hidratos de gas son jaulas de moléculas de agua unidas al hidrógeno que atrapan moléculas de gas invitadas a través de las interacciones de van der Waals. Los hidratos de metano se forman en condiciones de alta presión y baja temperatura, que ocurren en la naturaleza en el sedimento subsuperficial a lo largo de los márgenes continentales, bajo el permafrost ártico y en otros cuerpos planetarios en el sistema solar¹. Los hidratos de gas almacenan varios miles de gigatoneladas de carbono, con importantes implicaciones para el clima y la energía². Los hidratos de gas también pueden ser peligrosos en la industria del gas natural porque las condiciones favorables para los hidratos ocurren en los gasoductos, que pueden obstruir las tuberías que conducen a explosiones fatales y derrames de petróleo³.

Debido a la dificultad de estudiar los hidratos de gas in situ,a menudo se emplean experimentos de laboratorio para caracterizar las propiedades de los hidratos y la influencia de los inhibidores y sustratos⁴. Estos experimentos de laboratorio se realizan mediante el cultivo de hidrato de gas a presión elevada en células de diversas formas y tamaños. Los esfuerzos para prevenir la formación de hidratos de gas en los gasoductos han llevado al descubrimiento de varios inhibidores químicos y biológicos de los hidratos de gas, incluidas las proteínas anticongelantes (AFP), surfactantes, aminoácidos y polivinilpirrolidona (PVP)^5,6. Para determinar los efectos de estos compuestos en las propiedades de los hidratos de gas, estos experimentos han empleado diversos diseños de recipientes, incluidos autoclaves, cristalizadores, reactores agitados y células mecedoras, que soportan volúmenes de 0,2 a 10⁶ centímetros cúbicos⁴.

El método de gotas sésiles utilizado aquí y en estudios anteriores^{7,8,9,10,11,12} consiste en formar una película de hidrato de gas en una gota sésil de agua dentro de una celda de presión. Estos recipientes están hechos de acero inoxidable y zafiro para acomodar presiones de hasta 10-20 MPa. La celda está conectada a un cilindro de gas metano. Dos de estos estudios utilizaron el método de gotas para probar las AFP como inhibidores del hidrato de gas en comparación con los inhibidores comerciales del hidrato cinético (KHIs), como la PVP^7,11. Bruusgard et al.⁷ se centraron en la influencia morfológica de los inhibidores y encontraron que las gotas que contienen AFP de tipo I tienen una superficie más lisa y vítrea que la superficie de gotas dendríticas sin inhibidores a altas fuerzas motrices.

Udegbunam et al.¹¹ utilizaron un método desarrollado para evaluar los KHIs en un estudio previo^10,que permite el análisis de los mecanismos de morfología/crecimiento, la temperatura/presión del equilibrio hidrato-líquido-vapor y la cinética en función de la temperatura. Jung et al. estudiaron el reemplazo de CH_4-CO2 inundando la célula con CO₂ después de formar una cáscara de hidrato CH₄ ⁸. Chen et al. observaron la maduración de Ostwald a medida que la cáscara hidratada se forma⁹. Espinoza et al. estudiaron conchas de hidratos de CO₂ sobre diversos sustratos minerales¹². El método de gotas es un método relativamente simple y barato para determinar el efecto morfológico de varios compuestos y sustratos sobre los hidratos de gas y requiere pequeñas cantidades de aditivos debido al pequeño volumen. Este documento describe un método para formar tales conchas de hidrato en una gota de agua utilizando una celda de acero inoxidable con una ventana de zafiro para la visualización, con una presión de trabajo de hasta 10 MPa.

Protocolo

1. Diseñar, validar y mecanizar la celda de presión.

1. Diseñe la célula para permitir la visualización directa de la formación de hidratos a partir de una gota de agua. Asegúrese de que la celda tenga una cámara principal con una ventana de zafiro transparente y cuatro puertos para entrada, salida, luz y cables de fluido / gas(Figura 1). Crear el diseño final en el software de diseño de ingeniería (Figura suplementaria S1).
2. Para comprobar que la celda de presión es segura bajo alta presión de trabajo, realice un análisis de elementos finitos utilizando un software de simulación.
   1. Introduzca el modelo de celda de presión de tamaño completo del software de diseño de ingeniería en el software de simulación.
   2. Asigne un módulo de Young de 400 GPa y una relación de Poisson de 0.29 a la ventana de zafiro.
   3. Para todas las piezas de acero inoxidable, asigne acero inoxidable 316 con un módulo de Young de 190 GPa y una relación de Poisson de 0.27.
   4. Paso a paso, aplique presión de aire de 0 a 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9 y 10 MPa en el interior de la celda(Video suplementario S1 y Video suplementario S2). Trate cada paso de carga como un problema estático ignorando los términos dependientes del tiempo en las ecuaciones de gobierno y considere solo la deformación elástica durante la presurización.
   5. Utilice el solucionador de ecuaciones lineales directas en el software de simulación para calcular la distribución de la tensión y la deformación de la celda bajo diversas condiciones de presión(Tabla suplementaria S1 y Tabla suplementaria S2).
3. Una vez que se verifique que el diseño de la celda de presión es seguro, mecaniza todas las piezas en función del plano del software de diseño de ingeniería.

2. Montar la celda de presión (Figura 1).

1. Atornille las cuatro roscas De National Pipe Tapered (NPT) en los puertos respectivos de la celda de presión con cinta de fontanero.
2. Ensamble el puerto de iluminación utilizando el diseño del plano(Figura suplementaria S1,partes C, D y E) y conéctelo al tornillo NPT superior izquierdo.
3. Conecte el transductor de presión al puerto superior NPT mediante el ajuste de tee de rama y el ajuste del conector de puerto.
4. Conecte la válvula de la aguja de entrada en el tornillo NPT del lado izquierdo mediante un accesorio de conector de puerto.
5. Instale un conector de sello de presión en el puerto del lado derecho de la celda de presión. Inserte tres cables de termopar tipo K a través del conector de sello de presión con 3" de holgura dentro de la celda y 3' de holgura fuera de la celda.
6. Pulir la superficie del escenario con papel de lija(Figura suplementaria S1,Parte F).
7. Inserte los termopares en los orificios respectivos en el escenario para que las puntas estén al ras de la parte superior del escenario. Use una pequeña gota de pegamento en cada orificio para fijar los termopares en su lugar y dejar que se sequen.
8. Coloque el disco acrílico en la pared posterior de la celda de presión para mejorar la reflexión de la luz. Ajuste la etapa en la celda de presión.
9. Instale la ventana de zafiro.
   1. Aplique grasa al vacío a dos juntas tóricas de sellado estático (una de 1" y otra de 1-1/5"). Coloque las origueras tóricas en las ranuras alrededor del orificio de la ventana en la celda de presión.
   2. Inserte la ventana de zafiro. Cubra la ventana de zafiro con una arandela de goma de 2-1/4"y atornille la arandela de acero inoxidable(Figura suplementaria S1,Parte B) utilizando ocho tornillos de acero inoxidable M8(Figura 2C).

3. Ensamble el equipo en una campana de humos grande(Figura 2).

NOTA: Como el metano es un gas inflamable bajo presión, mantenga todos los tubos y recipientes relacionados con el metano alejados del calor, las chispas, las llamas abiertas y las superficies calientes. Configure todo el equipo dentro de un área bien ventilada (por ejemplo, una campana extractora de humos). Ponte gafas de seguridad y bata de laboratorio antes de trabajar con gas metano.

1. Levante cuidadosamente la bomba de presión en una campana extractora de humos lo suficientemente grande como para que quepan todos los equipos (Figura 2A). Coloque el controlador de la bomba en la parte superior de la base de la bomba. Conecte el controlador de la bomba a la bomba y conéctelo a una regleta de alimentación.
2. Ejecute una tubería de cobre de 1/4" con clasificación de alta presión desde el regulador en el cilindro de gas metano hasta la campana de humos junto a la entrada de la bomba de presión(Figura 2A,B).
3. Coloque el registrador de datos junto a la bomba de presión y configure la computadora portátil en el registrador de datos(Figura 2A). Conecte ambos a una regleta de alimentación. Conecte el registrador de datos a la computadora portátil a través del registrador de datos USB.
4. En la computadora portátil, instale el software adecuado para controlar el registrador de datos, la cámara y el transductor de presión en la celda de presión.
5. Coloque el acuario junto al registrador de datos y coloque el acolchado sin lixiviación en el fondo del acuario para limitar las vibraciones a la celda de presión (Figura 2C).
6. Usando una nueva tubería de cobre de 1/4 ", enrolle la tubería de cobre dos veces en un óvalo para que quepa en el acuario, dejando espacio para que la celda de presión se asiente dentro (Figura 2D). Asegúrese de que la bobina no bloquee la ventana de zafiro en la celda de presión. Eleve la celda de presión en el acuario para ver la ventana de zafiro.
7. Coloque el enfriador circulante en el suelo cerca de la campana extractora de humos(Figura 2A). Llene el enfriador con 50/50 v/v etilenglicol/agua.
   NOTA: Como el etilenglicol es peligroso, use ropa de seguridad adecuada, incluidos guantes, bata de laboratorio y gafas cuando vierta.
8. Corte dos longitudes de un tubo de plástico de 3/8 "(diámetro interior) para conectar la entrada y salida del enfriador a los extremos de la tubería de cobre en el acuario. Asegúrese de que haya suficiente holgura para que el aislamiento de la tubería de espuma se ajuste antes de cortar.
9. Deslice el tubo de plástico a través del aislamiento de la tubería de espuma.
10. Conecte el tubo de plástico aislado de la entrada y salida en el enfriador circulante a los extremos de la bobina de cobre dentro del acuario. Asegure los sellos envolviendo la cinta del plomero alrededor de las partes metálicas y apretando las conexiones con abrazaderas de manguera de accionamiento de gusano. Encienda el enfriador y configáelo para que circule a alta velocidad. Asegúrese de que no haya fugas.
11. Aplique sellador submarino alrededor de las conexiones de bobina de cobre / tubo de plástico dentro del acuario. Deje que el sellador se cure. Envuelva el sellador con cinta adhesiva.
12. Instale tubos de bomba de presión (Figura 2E).
    NOTA: Siempre apriete las conexiones a mano antes de usar herramientas y nunca separe las conexiones NPT con la cinta del plomero porque no se volverán a sellar bien.
    1. Instale una tubería de acero inoxidable de 1/8" a cada lado de la bomba de presión con los accesorios de la compañía que venían con la bomba utilizando cinta de plomero (Figura 2F).
    2. Con un doblador de tubo, doble el tubo de 1/8" hacia adelante en un ángulo de 90°, aproximadamente a 2" de distancia de la bomba, para evitar que se doble en la conexión.
    3. Con un doblador de tubos, doble el tubo de 1/8" hacia abajo en un ángulo de 90°, aproximadamente a 2" de distancia de la primera curva.
    4. Conecte el adaptador de 1/8" a 1/4" en la tubería de 1/8" en ambos lados(Figura 2G).
    5. Conecte la tubería de 1/4" a la conexión del adaptador en ambos lados.
       NOTA: Para fijar la válvula al costado de la bomba, recorte el tubo de 1/4 "para que la válvula conectada se asiente junto a los dos orificios de los tornillos.
    6. Instale las válvulas de aguja de 1/4"(Figura 2H). Si coloca válvulas en la bomba de presión, mecanice una placa de acero o plástico con dos orificios de 1/16" para tornillos y un orificio de 1/2" para asegurar entre las conexiones de la válvula de aguja. Inserte la placa entre las conexiones de la válvula y atornille la placa al costado de la bomba.
       NOTA: Asegúrese de que las flechas en las válvulas de la aguja apunten de alta presión (dentro de la bomba de presión) a baja presión (fuera de la bomba de presión).
    7. Conecte un extremo de la manguera flexible de presión nominal de acero inoxidable trenzado de 1/4" a la válvula de salida de la bomba de presión y el otro extremo a la válvula lateral de la celda de presión.
    8. Conecte los termopares de la celda de presión a los canales del registrador de datos utilizando el registrador de datos multicanal. Conecte un cable de termopar adicional para medir la temperatura de la solución del tanque y coloque el otro extremo en el tanque.
    9. Conecte el transductor de presión de la celda de presión a la computadora portátil.
    10. Ajuste la celda de presión dentro del acuario, cerca del frente, para obtener imágenes más claras.
13. Para aislar el acuario, envuelva el exterior del acuario con fibra de vidrio forrada de lámina, con un orificio / hendidura para que la cámara vea la ventana de zafiro de la celda de presión. Cubra la parte superior del acuario con material aislante para evitar la evaporación durante los experimentos.
    NOTA: Evite sellar herméticamente la parte superior del acuario para evitar la acumulación de calor de la fuente de luz.
14. Para evitar la condensación del aire húmedo en la parte frontal del acuario, ejecute tubos de plástico desde la válvula de aire más cercana a la parte frontal del acuario donde apuntará la cámara para que el tubo no sea visible en las fotografías.
15. Configure la unidad de fuente de luz al lado del acuario y conéctela a la regleta de alimentación.
16. Ajuste la cámara frente al acuario, con la lente apuntando hacia la ventana de zafiro. Conecte la cámara al portátil y a la regleta de alimentación.
17. Eleve toda la electrónica de la superficie del capó para evitar posibles daños por fugas. Verifique que la energía esté distribuida para la capacidad de potencia de los tomacorrientes.

4. Pruebe la celda de presión con agua.

NOTA: Para asegurarse de que todas las conexiones se sellaron correctamente, pruebe la celda de presión con agua cada vez que la celda se haya reensamblado, especialmente después de desconectar los tornillos NPT. Esto no es necesario después de quitar la ventana de zafiro o la válvula superior. El agua es más segura bajo presión que el gas.

1. Abra el software del transductor de presión en la computadora portátil y comience a recopilar datos en un intervalo de escaneo de 1 s.
2. Encienda la bomba de presión y el controlador. Presione la bomba A en el controlador de la bomba de presión para controlar la presión.
3. Si hay presión en la bomba, disminuya la presión presionando Recarga en el controlador de la bomba de presión mientras las válvulas de entrada y salida de la bomba aún están cerradas.
4. Con ambas válvulas de celda de presión abiertas, abra la válvula de salida de la bomba ligeramente en ~ 1/16 "para liberar lentamente la presión restante.
5. Si está conectado, desconecte la tubería de cobre de 1/4" de la válvula de entrada de la bomba de presión.
6. Conecte un tubo flexible de 1/4" a la válvula de entrada de la bomba utilizando un juego de tuercas y virolas. Coloque el extremo del tubo en un galón de agua.
7. Cierre la válvula de salida de la bomba y abra la válvula de entrada de la bomba.
8. Presione Recarga en el controlador de la bomba de presión para llenar el pistón de la bomba con agua.
9. Establezca la celda de presión en un recipiente vacío poco profundo fuera del acuario.
10. Purgue el aire de la celda de presión hasta que el agua salga del puerto superior y llene la celda de presión por completo.
    1. Cierre la válvula de entrada de la bomba y abra la válvula de salida de la bomba.
    2. Asegúrese de que las válvulas de la celda de presión sigan abiertas.
    3. Ajuste el caudal máximo (máx.) a 100 ml/min: en el controlador de la bomba de presión, pulse Límites; presione 3 para obtener el flujo máximo; presione 1 para establecer el flujo máximo; ponche en 100; presione Entrar.
    4. Presione D para llegar a la página anterior.
    5. Ajuste el caudal constante a 100 ml/min: en el controlador de la bomba de presión, presione Const Flow; presione A para el caudal; ponche en 100; presione Entrar. Presione Ejecutar.
    6. Si el agua no sale o si el volumen en el pistón es insuficiente, vuelva a llenar el pistón cerrando la válvula de salida de la bomba, abriendo la válvula de entrada de la bomba con tubos en agua y presione Recarga. Luego, purgue el aire cerrando la válvula de entrada de la bomba, abriendo la válvula de salida de la bomba, estableciendo el caudal a 100y presionando Run.
    7. Una vez que el agua salga del puerto superior de la celda de presión, verifique si hay fugas y apriete las conexiones con fugas. Pulse Detener. Cierre la válvula de salida de la celda de presión (superior).
11. Presurizar la celda de presión.
    NOTA: Visto de gafas de seguridad antes de presurizar la celda de presión.
    1. Ajuste el límite de flujo máximo a 10 ml / min para evitar la presurización rápida de la celda: en el controlador de la bomba de presión, presione Límites; presione 3 para obtener el flujo máximo; presione 1 para establecer el flujo máximo; ponche en 10; presione Entrar.
    2. Presurizar la celda a 100 kPa: en el controlador de la bomba de presión, presione Const Press; presione A; ponche en 100; presione Entrar. Presione Ejecutar.
    3. Compruebe si hay fugas. Si hay una fuga, presione Stop en el controlador de la bomba, apriete los componentes con fugas, presione Ejecutary repita hasta que no haya fugas a 100 kPa. Asegúrese de que no haya fugas cerrando la válvula de salida de la bomba y monitoreando la presión de la celda de presión en el software del transductor de presión.
       NOTA: Si la presión disminuye constantemente y no es una fluctuación normal debido a la variación de la temperatura ambiente, hay una fuga.
    4. Aumente la presión en incrementos de 50 kPa de 100 kPa a 500 kPa, luego en incrementos de 100 kPa de 500 kPa a 1,000 kPa, y finalmente en incrementos de ~ 1,000 kPa de 1,000 kPa a ~ 10,000 kPa. Haga esto cambiando la configuración de Const Press como antes. Entre los ajustes de presión, cierre la válvula de salida de la bomba y controle la presión de la celda como antes para asegurarse de que la presión sea constante. Si la presión baja, apriete cuidadosamente los componentes con fugas.
12. Al alcanzar los 10.000 kPa, cierre la válvula de salida de la bomba y observe qué tan bien la celda de presión mantiene la presión de acuerdo con el transductor de presión. Como una caída constante de la presión indica una fuga, apriete las conexiones a una presión más baja, ~ 1,000 kPa.
13. Para despresurizar, abra la válvula de salida de la bomba y ajuste la presión a 100 kPa. Una vez que la presión se estabilice, abra ligeramente la válvula de salida de la celda de presión.
14. Para extraer el agua de la bomba de presión, cierre la válvula de entrada de la bomba, cambie los ajustes de caudal máximo y flujo de const a 100 ml/miny pulse Run hasta que la bomba esté vacía.
15. Desconecte el tubo flexible de 1/4" de la entrada de la bomba. Desconecte la manguera trenzada de acero inoxidable de la celda de presión. Abra ambas válvulas y drene el agua. Retire la ventana de zafiro para permitir que la celda se seque por completo.

5. Formar una cáscara de hidrato de metano en la superficie de la gota.

1. Preparar el equipo.
   1. Conecte el regulador del cilindro de metano a la bomba con la tubería de cobre de 1/4" utilizando un nuevo juego de tuercas y virolas. Asegúrese de que el cilindro de gas esté cerrado.
   2. Practique la técnica de inserción de gotas.
      1. Pegue una punta flexible, como un tubo intravenoso, cortado en ángulo con el extremo de la cánula para ayudar a dirigir la gota hacia la ventana de zafiro. Conecte una jeringa de 1 ml a la cánula y extraiga el volumen deseado de agua desionizada (~ 50-300 μL). Sin la válvula de aguja o la ventana de zafiro conectada, inserte el extremo de la cánula en el puerto superior y practique expulsar la gota al centro del escenario. Después de practicar la inserción de gotas, retire la gota y seque el escenario.
         NOTA: En este protocolo, se tomaron 250 μL de agua desionizada en la jeringa.
   3. Vuelva a colocar la ventana de zafiro y las arandelas con tornillos M8. Conecte la manguera trenzada de acero inoxidable de la bomba de presión a la celda de presión y verifique que todas las conexiones del cilindro de gas a la celda de presión estén apretadas. Abra la válvula de entrada de la celda de presión (válvula lateral) y configure la celda de presión en el acuario. Inserte un cable de fuente de luz de fibra óptica en el puerto de iluminación de la celda de presión.
   4. Agregue etanol / agua 50/50 (v / v) al acuario hasta que esté nivelado con la parte superior de la celda de presión, justo debajo de la conexión de la fuente de luz. Asegúrese de que el flujo de la campana esté encendido. Cuando el nivel de solución caiga antes de futuros ensayos en las siguientes semanas, agregue más etanol. Reemplace la solución mensualmente.
   5. Ajuste el enfriador a la temperatura que alcanzará ~ 0 ° C a 3 ° C dentro de la celda (~ -4 ° C) y comience a circular a través de las bobinas. Encienda el flujo de aire hacia la parte frontal del acuario para evitar la condensación en la superficie del acuario.
   6. Inicie un registro de temperatura en el software del registrador de datos. Establezca el intervalo de escaneo en 30 s. Espere hasta que la temperatura dentro de la celda de presión sea estable a 2 ° C (~ 6-24 h).
2. Agregue una gota de agua en la celda de presión usando la vista de la cámara en la computadora portátil.
   1. Encienda la fuente de luz a ~ 80%. Abra el software de la cámara. En la vista en vivo, enfoca la lente de la cámara en la cámara interna de la célula. Ajuste la fuente de luz para obtener la mejor imagen.
   2. Inicie un nuevo registro de temperatura con un intervalo de escaneo de 1 s.
   3. Si está conectado, desconecte la válvula de la aguja de salida en el puerto superior de la celda de presión. Conecte una jeringa de 1 ml a la cánula y extraiga el volumen deseado de agua desionizada (~ 50-300 μL).
      NOTA: En este protocolo, se extraían 250 μL de agua desionizada en la jeringa.
   4. Inserte la cánula a través del puerto superior hasta que la punta sea visible en el software de la cámara en modo de visualización en vivo. Expulse la gota de líquido de la jeringa sobre el termopar central. Vuelva a colocar la válvula de la aguja.
3. Enfoca la cámara en la gota de la celda de presión. Comience las imágenes de lapso de tiempo cada ~ 60 s.
4. Abra el software del transductor de presión en la computadora portátil y comience a recopilar datos en el gráfico y el registro de datos en un intervalo de escaneo de 1 s (igual que el intervalo de escaneo de temperatura). Espere hasta que la temperatura de la gota sea estable entre 0-3 ° C.
5. Presurice la celda de presión a la presión deseada.
   NOTA: Visto de gafas de seguridad antes de presurizar la célula.
   1. Encienda la bomba y el controlador. Cierre la válvula de entrada de la bomba de presión.
   2. Abra la válvula de salida de la bomba y las válvulas de la celda de presión.
      NOTA: La válvula de entrada de la celda de presión siempre debe estar abierta.
   3. Tarar la presión de la bomba presionando Cero en el controlador de la bomba de presión. Seleccione Bomba A en el controlador de la bomba de presión para supervisar la presión.
   4. Asegúrese de que la bomba de presión esté vacía si un fluido diferente al gas metano estaba presente en la bomba. Para ello, ajuste el flujo máximo y el flujo de const a 100 ml/min y pulsando Ejecutar. Déjelo en funcionamiento hasta que la bomba esté vacía. Cierre la válvula de salida de la bomba y abra la válvula de entrada de la bomba.
   5. Abra el cilindro de gas y configure el regulador del cilindro de gas a 1.000 kPa.
   6. Presione Recarga en el controlador de la bomba de presión. Cuando la bomba esté llena y cerca de 1.000 kPa, cierre la válvula de entrada de la bomba y el cilindro de gas.
   7. Ligeramente abierta (~1/16") la válvula de salida de la bomba a la celda. Monitoree la presión de la celda de presión en el software del transductor de presión, ya que la presión puede disminuir debido a la temperatura relativamente más baja en la celda de presión.
   8. Ajuste el caudal máximo a 10 ml/min:en el controlador de la bomba de presión, pulse Límites; presione 3 para obtener el flujo máximo; presione 1 para establecer el flujo máximo; ponche en 10; presione Entrar.
   9. Ajuste la presión máxima a 5.000 kPa:en el controlador de la bomba de presión, presione Límites; presione 1; ponche en 5000; presione Entrar.
   10. Ajuste la presión constante a 1.000 kPa:en el controlador de la bomba de presión, presione Const Press; presione A; ponche en 1000; presione Entrar. Presione Ejecutar.
   11. Cuando se alcancen los 1.000 kPa, pulse Stop en el controlador de la bomba y cierre la válvula de salida de la bomba. Controle la presión en la celda de presión para asegurarse de que no haya fugas. Si la presión baja, use el detector de fugas de líquido para encontrar la fuga en las conexiones y apriete cuidadosamente los componentes con fugas.
   12. Si la celda es estable, abra la salida de la bomba y configure la Prensa Const a 2.000 kPa. Pulse Detener y supervisar. Si es estable a 2.000 kPa, establezca Const Press en 3.000 kPa. Pulse Detener y supervisar. Si es estable a 3.000 kPa, establezca Const Press en 4.000 kPa. Pulse Detener y supervisar. Si es estable a 4.000 kPa, establezca Const Press en 5.000 kPa. Pulse Detener y supervisar.
   13. Si la presión es estable, cierre la salida de la bomba.
       NOTA: Si el volumen de la bomba se agota, cierre la salida de la bomba y abra ligeramente la entrada de la bomba. Abra lentamente el cilindro de gas y configure el regulador de gas a 1.000 kPa. Presione Recarga en el controlador de la bomba. Cuando se vuelva a llenar la bomba, cierre el cilindro de gas y la entrada de la bomba. Presurice la bomba para que coincida con la presión de la celda de presión.
   14. Espere ~ 12-24 h para que el gas impregne la gota.
6. Nuclear la cáscara de hidrato con hielo seco.
   1. Cambie el lapso de tiempo para tomar imágenes cada 2-5 s.
   2. Agregue hielo seco a la parte superior de la célula hasta que la cáscara de hidrato se vea en lapso de tiempo. Si el hielo seco se desliza, coloque cinta adhesiva alrededor de la parte superior de la celda.
7. Observe el progreso de la formación de hidrato de metano a través de fotos de lapso de tiempo durante ~ 2-6 h.
8. Despresurice la celda a 2.000 kPa abriendo la salida de la bomba y configurando la Prensa Const a 2.000 kPa. Tenga en cuenta cuando se produce la fusión.
   NOTA: El burbujeo en la gota sésil puede ocurrir debido al escape del gas disuelto.
9. Después de ~ 30 min, vuelva a presurizar la celda de presión a 5,000 kPa para observar el efecto de memoria. Tenga en cuenta cuando una cáscara de hidrato comienza a reformarse. Deje que la cáscara se forme durante ~ 30 minutos a 2 h.
10. Despresurice la celda abriendo la salida de la bomba y ajuste la prensa Const a 0 kPa. Si hay presión residual en la celda de presión, abra ligeramente la válvula superior de la celda de presión en ~ 1/16 ".
11. Guarde los datos de presión y temperatura como archivos .csv.
12. Retire la gota retirando la válvula de la celda de presión superior como antes y extrayendo la gota con la jeringa/cánula/tubo IV. Si hay una preocupación por la contaminación entre los ensayos, retire la ventana de zafiro y desinfecte el escenario y reemplace la grasa al vacío. Use una ventosa para quitar la ventana de zafiro una vez que la celda de presión se haya calentado a temperatura ambiente.

6. Analizar los datos.

1. Abra los archivos de temperatura y presión .csv.
2. Haz una nueva hoja de cálculo. Copie las columnas de tiempo y presión del .csv de presión y el tiempo y la temperatura del archivo de .csv de temperatura en la nueva hoja de cálculo.
3. Realice un diagrama de dispersión con tiempo en el eje x y dos ejes y con temperatura y presión (Figura suplementaria S2).
4. Haga dos columnas más para la curva de estabilidad del hidrato. En la primera columna, ingrese las temperaturas de 273.15 K a ~ 279.15 K a intervalos de 0.1 K. En la segunda columna, calcule la presión utilizando la fórmula (1) de Sloan & Koh^13.
   P [kPa] = exp(a+b/T [K]) donde a = 38,98 y b = -8533,80 (1)
5. Haga un diagrama de dispersión del límite de estabilidad del hidrato, con temperatura (K) en el eje x y presión (kPa) en el eje y. Agregue una segunda serie en el diagrama de dispersión con temperatura experimental y presión en los ejes x e y, respectivamente (Figura 4).
6. Nota en los gráficos donde una cáscara de hidrato se hizo visible, de acuerdo con la imagen de lapso de tiempo.

7. Mantener el equipo.

1. Cubra la solución del tanque con etanol antes de cada prueba para reemplazar el etanol evaporado. Reemplace completamente la solución del tanque mensualmente.
2. Cambie las juntas tóricas y la lavadora de goma cada 2 meses de uso regular.
3. Reemplace las conexiones de puerto si se producen fugas persistentes que no se solucionan mediante el apriete.

Resultados

Con este método, una cáscara de hidrato de gas en una gota se puede monitorear visualmente a través de una ventana de zafiro de la celda de presión y a través de transductores de temperatura y presión. Para nuclear la cáscara del hidrato después de presurizar a 5 MPa, se puede agregar hielo seco a la parte superior de la celda de presión para inducir un choque térmico que desencadene una rápida cristalización del hidrato. Hay una clara diferencia morfológica en la formación de conchas de hidratos forzados p...

Discusión

Hemos desarrollado un método para formar capas de hidrato de metano en gotas de agua sésil de forma segura y compartimos este método para mecanizar y ensamblar una celda de presión clasificada a 10 MPa de presión de trabajo, así como los sistemas de presurización y enfriamiento. La celda de presión está equipada con una etapa para la gota que contiene termopares incrustados, una ventana de zafiro para visualizar la gota y un transductor de presión fijado a la parte superior de la celda. El sistema de enfriamien...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
CAMERA AND LAPTOP
Camera Body	Nikon	D7200	Name in Protocol: camera
Camera Control Pro 2 Software	Nikon		Name in Protocol: camera software
Laptop	HP Pavilion	hp-pavilion-laptop-14-ce0068st	Needs to be PC with plenty of storage (~ 1 Tb) Name in Protocol: laptop
Macrophotography Lens	Nikon	AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Lens	Name in Protocol: lens
CONSUMABLES
Deionized water			Name in Protocol: DI water
Dry Ice	VWR or grocery store		Buy just before nucleation Name in Protocol: dry ice
Ethanol			Name in Protocol: ethanol
Ethylene Glycol			Name in Protocol: ethylene glycol
COOLING SYSTEM
1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 25 ft. Polyethylene Tubing	Everbilt	Model # 301844	For circulating coolant from chiller to copper coils in aquarium Name in Protocol: 3/8” (inner diameter) plastic tubing
Circulating chiller	Polyscience		Name in Protocol: chiller
Economical Flexible Polyethylene Foam Pipe Insulation	McMaster-Carr	4530K162	3/4" thick wall; 1/2" inner diameter; R Value 3; 6' long Name in Protocol: foam pipe insulation
Plastic tubing			use any tubing that fits the airline connection in the lab and long enough to travel from the airline connection to the front of the aquarium
DATALOGGER
Armature Multiplexer Module for 34970A/ 34972A, 20-Channel	Keysight Technologies	34901A	Name in Protocol: datalogger multichannel
Benchvue or Benchlink software	Benchvue or Benchlink		Name in Protocol: temperature transducer software
Data Acquisition/Switch Unit. GPIB, RS232	Keysight Technologies	34970A	Name in Protocol: datalogger
USB/GPIB interface	Keysight Technologies	82357B	Name in Protocol: datalogger USB
datalogger multichannel
Schott Fostec -Llc 20510 Ace Fiber Optic Light Source	Schott Fostec	A20500	3115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W Name in Protocol: light source unit
Schott Fostec light source guide - single bundle	Schott Fostec	A08031.40	Name in Protocol: fiber optic light source cable
METHANE GAS AND REGULATOR
1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil	Everbilt	Model # D 04020PS	For pressurizing ISCO pressure pump. An additional pack is needed for coolant circulation, as listed below. Name in Protocol: high pressure-rated 1/4” copper pipe
Methane cylinder regulator	Airgas	Y11N114G350-AG	Name in Protocol: methane cylinder regulator
Methane gas cylinder	Airgas	ME UHP300	Name in Protocol: methane gas cylinder
PRESSURE PUMP
1/4 in.  flexible tubing, ~ 3 ft.			Connect to pump inlet for leak test Name in Protocol: 1/4"  flexible tubing
260D Syringe Pump W/Controller	Teledyne Instruments Inc.	67-1240-520	Name in Protocol: pressure pump
Controller − Ethernet/USB	Teledyne Instruments Inc.	62-1240-114	Purchase if you would like to install Labview onto computer and control pressure pump remotely. We did not do this.
Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/4" OD, 0.035" Wall Thickness, 1 Foot Long (x5)	McMaster-Carr	89785K824	Name in Protocol: 1/4" pipe
Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/8" OD, 0.02" Wall Thickness, 1 Foot Long (x4)	McMaster-Carr	89785K811	Name in Protocol: 1/8" pipe
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Reducing Union, 1/4 in. x 1/8 in. Tube OD (x4)	Swagelok	SS-400-6-2	Name in Protocol: 1/8” to 1/4” adapter
PRESSURE CELL
316 Stainless Steel Nut and Ferrule Set (1 Nut/1 Front Ferrule/1 Back Ferrule) for 1/4 in. Tube Fitting (20)	Swagelok	SS-400-NFSET	Used for fitting connections where necessary Name in Protocol: ferrule set
316L Stainless Steel Convoluted (FM) Hose, 1/4 in., 316L Stainless Steel Braid, 1/4 in. Tube Adapters, 60 in. (1.5 m) Length	Swagelok	SS-FM4TA4TA4-60	Connects pressure pump to pressure cell Name in Protocol: 1/4" braided stainless steel flexible pressure-rated hose
ABAQUS	ABAQUS FEA		Name in Protocol: simulation software
Abrasion-Resistant Cushioning Washer for 7/8" Screw Size, 0.875" ID, 2.25" OD, packs of 10 (x1)	McMaster-Carr	90131A107	Name in Protocol: 2.25" rubber washer
Abrasion-Resistant Sealing Washer, Aramid Fabric/Buna-N Rubber, 3/8" Screw Size, 0.625" OD, packs of 10 (x1)	McMaster-Carr	93303A105	Used for illumination port
Acrylic Sheet | White 2447 / WRT31 Extruded Paper-Masked (Translucent 55% (0.118 x 12 x 12)	Interstate Plastics	ACRW7EPSH	Machine a circle of acrylic to fit in the inner chamber of the pressure cell to serve as the background for imaging Name in Protocol: acrylic disc
AutoCAD	AutoCAD		Name in Protocol: engineering design software
Conax fitting	Conax Technologies	311401-011	TG(PTM2/)-24-A6-T, OPTIONAL 1/4" NPT Name in Protocol: pressure seal connector
High Accuracy Oil Filled Pressure Transducers/Transmitters for General industrial applications (x2)	Omega Engineering, Inc.	PX409-3.5KGUSBH	Buy two so there is a backup. Name in Protocol: pressure transducer
HIGH PRESSURE CHAMBER  PARTS	Wither Tool, Die and Manufacturing Company		Machining for pressure cell parts as listed in CAD drawings (Figure S1) Name in Protocol: Part B = stainless steel washer
High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M5 x 0.80 mm Thread, 14 mm Long (x20)	McMaster-Carr	90037A119	Used for illumination port
High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M8 x 1.25 mm Thread, 25 mm Long (x20)	McMaster-Carr	90037A133	Name in Protocol: M8 stainless steel screws
Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 120, packs of 50 (x1)	McMaster-Carr	5308T178	Name in Protocol: 1" o-ring
Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 128, packs of 50 (x1)	McMaster-Carr	5308T186	Name in Protocol: 1.5" o-ring
Omega Inc. pressure transducer software	Omega Engineering, Inc.		Name in Protocol: pressure transducer software
Polycarbonate Disc	McMaster-Carr	8571K31	Listed in CAD drawings for illumination port, Fig. S1 Part E
Sapphire windows (x3)	Guild Optical Associates, Inc.	Optical Grade Sapphire Window, C-Plane Diameter: 1.811” ±.005” Thickness: .590” ±.005” Surface Quality: 60/40 Edges ground and safety chamfered	Buy three so there are two backups. Name in Protocol: sapphire window
Solid Thermocouple Wire FEP Insulation and Jacket, Type K, 24 Gauge, 50 ft. Length (x1)	McMaster-Carr	3870K32	Name in Protocol: thermocouples
Stainless Steel Integral Bonnet Needle Valve, 0.37 Cv, 1/4 in. Swagelok Tube Fitting, Regulating Stem (x4)	Swagelok	SS-1RS4	Two will be used for the pressure pump as well. Name in Protocol: 1/4" needle valves
Stainless Steel Pipe Fitting, Hex Nipple, 1/4 in. Male NPT (x2)	Swagelok	SS-4-HN	Used for illumination port
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Female Branch Tee, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Female NPT (x2)	Swagelok	SS-400-3-4TTF	Used with pressure transducer Name in Protocol: branch tee fitting
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Male Connector, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Male NPT (x4)	Swagelok	SS-400-1-4	Used on top port and side port leading to needle valves Name in Protocol: NPT screws
Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Port Connector, 1/4 in. Tube OD (x8)	Swagelok	SS-401-PC	Use as tube connections between NTP and valve connections Name in Protocol: port connector fitting
TANK
1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil	Everbilt	Model # D 04020PS	For circulating coolant Name in Protocol: 1/4" copper pipe
10 gallon aquarium	Tetra		Name in Protocol: 10 gallon tank
2 oz. Waterweld	J-B Weld	Model # 8277	Name in Protocol: underwater sealant
3 in. x 25 ft. Foil Backed Fiberglass Pipe Wrap Insulation	Frost King	Model # SP42X/16	For wrapping around aquarium Name in Protocol: foil-lined fiberglass
3/8 7/8 in. Stainless Steel Hose Clamp (10 pack)	Everbilt	Model # 670655E	Name in Protocol: worm drive hose clamps
Styrofoam			Name in Protocol: insulating material
TOOLS
1-1/8 in. Ratcheting Tube Cutter	Husky	Model # 86-036-0111
1/2 in. to 1 in. Pipe Cutter	Apollo	Model # 69PTKC001
Adjustable wrench (x2)	Steel Core	Model # 31899	Need two wrenches with jaw at least 1"
Allen wrench set	Home Depot
Duct tape			Name in Protocol: duct tape
Flexible tubing, like an IV line, to fit on the end of grainger probe (canula)			Name in Protocol: IV tube
Grainger 18 gauge probe	Grainger		For inserting droplet Name in Protocol: cannula
High Vacuum Grease	Dow corning		Apply to o-rings before inserting sapphire window Name in Protocol: vacuum grease
Klein Tools Professional 90 Degree 4-in-1 Tube Bender	Klein Tools	Model # 89030	Name in Protocol: tube bender
Snoop liquid leak detector	Swagelok	MS-SNOOP-8OZ	To detect leaks when pressurized when methane Name in Protocol: liquid leak detector
Suction cup	Home Depot		For removing tight fitting sapphire window Name in Protocol: suction cup
Teflon Tape			Name in Protocol: plumber's tape
Temflex 3/4 in. x 60 ft. 1700 Electrical Tape Black	3M	Model # 1700-1PK-BB40	Name in Protocol: electrical tape