Cristallizzazione dell'idrato di metano su goccioline d'acqua sessili

Riepilogo

Descriviamo un metodo per formare idrato di gas su goccioline d'acqua sessili per studiare gli effetti di vari inibitori, promotori e substrati sulla morfologia del cristallo idrato.

Abstract

Questo documento descrive un metodo per formare gusci di idrato di metano su goccioline d'acqua. Inoltre, fornisce progetti per una cella di pressione con una pressione nominale di 10 MPa, contenente uno stadio per goccioline sessili, una finestra di zaffiro per la visualizzazione e trasduttori di temperatura e pressione. Una pompa a pressione collegata a una bombola di gas metano viene utilizzata per pressurizzare la cella a 5 MPa. Il sistema di raffreddamento è un serbatoio da 10 galloni (37,85 L) contenente una soluzione di etanolo al 50% raffreddata tramite glicole etilenico attraverso bobine di rame. Questa configurazione consente l'osservazione del cambiamento di temperatura associato alla formazione di idrati e alla dissociazione durante il raffreddamento e la depressurizzazione, rispettivamente, nonché la visualizzazione e la fotografia dei cambiamenti morfologici della goccia. Con questo metodo, è stata osservata una rapida formazione di guscio idrato a ~ -6 ° C a -9 ° C. Durante la depressurizzazione, è stato osservato un calo di temperatura da 0,2 °C a 0,5 °C alla curva di stabilità pressione/temperatura (P/T) a causa della dissociazione esotermica dell'idrato, confermata dall'osservazione visiva della fusione all'inizio della caduta di temperatura. L'"effetto memoria" è stato osservato dopo la repressurizzazione a 5 MPa da 2 MPa. Questo disegno sperimentale consente il monitoraggio della pressione, della temperatura e della morfologia della goccia nel tempo, rendendolo un metodo adatto per testare vari additivi e substrati sulla morfologia dell'idrato.

Introduzione

Gli idrati di gas sono gabbie di molecole d'acqua legate all'idrogeno che intrappolano le molecole di gas ospite attraverso le interazioni di van der Waals. Gli idrati di metano si formano in condizioni di alta pressione e bassa temperatura, che si verificano in natura nei sedimenti del sottosuolo lungo i margini continentali, sotto il permafrost artico e su altri corpi planetari nel sistema solare¹. Gli idrati di gas immagazzinano diverse migliaia di gigatonnellate di carbonio, con importanti implicazioni per il clima e l'energia². Gli idrati di gas possono anche essere pericolosi nell'industria del gas naturale perché condizioni favorevoli per gli idrati si verificano nei gasdotti, che possono ostruire i tubi portando a esplosioni fatali e fuoriuscite di petrolio³.

A causa della difficoltà di studiare gli idrati di gas in situ,gli esperimenti di laboratorio sono spesso impiegati per caratterizzare le proprietà degli idrati e l'influenza di inibitori e substrati⁴. Questi esperimenti di laboratorio vengono eseguiti coltivando idrato di gas a pressione elevata in celle di varie forme e dimensioni. Gli sforzi per prevenire la formazione di idrati di gas nei gasdotti hanno portato alla scoperta di diversi inibitori chimici e biologici degli idrati di gas, tra cui proteine antigelo (AFP), tensioattivi, amminoacidi e polivinilpirrolidone (PVP)^5,6. Per determinare gli effetti di questi composti sulle proprietà dell'idrato di gas, questi esperimenti hanno impiegato diversi progetti di vasi, tra cui autoclavi, cristallizzatori, reattori agitati e celle a dondolo, che supportano volumi da 0,2 a^{10 6} centimetri cubici⁴.

Il metodo delle goccioline sessili utilizzato qui e in studi precedenti^7,8,9^,10,11,12 comporta la formazione di un film di idrato di gas su una goccia sessile di acqua all'interno di una cella di pressione. Questi recipienti sono realizzati in acciaio inossidabile e zaffiro per adattarsi a pressioni fino a 10-20 MPa. La cella è collegata a una bombola di gas metano. Due di questi studi hanno utilizzato il metodo delle goccioline per testare gli AFP come inibitori degli idrati di gas rispetto agli inibitori cinetici commerciali degli idrati (KHI), come PVP^7,11. Bruusgard et al.⁷ si sono concentrati sull'influenza morfologica degli inibitori e hanno scoperto che le goccioline contenenti AFP di tipo I hanno una superficie più liscia e vetrosa rispetto alla superficie delle goccioline dendritiche senza inibitori ad alte forze motrici.

Udegbunam et al.¹¹ hanno utilizzato un metodo sviluppato per valutare i KHI in un precedente studio^10,che consente l'analisi della morfologia / meccanismi di crescita, della temperatura / pressione di equilibrio idrato-liquido-vapore e della cinetica in funzione della temperatura. Jung et al. hanno studiato la sostituzione di CH₄-CO₂ inondando la cellula con CO₂ dopo aver formato un guscio idrato CH₄ ⁸. Chen et al. hanno osservato ostwald maturare mentre il guscio idrato si forma⁹. Espinoza et al. hanno studiato i gusci idrati di CO₂ su vari substrati minerali¹². Il metodo delle goccioline è un metodo relativamente semplice ed economico per determinare l'effetto morfologico di vari composti e substrati sugli idrati di gas e richiede piccole quantità di additivi a causa del piccolo volume. Questo documento descrive un metodo per formare tali gusci idrati su una goccia d'acqua utilizzando una cella in acciaio inossidabile con una finestra di zaffiro per la visualizzazione, valutata fino a 10 MPa di pressione di esercizio.

Protocollo

1. Progettare, convalidare e lavorare la cella di pressione.

1. Progettare la cellula per consentire la visualizzazione diretta della formazione di idrato da una goccia d'acqua. Assicurarsi che la cella abbia una camera principale con una finestra in zaffiro trasparente e quattro porte per l'ingresso, l'uscita, la luce e i fili del fluido/gas (Figura 1). Creare il progetto finale nel software di progettazione ingegneristica (Figura supplementare S1).
2. Per verificare che la cella di pressione sia sicura sotto alta pressione di lavoro, condurre un'analisi agli elementi finiti utilizzando un software di simulazione.
   1. Immettere il modello di cella di pressione a grandezza naturale dal software di progettazione ingegneristica nel software di simulazione.
   2. Assegna un modulo di Young di 400 GPa e un rapporto di Poisson di 0,29 alla finestra di zaffiro.
   3. Per tutte le parti in acciaio inossidabile, assegnare l'acciaio inossidabile 316 con un modulo di Young di 190 GPa e il rapporto di Poisson di 0,27.
   4. In modo graduale, applicare la pressione dell'aria da 0 a 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9 e 10 MPa all'interno della cella (Video supplementare S1 e Video supplementare S2). Trattare ogni fase di caricamento come un problema statico ignorando i termini dipendenti dal tempo nelle equazioni di governo e considerare solo la deformazione elastica durante la pressurizzazione.
   5. Utilizzare il risolutore di equazioni lineari dirette nel software di simulazione per calcolare la distribuzione delle sollecitazioni e la deformazione della cella in varie condizioni di pressione (Tabella supplementare S1 e Tabella supplementare S2).
3. Una volta verificato che il design della cella di pressione è sicuro, fai lavorare tutte le parti in base al progetto del software di progettazione ingegneristica.

2. Assemblare la cella di pressione (Figura 1).

1. Avvitare le quattro filettature NPT (National Pipe Tapered) nelle rispettive porte della cella di pressione con nastro adesivo.
2. Assemblare la porta di illuminazione utilizzando il design del progetto(Figura supplementare S1,parti C, D ed E) e collegarsi alla vite NPT in alto a sinistra.
3. Collegare il trasduttore di pressione alla porta superiore NPT utilizzando il raccordo a T di diramazione e il raccordo del connettore della porta.
4. Collegare la valvola a spillo di ingresso nella vite NPT sul lato sinistro utilizzando un raccordo per connettore di porta.
5. Installare un connettore di tenuta a pressione nella porta sul lato destro della cella di pressione. Inserire tre fili di termocoppia di tipo K attraverso il connettore della tenuta a pressione con 3 "di allentamento all'interno della cella e 3' di allentamento all'esterno della cella.
6. Lucidare la superficie del palco con carta vetrata( Figura supplementare S1, Parte F).
7. Inserire le termocoppie nei rispettivi fori dello stadio in modo che le punte siano a filo con la parte superiore dello stadio. Utilizzare una piccola goccia di colla in ogni foro per fissare le termocoppie in posizione e lasciarle asciugare.
8. Montare il disco acrilico sulla parete posteriore della cella di pressione per migliorare la riflessione della luce. Montare il palco nella cella di pressione.
9. Installare la finestra zaffiro.
   1. Applicare grasso sottovuoto su due O-ring a tenuta statica (uno da 1" e uno da 1-1/5"). Inserire gli O-ring nelle scanalature attorno al foro della finestra sulla cella di pressione.
   2. Inserire la finestra zaffiro. Coprire la finestra in zaffiro con una rondella in gomma da 2-1/4 " e una vite sulla rondella in acciaio inossidabile (Figura supplementare S1, Parte B) utilizzando otto viti in acciaio inossidabile M8 (Figura 2C).

3. Assemblare l'apparecchiatura in una grande cappa aspirante (Figura 2).

NOTA: poiché il metano è un gas infiammabile sotto pressione, tenere tutti i tubi e i recipienti correlati al metano lontano da calore, scintille, fiamme libere e superfici calde. Impostare tutte le apparecchiature all'interno di un'area ben ventilata (ad esempio, una cappa aspirante). Indossa occhiali di sicurezza e camice da laboratorio prima di lavorare con gas metano.

1. Sollevare con attenzione la pompa a pressione in una cappa aspirante abbastanza grande da consentire a tutte le apparecchiature di adattarsi (Figura 2A). Posizionare il controller della pompa sulla parte superiore della base della pompa. Collegare il controller della pompa alla pompa e collegarlo a una ciabatta.
2. Far funzionare un tubo di rame da 1/4" ad alta pressione dal regolatore sulla bombola del gas metano alla cappa aspirante accanto all'ingresso della pompa a pressione (Figura 2A,B).
3. Posizionare il data logger accanto alla pompa a pressione e impostare il laptop sul data logger (Figura 2A). Collegare entrambi a una ciabatta. Collegare il data logger al laptop tramite il data logger USB.
4. Sul laptop, installare il software appropriato per controllare il data logger, la telecamera e il trasduttore di pressione sulla cella di pressione.
5. Posizionare l'acquario accanto al data logger e posizionare l'imbottitura non lisciviciata sul fondo dell'acquario per limitare le vibrazioni alla cella di pressione (Figura 2C).
6. Utilizzando un nuovo tubo di rame da 1/4 ", avvolgere il tubo di rame due volte in un ovale per adattarsi all'acquario, lasciando spazio alla cella di pressione per sedersi all'interno (Figura 2D). Assicurarsi che la bobina non blocchi la finestra di zaffiro nella cella di pressione. Elevare la cella di pressione nell'acquario per visualizzare la finestra di zaffiro.
7. Posizionare il refrigeratore circolante sul pavimento vicino alla cappa aspirante (Figura 2A). Riempire il refrigeratore con glicole etilenico/acqua 50/50 v/v.
   NOTA: poiché il glicole etilenico è pericoloso, utilizzare un abbigliamento di sicurezza appropriato, inclusi guanti, camice da laboratorio e occhiali durante il versamento.
8. Tagliare due lunghezze di un tubo di plastica da 3/8 "(diametro interno) per collegare l'ingresso e l'uscita del refrigeratore alle estremità del tubo di rame nell'acquario. Assicurarsi che ci sia abbastanza allentamento per l'isolamento del tubo di schiuma da adattare prima del taglio.
9. Far scorrere il tubo di plastica attraverso l'isolamento del tubo di schiuma.
10. Collegare il tubo di plastica isolato dall'ingresso e dall'uscita sul refrigeratore circolante alle estremità della bobina di rame all'interno dell'acquario. Fissare le guarnizioni avvolgendo il nastro dell'idraulico attorno alle parti metalliche e stringendo le connessioni con morsetti per tubi a vite senza fine. Accendere il refrigeratore e impostarlo in modo che circoli ad alta velocità. Assicurati che non ci siano perdite.
11. Applicare il sigillante subacqueo attorno alle connessioni della bobina di rame / tubo di plastica all'interno dell'acquario. Lasciare che il sigillante si polimerizza. Avvolgere il sigillante con nastro adesivo.
12. Installare i tubi della pompa a pressione (Figura 2E).
    NOTA: stringere sempre le connessioni a mano prima di utilizzare gli utensili e non staccare mai le connessioni NPT con il nastro adesivo perché non si ri-sigillano bene.
    1. Installare un tubo in acciaio inossidabile da 1/8 "su entrambi i lati della pompa a pressione con i raccordi aziendali fornito con la pompa utilizzando il nastro idraulico (Figura 2F).
    2. Con una curvatubi, piegare il tubo da 1/8" in avanti con un angolo di 90°, a circa 2" di distanza dalla pompa, per evitare di piegarsi alla connessione.
    3. Con una curvatubi, piegare il tubo da 1/8" verso il basso con un angolo di 90°, a circa 2" di distanza dalla prima curva.
    4. Collegare il raccordo adattatore da 1/8" a 1/4" al tubo da 1/8" su entrambi i lati (Figura 2G).
    5. Collegare il tubo da 1/4 "al raccordo adattatore su entrambi i lati.
       NOTA: per fissare la valvola sul lato della pompa, tagliare il tubo da 1/4 "in modo che la valvola collegata si sieda accanto ai due fori della vite.
    6. Installare le valvole a spillo da 1/4" (Figura 2H). Se si fissano valvole alla pompa di pressione, lavorare una piastra in acciaio o plastica con due fori da 1/16 "per viti e un foro da 1/2" per fissare tra i collegamenti delle valvole a spillo. Inserire la piastra tra i collegamenti della valvola e avvitare la piastra sul lato della pompa.
       NOTA: Assicurarsi che le frecce sulle valvole a spillo puntino dall'alta pressione (all'interno della pompa a pressione) alla bassa pressione (all'esterno della pompa a pressione).
    7. Collegare un'estremità del tubo flessibile in acciaio inossidabile intrecciato da 1/4 "alla valvola di uscita sulla pompa di pressione e l'altra estremità alla valvola laterale della cella di pressione.
    8. Collegare termocoppie dalla cella di pressione ai canali del data logger utilizzando il data logger multicanale. Collegare un filo termocoppia aggiuntivo per misurare la temperatura della soluzione del serbatoio e inserire l'altra estremità nel serbatoio.
    9. Collegare il trasduttore di pressione sulla cella di pressione al laptop.
    10. Impostare la cella di pressione all'interno dell'acquario, vicino alla parte anteriore, per un'immagine più chiara.
13. Per isolare l'acquario, avvolgere l'esterno dell'acquario con fibra di vetro rivestita in lamina, con un foro / fessura per la telecamera per visualizzare la finestra di zaffiro della cella di pressione. Coprire la parte superiore dell'acquario con materiale isolante per evitare l'evaporazione durante gli esperimenti.
    NOTA: Evitare di sigillare ermeticamente la parte superiore dell'acquario per evitare l'accumulo di calore dalla fonte di luce.
14. Per evitare la condensazione dell'aria umida sulla parte anteriore dell'acquario, eseguire tubi di plastica dalla valvola dell'aria più vicina alla parte anteriore dell'acquario dove la fotocamera punterà in modo che il tubo non sia visibile nelle fotografie.
15. Impostare l'unità sorgente luminosa accanto all'acquario e collegarla alla ciabatta.
16. Impostare la fotocamera di fronte all'acquario, con l'obiettivo rivolto verso la finestra di zaffiro. Collegare la fotocamera al laptop e alla ciabatta.
17. Sollevare tutta l'elettronica dalla superficie della cappa per prevenire potenziali danni da perdite. Ricontrolla che l'alimentazione sia distribuita per la capacità di alimentazione delle prese.

4. Test di tenuta della cella di pressione con acqua.

NOTA: per garantire che tutte le connessioni siano state sigillate correttamente, eseguire il test di tenuta della cella di pressione con acqua ogni volta che la cella è stata riassemblata, specialmente dopo aver scollegato le viti NPT. Questo non è necessario dopo aver rimosso la finestra di zaffiro o la valvola superiore. L'acqua è più sicura sotto pressione rispetto al gas.

1. Aprire il software del trasduttore di pressione sul laptop e iniziare a raccogliere dati a un intervallo di scansione di 1 s.
2. Accendere la pompa a pressione e il controller. Premere la pompa A sul regolatore della pompa di pressione per monitorare la pressione.
3. Se c'è pressione nella pompa, diminuire la pressione premendo Ricarica sul controller della pompa di pressione mentre entrambe le valvole di ingresso e di uscita della pompa sono ancora chiuse.
4. Con entrambe le valvole a cella di pressione aperte, aprire leggermente la valvola di uscita della pompa di ~ 1/16 "per rilasciare lentamente la pressione rimanente.
5. Se collegato, scollegare il tubo di rame da 1/4 " dalla valvola di ingresso sulla pompa a pressione.
6. Collegare tubi flessibili da 1/4 "alla valvola di ingresso della pompa utilizzando un set di dadi e ghiera. Posizionare l'estremità del tubo in un litro d'acqua.
7. Chiudere la valvola di uscita della pompa e aprire la valvola di ingresso della pompa.
8. Premere Refill sul controller della pompa di pressione per riempire il pistone della pompa con acqua.
9. Impostare la cella di pressione in un contenitore vuoto poco profondo all'esterno dell'acquario.
10. Spurgare l'aria dalla cella di pressione fino a quando l'acqua non esce dalla porta superiore e riempie completamente la cella di pressione.
    1. Chiudere la valvola di ingresso della pompa e aprire la valvola di uscita della pompa.
    2. Assicurarsi che le valvole sulla cella di pressione siano ancora aperte.
    3. Impostare la portata massima (massima) a 100 ml/min: sul regolatore della pompa di pressione, premere Limiti; premere 3 per il flusso massimo; premere 1 per impostare il flusso massimo; pugno in 100; premere Invio.
    4. Premere D per raggiungere la pagina precedente.
    5. Impostare la portata costante a 100 mL/min: sul regolatore della pompa di pressione, premere Const Flow; premere A per la portata; pugno in 100; premere Invio. Premere Esegui.
    6. Se l'acqua non esce o se il volume nel pistone è insufficiente, riempire nuovamente il pistone chiudendo la valvola di uscita della pompa, aprendo la valvola di ingresso della pompa con tubi in acqua e premendo Ricarica. Quindi, eliminare l'aria chiudendo la valvola di ingresso della pompa, aprendo la valvola di uscita della pompa, impostando la portata su 100e premendo Run.
    7. Una volta che l'acqua esce dalla porta superiore della cella di pressione, verificare la disponibilità di perdite e stringere eventuali connessioni che perdono. Premere Stop. Chiudere la valvola di uscita della cella di pressione (superiore).
11. Pressurizzare la cella di pressione.
    NOTA: Portare occhiali di sicurezza prima di pressurizzare la cella di pressione.
    1. Impostare il limite massimo di portata a 10 ml/min per evitare una rapida pressurizzazione della cella: sul regolatore della pompa di pressione, premere Limiti; premere 3 per il flusso massimo; premere 1 per impostare il flusso massimo; pugno in 10; premere Invio.
    2. Pressurizzare la cella a 100 kPa: sul regolatore della pompa di pressione, premere Const Press; premere A; pugno in 100; premere Invio. Premere Esegui.
    3. Verificare la disponibilità di perdite. Se c'è una perdita, premere Stop sul controller della pompa, stringere i componenti che perdono, premere Eseguie ripetere fino a quando non ci sono perdite a 100 kPa. Assicurarsi che non vi siano perdite chiudendo la valvola di uscita della pompa e monitorando la pressione della cella di pressione nel software del trasduttore di pressione.
       NOTA: Se la pressione diminuisce costantemente e non è una normale fluttuazione a causa della variazione della temperatura ambiente, si è presente una perdita.
    4. Aumentare la pressione con incrementi di 50 kPa da 100 kPa a 500 kPa, poi in incrementi di 100 kPa da 500 kPa a 1.000 kPa, e infine in incrementi di ~1.000 kPa da 1.000 kPa a ~10.000 kPa. A tale scopo, modificare l'impostazione Const Press come prima. Tra le impostazioni di pressione, chiudere la valvola di uscita della pompa e monitorare la pressione della cella come prima per assicurarsi che la pressione sia costante. Se la pressione diminuisce, stringere con cura i componenti che perdono.
12. Al raggiungimento di 10.000 kPa, chiudere la valvola di uscita della pompa e osservare quanto bene la cella di pressione mantiene la pressione in base al trasduttore di pressione. Poiché un calo costante della pressione indica una perdita, stringere le connessioni a una pressione inferiore, ~ 1.000 kPa.
13. Per depressurizzare, aprire la valvola di uscita della pompa e impostare la pressione su 100 kPa. Una volta che la pressione si stabilizzi, aprire leggermente la valvola di uscita della cella di pressione.
14. Per rimuovere l'acqua dalla pompa a pressione, chiudere la valvola di ingresso della pompa, modificare le impostazioni del flusso massimo e del flusso Const a 100 ml / mine premere Esegui fino a quando la pompa non è scarica.
15. Scollegare il tubo flessibile da 1/4" dall'ingresso della pompa. Scollegare il tubo intrecciato in acciaio inossidabile dalla cella di pressione. Aprire entrambe le valvole e scaricare l'acqua. Rimuovere la finestra di zaffiro per consentire alla cella di asciugarsi completamente.

5. Formare un guscio di idrato di metano sulla superficie delle gocce.

1. Preparare l'attrezzatura.
   1. Collegare il regolatore del cilindro del metano alla pompa con il tubo di rame da 1/4 "utilizzando un nuovo set di dadi e ghiera. Assicurarsi che la bombola del gas sia chiusa.
   2. Pratica la tecnica di inserimento delle goccioline.
      1. Incollare una punta flessibile, come un tubo IV, tagliato ad angolo rispetto all'estremità della cannula per aiutare a dirigere la goccia verso la finestra di zaffiro. Attaccare una siringa da 1 mL alla cannula e tirare il volume desiderato di acqua deionizzata (~50-300 μL). Senza la valvola a spillo o la finestra in zaffiro attaccata, inserire l'estremità della cannula nella porta superiore e fare pratica espellendo la goccia sul palco centrale. Dopo aver praticato l'inserimento delle gocce, rimuovere la goccia e asciugare il palco.
         NOTA: In questo protocollo, 250 μL di acqua deionizzata sono stati presi nella siringa.
   3. Ricollegare la finestra in zaffiro e le rondelle con viti M8. Collegare il tubo in acciaio inossidabile intrecciato dalla pompa di pressione alla cella di pressione e ricontrollare che tutti i collegamenti dalla bombola del gas alla cella di pressione siano stretti. Aprire la valvola di ingresso della cella di pressione (valvola laterale) e impostare la cella di pressione nell'acquario. Inserire un cavo sorgente luminosa in fibra ottica nella porta di illuminazione della cella di pressione.
   4. Aggiungere 50/50 etanolo / acqua (v / v) all'acquario fino a quando non è a livello con la parte superiore della cella di pressione, appena sotto la connessione della sorgente luminosa. Assicurarsi che il flusso della cappa sia acceso. Quando il livello della soluzione scende prima delle prove future nelle settimane successive, aggiungere più etanolo. Sostituire la soluzione mensilmente.
   5. Impostare il refrigeratore sulla temperatura che raggiungerà ~ 0 ° C a 3 ° C all'interno della cella (~ -4 ° C) e iniziare a circolare attraverso le bobine. Accendere il flusso d'aria verso la parte anteriore dell'acquario per evitare la condensa sulla superficie dell'acquario.
   6. Avviare un registro della temperatura nel software del data logger. Impostare l'intervallo di scansione su 30 s. Attendere che la temperatura all'interno della cella di pressione sia stabile a 2 °C (~6-24 h).
2. Aggiungere una goccia d'acqua nella cella di pressione utilizzando la vista della fotocamera sul laptop.
   1. Accendere la sorgente luminosa a ~ 80%. Aprire il software della fotocamera. In live view, focalizzare l'obiettivo della fotocamera sulla camera interna della cellula. Regolare la sorgente luminosa per ottenere immagini migliori.
   2. Avviare un nuovo registro della temperatura con un intervallo di scansione di 1 s.
   3. Se collegato, staccare la valvola a spillo di uscita nella porta superiore della cella di pressione. Attaccare una siringa da 1 mL alla cannula e tirare il volume desiderato di acqua deionizzata (~50-300 μL).
      NOTA: In questo protocollo, 250 μL di acqua deionizzata sono stati estratti nella siringa.
   4. Inserire la cannula attraverso la porta superiore fino a quando la punta non è visibile nel software della fotocamera in modalità live view. Espellere la goccia di liquido dalla siringa sopra la termocoppia centrale. Ricollegare la valvola a spillo.
3. Focalizzare la fotocamera sulla goccia nella cella di pressione. Inizia l'imaging time-lapse ogni ~ 60 s.
4. Aprire il software del trasduttore di pressione sul laptop e iniziare a raccogliere i dati sul grafico e sul registro dati a un intervallo di scansione di 1 s (come l'intervallo di scansione della temperatura). Attendere che la temperatura delle gocce sia stabile tra 0-3 °C.
5. Pressurizzare la cella di pressione alla pressione desiderata.
   NOTA: Portare occhiali di sicurezza prima di pressurizzare la cella.
   1. Accendere la pompa e il controller. Chiudere la valvola di ingresso della pompa di pressione.
   2. Aprire la valvola di uscita della pompa e le valvole della cella di pressione.
      NOTA: la valvola di ingresso della cella di pressione deve essere sempre aperta.
   3. Tarare la pressione della pompa premendo Zero sul controller della pompa di pressione. Selezionare la pompa A sul controller della pompa di pressione per monitorare la pressione.
   4. Assicurarsi che la pompa di pressione sia vuota se nella pompa era presente un fluido diverso dal gas metano. Fatelo impostando il flusso massimo e Const Flow su 100 mL/min e premendo Run. Lasciarlo in funzione fino a quando la pompa non è vuota. Chiudere la valvola di uscita della pompa e aprire la valvola di ingresso della pompa.
   5. Aprire la bombola del gas e impostare il regolatore della bombola del gas su 1.000 kPa.
   6. Premere Refill sul controller della pompa di pressione. Quando la pompa è piena e vicina a 1.000 kPa, chiudere la valvola di ingresso della pompa e la bombola del gas.
   7. Aprire leggermente (~1/16" giro) la valvola di uscita della pompa alla cella. Monitorare la pressione della cella di pressione nel software del trasduttore di pressione poiché la pressione potrebbe diminuire a causa della temperatura relativamente più bassa nella cella di pressione.
   8. Impostare la portata massima a 10 ml/min:sul regolatore della pompa di pressione, premere Limiti; premere 3 per il flusso massimo; premere 1 per impostare il flusso massimo; pugno in 10; premere Invio.
   9. Impostare la pressione massima a 5.000 kPa:sul regolatore della pompa di pressione, premere Limiti; premere 1; punzone in 5000; premere Invio.
   10. Impostare la pressione costante a 1.000 kPa: sul regolatore della pompa di pressione, premere Const Press; premere A; pugno in 1000; premere Invio. Premere Esegui.
   11. Quando vengono raggiunti 1.000 kPa, premere Stop sul controller della pompa e chiudere la valvola di uscita della pompa. Monitorare la pressione nella cella di pressione per assicurarsi che non vi siano perdite. Se la pressione diminuisce, utilizzare il rilevatore di perdite di liquido per trovare la perdita alle connessioni e serrare con cura i componenti che perdono.
   12. Se la cella è stabile, aprire l'uscita della pompa e impostare La pressa Const su 2.000 kPa. Premere Stop e monitorare. Se stabile a 2.000 kPa, impostare Const Press su 3.000 kPa. Premere Stop e monitorare. Se stabile a 3.000 kPa, impostare Const Press su 4.000 kPa. Premere Stop e monitorare. Se stabile a 4.000 kPa, impostare Const Press su 5.000 kPa. Premere Stop e monitorare.
   13. Se la pressione è stabile, chiudere l'uscita della pompa.
       NOTA: se il volume della pompa si esaurisce, chiudere l'uscita della pompa e aprire leggermente l'ingresso della pompa. Aprire lentamente la bombola del gas e impostare il regolatore del gas su 1.000 kPa. Premere Ricarica sul controller della pompa. Quando la pompa viene ricaricata, chiudere la bombola del gas e l'ingresso della pompa. Pressurizzare la pompa in modo che corrisponda alla pressione della cella di pressione.
   14. Attendere ~ 12-24 ore affinché il gas permei la goccia.
6. Nucleare il guscio idrato usando ghiaccio secco.
   1. Cambia il time-lapse per scattare immagini ogni 2-5 s.
   2. Aggiungere ghiaccio secco nella parte superiore della cellula fino a quando il guscio idrato è visto in time-lapse. Se il ghiaccio secco scivola, apporre del nastro adesivo intorno alla parte superiore della cella.
7. Osserva l'andamento della formazione di idrato di metano attraverso foto time-lapse per ~2-6 h.
8. Depressurizzare la cella a 2.000 kPa aprendo l'uscita della pompa e impostando la Const Press a 2.000 kPa. Nota quando si verifica la fusione.
   NOTA: Può verificarsi un gorgogliamento nella goccia sessile a causa della fuoriuscita del gas disciolto.
9. Dopo ~ 30 minuti, reprimeturizzare la cella di pressione a 5.000 kPa per osservare l'effetto memoria. Nota quando un guscio idrato inizia a riformarsi. Lasciare che il guscio si formi per ~ 30 minuti a 2 ore.
10. Depressurizzare la cella aprendo l'uscita della pompa e impostando la Pressa Const su 0 kPa. Se c'è una pressione residua nella cella di pressione, aprire leggermente la valvola superiore della cella di pressione di ~ 1/16 ".
11. Salvare i dati di pressione e temperatura come file .csv.
12. Rimuovere la goccia rimuovendo la valvola della cella di pressione superiore come prima ed estraendo la goccia con la siringa/ cannula / tubo IV. Se c'è un problema di contaminazione tra le prove, rimuovere la finestra di zaffiro e disinfettare il palco e sostituire il grasso sottovuoto. Utilizzare una ventosa per rimuovere la finestra in zaffiro una volta che la cella di pressione si è riscaldata a temperatura ambiente.

6. Analizza i dati.

1. Aprire i file di temperatura e pressione .csv.
2. Crea un nuovo foglio di calcolo. Copiare le colonne di tempo e pressione dal .csv di pressione e il tempo e la temperatura dal file di .csv temperatura nel nuovo foglio di calcolo.
3. Crea un grafico a dispersione con il tempo sull'asse x e due assi y con temperatura e pressione (Figura supplementare S2).
4. Crea altre due colonne per la curva di stabilità dell'idrato. Nella prima colonna, inserisci le temperature da 273,15 K a ~ 279,15 K a intervalli di 0,1 K. Nella seconda colonna, calcola la pressione usando la formula (1) di Sloan & Koh¹³.
   P [kPa] = exp(a+b/T [K]) dove a = 38,98 e b = -8533,80 (1)
5. Crea un grafico a dispersione del limite di stabilità dell'idrato, con temperatura (K) sull'asse x e pressione (kPa) sull'asse y. Aggiungere una seconda serie sul grafico a dispersione con temperatura e pressione sperimentali sugli assi x e y, rispettivamente (Figura 4).
6. Nota sui grafici in cui un guscio idrato è diventato visibile, secondo l'imaging time-lapse.

7. Mantenere l'apparecchiatura.

1. Completare la soluzione del serbatoio con etanolo prima di ogni prova per sostituire l'etanolo evaporato. Sostituire completamente la soluzione del serbatoio mensilmente.
2. Cambiare gli o-ring e la rondella di gomma ogni 2 mesi di uso regolare.
3. Sostituire le connessioni delle porte se si verificano perdite persistenti che non vengono risolte mediante serraggio.

Risultati

Con questo metodo, un guscio di idrato di gas su una goccia può essere monitorato visivamente attraverso una finestra di zaffiro della cella di pressione e tramite trasduttori di temperatura e pressione. Per nucleane il guscio idrato dopo la pressurizzazione a 5 MPa, il ghiaccio secco può essere aggiunto alla parte superiore della cella di pressione per indurre uno shock termico per innescare una rapida cristallizzazione dell'idrato. C'è una chiara differenza morfologica sulla formazione del guscio idrato forzato dal ...

Discussione

Abbiamo sviluppato un metodo per formare gusci di idrato di metano su goccioline d'acqua sessili in modo sicuro e condividiamo questo metodo per lavorare e assemblare una cella di pressione nominale a 10 MPa di pressione di esercizio, così come i sistemi di pressurizzazione e raffreddamento. La cella di pressione è dotata di uno stadio per la goccia contenente termocoppie incorporate, una finestra di zaffiro per visualizzare la goccia e un trasduttore di pressione fissato alla parte superiore della cella. Il sistema di...

Materiali

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