세실 물방울에 메탄 수화물 결정화

요약

우리는 수화물 결정 형태에 다양한 억제제, 프로모터 및 기판의 효과를 연구하기 위해 세실 물방울에 가스 수화물을 형성하는 방법을 설명합니다.

초록

이 논문은 물방울에 메탄 수화물 껍질을 형성하는 방법을 설명합니다. 또한, 10MPa 작동 압력으로 정격된 압력 셀에 대한 청사진을 제공하며, 세실 방울의 스테이지, 시각화를 위한 사파이어 윈도우, 온도 및 압력 변환기를 포함합니다. 메탄 가스 실린더에 연결된 압력 펌프를 사용하여 셀을 5MPa로 가압합니다. 냉각 시스템은 구리 코일을 통해 에틸렌 글리콜을 통해 냉각된 50% 에탄올 용액을 함유한 10갤런(37.85 L) 탱크입니다. 이러한 설정은 각각 냉각 및 우울화 시 수화물 형성 및 해리와 관련된 온도 변화를 관찰할 뿐만 아니라 액적의 형태학적 변화의 시각화 및 사진 촬영을 가능하게 한다. 이 방법으로, 급속 수화물 껍질 형성은 ~-6°C에서 -9°C로 관찰되었다. 감압 시, 0.2°C ~ 0.5°C의 온도 낙하가 엑더믹 수화물 해리로 인한 압력/온도(P/T) 안정성 곡선에서 관찰되었으며, 온도 낙하시에 용융의 시각적 관찰에 의해 확인되었다. "메모리 효과"는 2MPa에서 5MPa로 억압 한 후 관찰되었다. 이 실험 설계를 통해 시간이 지남에 따라 액적의 압력, 온도 및 형태에 대한 모니터링을 통해 수화물 형태에 대한 다양한 첨가제 및 기판을 테스트하기에 적합한 방법입니다.

서문

가스 수화물은 반 데르 발스 상호 작용을 통해 게스트 가스 분자를 트랩 수소 결합 물 분자의 케이지입니다. 메탄 수화물은 고압 및 저온 조건 하에서 형성되며, 이는 대륙 의 여백을 따라, 북극 퍼머프로스트 아래, 그리고 태양계^1의다른 행성 체에서 자연에서 발생하는 다. 가스 수화물은 기후와 에너지^2에중요한 영향을 미치는 수천 기가톤의 탄소를 저장합니다. 가스 수화물은 가스 파이프라인에서 수화물에 유리한 조건이 발생하므로 천연가스 산업에서도 위험할 수 있으며, 이로 인해 파이프가 막히면 치명적인 폭발과 기름^유출3가발생할 수 있습니다.

시투에서가스 수화물을 연구하는 데 어려움을 가지므로 실험실 실험은 종종 수화물 특성과 억제제 및기판4의 영향을 특성화하기 위해 사용됩니다. 이러한 실험실 실험은 다양한 모양과 크기의 세포에서 높은 압력에서 가스 수화를 증가시킴으로써 수행됩니다. 가스 파이프라인에서 가스 수화물 형성을 방지하기 위한 노력으로 인해 부동액 단백질(AFP), 계면활성제, 아미노산 및 폴리비닐피로돈(PVP)^5,6을포함한 여러 화학 및 생물학적 가스 수화물 억제제의 발견이 이루어졌습니다. 이러한 화합물이 가스 수화물 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 이러한 실험은 오토클레이브, 결정화기, 교반 반응기 및 흔들리는 세포를 포함한 다양한 용기 설계를 사용했으며, 이는 0.2 내지 10⁶ 입방 센티미터^4의부피를 지원합니다.

본 전연구에서 사용되는 세실 물방울 방법은^{7,8,9,10,11,12에서} 압력 셀 내부의 물의 세슬액 액적에 가스 수화물 필름을 형성하는 것을 포함한다. 이 선박은 최대 10-20 MPa의 압력을 수용하기 위해 스테인레스 스틸과 사파이어로 만들어집니다. 셀은 메탄 가스 실린더에 연결됩니다. 이들 중 2개는 PVP^7,11과같은 상업적 운동 수화물 억제제(KHI)에 비해 가스 수화물 억제제로서 AFP를 테스트하기 위해 액적 방법을 사용했다. 브루스가드 외^7은 억제제의 형태학적 영향에 초점을 맞추고, 타입 I AF를 함유하는 액적들이 높은 구동력에서 억제제 없이 수지상 액적 표면보다 부드럽고 유리표면이 있다는 것을 발견했다.

Udegbunam^{외. 11은} 이전^연구에서KHI를 평가하기 위해 개발된 방법을 사용했으며, 이는 형태/성장 메커니즘, 수화-액체 증기 평형 온도/압력, 및 운동학을 온도의 함수로서 분석할 수 있도록 한다. 정외는 CH_4-CO2 교체를 연구하여 CH₄ 수화 쉘^8을형성한 후_CO2로 세포를 범람시킴으로써 연구했다. 첸 외. 수화물 껍질 형태로 익는 오스트발트 관찰^9. 에스피노자 외는 다양한 미네랄^{기판(12)에}대한_CO2 수화물 껍질을 연구했다. 상기 액적 방법은 가스 수화물에 대한 다양한 화합물 및 기판의 형태학적 효과를 결정하는 비교적 간단하고 저렴한 방법이며 소량의 첨가제가 적은 부피로 인해 요구된다. 이 논문은 최대 10MPa 작동 압력등급의 시각화를 위한 사파이어 창이 있는 스테인리스 스틸 셀을 사용하여 물방울에 이러한 수화물 쉘을 형성하는 방법을 설명합니다.

프로토콜

1. 압력 셀을 설계, 검증 및 가공합니다.

1. 물방울에서 수화물 형성의 직접 시각화를 허용하도록 셀을 설계합니다. 셀에 시스루 사파이어 창이 있는 주 챔버와 유체/가스 입구, 출구, 빛 및 전선용 4개의 포트가 있는지 확인합니다(그림1). 엔지니어링 설계소프트웨어(보충 도면 S1)에서최종 설계를 작성합니다.
2. 압력 셀이 고압 작업 하에서 안전한지 확인하려면 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 유한 요소 분석을 수행합니다.
   1. 엔지니어링 설계 소프트웨어에서 풀 사이즈 압력 셀 모델을 시뮬레이션 소프트웨어에 입력합니다.
   2. 400 GPa의 영의 계수를 할당하고 푸아송의 비율0.29 사파이어 창에 할당합니다.
   3. 모든 스테인레스 스틸 부품의 경우 190 GPa의 영계와 푸아송의 비율 0.27로 스테인레스 스틸 316을 할당합니다.
   4. 단계별로는 0~1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10MPa 기압을 셀 내부에적용한다(보조 비디오 S1 및 보충 비디오 S2). 각 로딩 단계를 관리 방정식의 시간 종속 용어를 무시하고 가압 중에 탄성 변형만 고려하여 정적 문제로 처리합니다.
   5. 시뮬레이션 소프트웨어에서 직접 선형 방정식 솔버를 사용하여 다양한 압력 조건(보조 표S1 및 보충 표 S2)에서셀의 응력 분포 및 변형을 계산합니다.
3. 압력 셀 설계가 안전한것으로 확인되면 엔지니어링 설계 소프트웨어 청사진을 기반으로 모든 부품을 가공해야 합니다.

2. 압력 셀을 조립합니다(도 1).

1. 4개의 국가 파이프 테이퍼(NPT) 스레드를 배관공 테이프로 압력 셀의 각 포트에 나사로 연결합니다.
2. 청사진설계(보조 도서 S1,부품 C, D 및 E)를 사용하여 조명 포트를 조립하고 왼쪽 상단 NPT 나사에 연결합니다.
3. 분기 티 피팅 및 포트 커넥터 피팅을 사용하여 압력 변환기를 상단 포트 NPT에 연결합니다.
4. 포트 커넥터 피팅을 사용하여 왼쪽 NPT 나사의 입구 바늘 밸브를 연결합니다.
5. 압력 셀의 오른쪽 포트에 압력 씰 커넥터를 설치합니다. 압력 씰 커넥터를 통해 3개의 K형 열전대 와이어를 셀 내부의 여유 3"와 셀 바깥에 3개의 여유를 삽입합니다.
6. 사포로 스테이지 표면을연마합니다(추가 피규어 S1,파트 F).
7. 팁이 스테이지 의 상단과 플러시되도록 열전대를 스테이지의 각 구멍에 삽입합니다. 각 구멍에 작은 접착제 한 방울을 사용하여 열전대를 제자리에 고정하고 건조할 수 있습니다.
8. 압력 셀의 뒷벽에 아크릴 디스크를 장착하여 빛 반사를 향상시킵니다. 압력 셀의 스테이지에 맞춥시게 합니다.
9. 사파이어 창을 설치합니다.
   1. 진공 그리스를 두 개의 정적 밀봉 O 링(1개"과 1-1/5")에 적용합니다. O-링을 압력 셀의 창 구멍 주위의 홈에 맞춥춥시게 합니다.
   2. 사파이어 창을 삽입합니다. 8개의 M8 스테인레스 스틸나사(도 2C)를사용하여 스테인레스 스틸 와셔(보충도S1,파트 B)에 2-1/4" 고무 와셔및 나사로 사파이어 창을 덮습니다.

3. 큰 연기 후드(그림 2)에장비를 조립합니다.

참고: 메탄은 가연성 가스이기 때문에 모든 메탄 관련 튜브와 선박을 열, 불꽃, 화염 및 뜨거운 표면에서 멀리 유지합니다. 통풍이 잘 되는 영역(예: 연기 후드)에 모든 장비를 설치합니다. 메탄 가스로 작업하기 전에 안전 안경과 실험실 코트를 착용하십시오.

1. 압력 펌프를 모든 장비가 장착할 수 있을 만큼 큰 연기 후드로 조심스럽게 들어올립니다(그림2A). 펌프 컨트롤러를 펌프 베이스 위에 놓습니다. 펌프 컨트롤러를 펌프에 연결하고 전원 스트립에 연결합니다.
2. 메탄 가스 실린더의 레귤레이터로부터 압력 펌프의 입구 옆에 있는 연기 후드에 고압 등급의 1/4"구리 파이프를 실행합니다(도2A,B).
3. 압력 펌프 옆에 데이터 로거를 배치하고 데이터 로거에 랩톱을 설정합니다(그림2A). 전원 스트립에 둘 다 연결합니다. 데이터 로거 USB를 통해 데이터 로거를 랩톱에 연결합니다.
4. 랩톱에 적절한 소프트웨어를 설치하여 압력 셀의 데이터 로거, 카메라 및 압력 변환기를 제어합니다.
5. 데이터 로거 옆에 수족관을 설정하고 수족관 바닥에 비 침출 패딩을 배치하여 압력 셀(그림 2C)으로진동을 제한합니다.
6. 새로운 1/4"구리 파이프를 사용하여 구리 파이프를 수족관에 맞게 타원형으로 두 번 코일하여 압력 셀이 내부에 앉을 수있는 공간을 남깁니다(그림 2D). 코일이 압력 셀의 사파이어 창을 차단하지 않는지 확인합니다. 수족관의 압력 셀을 높이어 사파이어 창을 볼 수 있습니다.
7. 연기 후드 근처 바닥에 순환 냉각기를 놓습니다(그림 2A). 냉각기를 50/50 v/v 에틸렌 글리콜/물로 채웁니다.
   참고: 에틸렌 글리콜은 위험하므로, 부을 때 장갑, 실험실 코트 및 고글을 포함한 적절한 안전 복장을 사용하십시오.
8. 냉각기 입구와 콘센트를 수족관의 구리 파이프 끝에 연결하기 위해 3/8 "(내부 직경) 플라스틱 튜브의 두 길이를 잘라. 절단하기 전에 폼 파이프 절연에 맞게 충분한 여유가있을 것입니다 있는지 확인합니다.
9. 폼 파이프 절연을 통해 플라스틱 튜브를 밀어.
10. 입구에서 절연 플라스틱 튜브를 연결하고 순환 냉각기의 콘센트를 수족관 내부의 구리 코일 끝에 연결합니다. 금속 부품 주위에 배관공의 테이프를 감싸고 웜 드라이브 호스 클램프로 연결을 조여 씰을 고정합니다. 냉각기를 켜고 고속으로 순환하도록 설정합니다. 누출이 없는지 확인합니다.
11. 수족관 내부의 구리 코일/플라스틱 튜브 연결 주위에 수중 실란트를 적용하십시오. 실란트가 치료되도록 허용하십시오. 실란트를 덕트 테이프로 감쌉니다.
12. 설치 압력 펌프 튜브(그림 2E).
    참고: 도구를 사용하기 전에 항상 연결을 손으로 조이고 다시 밀봉하지 않기 때문에 배관공 테이프로 NPT 연결을 분리하지 마십시오.
    1. 배관공테이프(그림 2F)를사용하여 펌프와 함께 장착된 회사 피팅과 함께 압력 펌프의 양쪽에 1/8" 스테인리스 강파이프를 설치합니다.
    2. 튜브 벤더를 사용하여 1/8" 파이프를 펌프에서 약 2" 떨어진 90° 각도로 구부려 연결에서 굽히지 않도록 합니다.
    3. 튜브 벤더를 사용하면 1/8" 파이프를 90° 각도로 아래쪽으로 구부리면 첫 번째 굽힘에서 약 2"가 됩니다.
    4. 양쪽의 1/8" 파이프에 1/8"~ 1/4" 어댑터 피팅을 부착합니다(그림2G).
    5. 양쪽에 어댑터 피팅에 1/4"파이프를 부착합니다.
       참고: 밸브를 펌프 측면에 부착하려면 1/4" 튜브를 트리밍하여 연결된 밸브가 두 개의 나사 구멍 옆에 앉을 수 있도록 합니다.
    6. 1/4" 바늘밸브(그림 2H)를설치합니다. 압력 펌프에 밸브를 부착하는 경우, 나사에 대한 두 개의 1/16 "구멍과 바늘 밸브 연결 사이에 고정하는 하나의 1/2"구멍강철 또는 플라스틱 플레이트를 기계. 밸브 연결 사이에 플레이트를 삽입하고 플레이트를 펌프 측면에 나사로 연결합니다.
       참고: 바늘 밸브의 화살표가 고압(압력 펌프 내부)에서 저압(압력 펌프 외부)까지 가리키는지 확인합니다.
    7. 1/4" 편조 스테인리스 스틸 유연한 압력 등급 호스의 한쪽 끝을 압력 펌프의 출구 밸브에 연결하고 다른 쪽 끝을 압력 셀의 측면 밸브에 연결합니다.
    8. 데이터 로거 멀티채널을 사용하여 압력 셀에서 데이터 로거 채널에 열전대를 연결합니다. 추가 열전대 와이어를 연결하여 탱크 용액의 온도를 측정하고 탱크에 다른 쪽 끝을 넣습니다.
    9. 압력 셀의 압력 변환기를 랩톱에 연결합니다.
    10. 수족관 내부의 압력 셀을 앞쪽에 가깝게 설정하여 보다 명확한 이미징을 합니다.
13. 수족관을 절연하려면 수족관 의 외부를 호일 안감 유리 섬유로 감싸고 카메라가 압력 셀의 사파이어 창을 볼 수있는 구멍 / 슬릿으로 포장하십시오. 실험 중 증발을 방지하기 위해 절연 재료로 수족관의 상단을 덮습니다.
    참고: 광원에서 열이 쌓이는 것을 피하기 위해 수족관 상단을 단단히 밀봉하지 마십시오.
14. 수족관 앞의 습한 공기의 응축을 방지하기 위해 가장 가까운 공기 밸브에서 카메라가 가리키는 수족관 앞쪽으로 플라스틱 튜브를 실행하여 튜브가 사진에 보이지 않도록합니다.
15. 수족관 옆에 광원 유닛을 설정하고 전원 스트립에 연결합니다.
16. 사파이어 창을 가리키는 렌즈와 함께 수족관 앞에 카메라를 설정합니다. 카메라를 랩톱과 파워 스트립에 연결합니다.
17. 잠재적인 누출 손상을 방지하기 위해 후드 표면에서 모든 전자 제품을 상승시킵니다. 콘센트의 전원 용량에 대해 전원이 분산되어 있는지 다시 확인합니다.

4. 물로 압력 셀을 누출 테스트합니다.

참고: 모든 연결이 제대로 밀봉되었는지 확인하기 위해 특히 NPT 나사를 분리한 후 셀을 재조립할 때마다 압력 셀을 물로 누출 테스트합니다. 사파이어 창 이나 상단 밸브를 제거 한 후 필요하지 않습니다. 물은 가스보다 압력을 받는 것이 안전합니다.

1. 랩톱에서 압력 트랜스듀서 소프트웨어를 열고 1s의 스캔 간격으로 데이터 수집을 시작합니다.
2. 압력 펌프와 컨트롤러를 켭니다. 압력 펌프 컨트롤러에 펌프 A를 눌러 압력을 모니터링합니다.
3. 펌프에 압력이 있는 경우 펌프 입구와 콘센트 밸브가 모두 닫혀 있는 동안 압력 펌프 컨트롤러에 리필을 눌러 압력을 줄입니다.
4. 두 압력 셀 밸브가 모두 열리면 펌프 출구 밸브를 약간 ~1/16"으로 열어 나머지 압력을 천천히 방출합니다.
5. 연결된 경우 압력 펌프의 입구 밸브에서 1/4" 구리 파이프를 분리합니다.
6. 너트와 페룰 세트를 사용하여 펌프 입구 밸브에 1/4" 유연한 튜브를 부착합니다. 튜브의 끝을 물 갤런에 놓습니다.
7. 펌프의 콘센트 밸브를 닫고 펌프의 입구 밸브를 엽니다.
8. 압력 펌프 컨트롤러에 리필을 눌러 펌프 피스톤을 물로 채웁니다.
9. 수족관 외부의 얕은 빈 용기에 압력 셀을 설정합니다.
10. 물이 상단 포트에서 나올 때까지 압력 셀에서 공기를 제거하고 압력 셀을 완전히 채웁니다.
    1. 펌프의 입구 밸브를 닫고 펌프의 콘센트 밸브를 엽니다.
    2. 압력 셀의 밸브가 여전히 열려 있는지 확인합니다.
    3. 최대(최대) 흐름을 100mL/min으로 설정: 압력 펌프 컨트롤러에, 제한누압; 최대 흐름에 대해 3을 누릅니다. 최대 흐름을 설정하려면 1을 누릅니다. 100에서펀치; enter기누릅니다.
    4. D를 눌러 이전 페이지에 도달합니다.
    5. 일정한 유량은 100mL/min으로 설정: 압력 펌프 컨트롤러에, Const Flow를누릅니다. 흐름에 대한 A를 누릅니다. 100에서펀치; enter기누릅니다. 실행중에서 누릅니다.
    6. 물이 나오지 않거나 피스톤의 부피가 부족한 경우 펌프 출구 밸브를 닫고 펌프 입구 밸브를 물에 담그고 리필을 눌러 피스톤을 다시 채웁니다. 그런 다음 펌프 입구 밸브를 닫고 펌프 출구 밸브를 열고 유량을 100으로설정하고 실행을 눌러 공기를 제거합니다.
    7. 압력이 전지의 상단 포트에서 물이 나오면 누출을 확인하고 누출 연결을 강화하십시오. 중지를누릅니다. 압력 셀 콘센트(상단) 밸브를 닫습니다.
11. 압력 셀을 가압합니다.
    참고: 압력 셀을 가압하기 전에 안전 안경을 착용하십시오.
    1. 최대 유량 제한을 10mL/min으로 설정하여 셀의 빠른 가압을 방지합니다: 압력 펌프 컨트롤러, 프레스 제한; 최대 흐름에 대해 3을 누릅니다. 최대 흐름을 설정하려면 1을 누릅니다. 10에서펀치; enter기누릅니다.
    2. 100 kPa로 셀을 가압 : 압력 펌프 컨트롤러에, Const 프레스를 누릅니다; A를누릅니다. 100에서펀치; enter기누릅니다. 실행중에서 누릅니다.
    3. 누출 여부를 확인합니다. 누출이 있는 경우 펌프 컨트롤러에서 중지를 누르고 누출 된 구성 요소를 조이고 실행을누르고 100 kPa에서 누출이 없을 때까지 반복하십시오. 펌프 출구 밸브를 닫고 압력 변환기 소프트웨어에서 압력 셀의 압력을 모니터링하여 누출이 발생하지 않도록 하십시오.
       참고: 압력이 지속적으로 감소하고 실온 변화로 인해 정상적인 변동이 없는 경우 누출이 있습니다.
    4. 50kPa의 증분압력을 100kPa에서 500kPa로 늘리고, 100kPa의 증분에서 500kPa에서 1,000kPa로, 마침내 1,000kPa에서 ~10,000kPa로 1,000kPa의 증분. Const Press 설정을 이전과 같이 변경하여 이 작업을 수행합니다. 압력 설정 사이에 펌프 콘센트 밸브를 닫고 압력이 일정하도록 이전과 같은 셀의 압력을 모니터링합니다. 압력이 떨어지면 누출 성분을 조심스럽게 조입니다.
12. 10,000 kPa에 도달하면 펌프 출구 밸브를 닫고 압력 셀이 압력 트랜스듀서에 따라 압력을 얼마나 잘 보유하고 있는지 관찰하십시오. 일관된 압력 강하가 누출을 나타내므로 , ~1,000 kPa의 낮은 압력에서 연결을 조입니다.
13. 우울하게 하려면 펌프 콘센트 밸브를 열고 압력을 100 kPa로 설정합니다. 압력 고원지대가 되면 압력 셀 출구 밸브를 약간 엽니다.
14. 압력 펌프에서 물을 제거하려면 펌프 입구 밸브를 닫고 최대 흐름 및 Const Flow 설정을 100mL/min으로변경하고 펌프가 비어 질 때까지 실행을 누릅니다.
15. 펌프 입구에서 1/4" 유연한 튜브를 분리합니다. 조개 형 스테인리스 스틸 호스를 압력 셀에서 분리합니다. 밸브를 모두 열고 물을 배출합니다. 사파이어 창을 제거하여 셀이 완전히 건조할 수 있도록 합니다.

5. 물방울 표면에 메탄 수화물 껍질을 형성합니다.

1. 장비를 준비합니다.
   1. 새로운 너트 및 ferrule 세트를 사용하여 메탄 실린더 레귤레이터를 펌프에 1/4" 구리 파이프와 연결합니다. 가스 실린더가 닫혀 있는지 확인합니다.
   2. 연습 액적 삽입 기술.
      1. IV 튜브와 같은 유연한 팁을 캐뉼라 끝까지 각도로 잘라 내어 물방울을 사파이어 창쪽으로 향하게 합니다. 1mL 주사기를 캐뉼라에 부착하고 원하는 양의 탈온화된 물(~50-300 μL)을 당깁니다. 바늘 밸브 나 사파이어 창이 부착되지 않고, 상단 포트에 캐뉼라의 끝을 삽입하고 중앙 단계에 방울을 추방 연습. 물방울 삽입을 연습 한 후, 물방울을 제거하고 무대를 건조.
         참고: 이 프로토콜에서는 250 μL의 탈온화된 물을 주사기로 가져갔습니다.
   3. Sapphire 창과 와셔를 M8 나사로 다시 연결합니다. 압력 펌프에서 압력 셀에 편조 된 스테인레스 스틸 호스를 연결하고 가스 실린더에서 압력 셀에 대한 모든 연결이 꽉 있는지 다시 확인하십시오. 압력 셀 입구 밸브(사이드 밸브)를 열고 수족관에 압력 셀을 설정합니다. 광섬유 광원 케이블을 압력 셀 조명 포트에 삽입합니다.
   4. 50/50 에탄올/물(v/v)을 수족관에 추가하여 광원 연결 바로 아래 압력 셀의 상단과 수평이 될 때까지 합니다. 후드 흐름이 켜져 있는지 확인합니다. 다음 주에 솔루션 수준이 향후 시험 전에 떨어지면 에탄올을 더 추가합니다. 매월 솔루션을 교체합니다.
   5. 냉각기를 셀 내부의 ~0°C ~3°C에서 3°C로 설정하고 코일을 통해 순환하기 시작합니다. 수족관 표면의 응축을 방지하기 위해 수족관 의 전면에 공기 흐름을 켭니다.
   6. 데이터 로거 소프트웨어에서 온도 로그를 시작합니다. 스캔 간격을 30으로 설정합니다. 압력 셀 내부의 온도가 2 °C (~6-24h)에서 안정될 때까지 기다립니다.
2. 랩톱의 카메라 뷰를 사용하여 압력 셀에 물방울을 추가합니다.
   1. 광원을 ~80%로 켭니다. 카메라 소프트웨어를 엽니다. 라이브 뷰에서 카메라 렌즈를 셀 내부 챔버에 집중합니다. 최고의 이미징을 위해 광원을 조정합니다.
   2. 1s 스캐닝 간격으로 새 온도 로그를 시작합니다.
   3. 부착된 경우 압력 셀의 상단 포트에 콘센트 바늘 밸브를 분리합니다. 1mL 주사기를 캐뉼라에 부착하고 원하는 양의 탈온화된 물(~50-300 μL)을 당깁니다.
      참고: 이 프로토콜에서는 250 μL의 탈온화된 물을 주사기로 끌어당겼습니다.
   4. 라이브 뷰 모드에서 카메라 소프트웨어에 팁이 표시될 때까지 상단 포트를 통해 캐뉼라를 삽입합니다. 주사기에서 중앙 열전대 위로 유체 방울을 배출합니다. 바늘 밸브를 다시 부착합니다.
3. 압력 셀의 액적에 카메라를 집중합니다. 모든 ~60s의 시간 경과 이미징을 시작합니다.
4. 랩톱에서 압력 트랜스듀서 소프트웨어를 열고 차트와 데이터 로그에 대한 데이터 수집을 1s(온도 검색 간격과 동일)로 수집합니다. 물방울 온도가 0-3 °C 사이에서 안정될 때까지 기다립니다.
5. 압력 셀을 원하는 압력으로 가압합니다.
   참고 : 셀을 가압하기 전에 안전 안경을 착용하십시오.
   1. 펌프와 컨트롤러를 켭니다. 압력 펌프의 입구 밸브를 닫습니다.
   2. 펌프의 콘센트 밸브와 압력 셀의 밸브를 엽니다.
      참고: 압력 셀 입구 밸브는 항상 열려 있어야 합니다.
   3. 압력 펌프 컨트롤러에 제로를 눌러 펌프 압력을 타보하십시오. 압력 펌프 컨트롤러에서 펌프 A를 선택하여 압력을 모니터링합니다.
   4. 메탄 가스 이외의 다른 유체가 펌프에 존재하는 경우 압력 펌프가 비어 있는지 확인합니다. 최대 흐름및 Const 흐름을 100mL/min으로 설정하고 실행을 눌러 이 작업을 수행합니다. 펌프가 비어 있는 때까지 실행 상태로 둡니다. 펌프 콘센트 밸브를 닫고 펌프 입구 밸브를 엽니다.
   5. 가스 실린더를 열고 가스 실린더 레귤레이터를 1,000 kPa로 설정합니다.
   6. 압력 펌프 컨트롤러에 리필을 누릅니다. 펌프가 가득 차면 1,000 kPa 에 가까워지면 펌프 입구 밸브와 가스 실린더를 닫습니다.
   7. 펌프 콘센트 밸브를 셀에 약간 열어 (~1/16" 회전). 압력 셀의 상대적으로 낮은 온도로 인해 압력이 감소할 수 있기 때문에 압력 트랜스듀서 소프트웨어의 압력 셀 압력을 모니터링합니다.
   8. 최대 흐름을 10mL/min으로설정 : 압력 펌프 컨트롤러에, 한계를누르십시오; 최대 흐름에 대해 3을 누릅니다. 최대 흐름을 설정하려면 1을 누릅니다. 10에서펀치; enter기누릅니다.
   9. 최대 압력을 5,000 kPa로설정 : 압력 펌프 컨트롤러에, 한계를누르십시오. 1을누릅니다. 5000에서펀치; enter기누릅니다.
   10. 일정한 압력을 1,000 kPa로설정 : 압력 펌프 컨트롤러에, Const Press를 누릅니다. A를누릅니다. 1000에서펀치; enter기누릅니다. 실행중에서 누릅니다.
   11. 1,000kPa에 도달하면 펌프 컨트롤러에서 중지를 누르고 펌프의 콘센트 밸브를 닫습니다. 압력 셀의 압력을 모니터링하여 누출이 없는지 확인합니다. 압력이 떨어지면 액체 누출 감지기를 사용하여 연결에서 누출을 발견하고 누출 성분을 조심스럽게 조입니다.
   12. 셀이 안정되면 펌프 콘센트를 열고 Const Press를 2,000 kPa로 설정합니다. 중지 및 모니터를 누릅니다. 2,000kPa에서 안정되면 Const Press를 3,000 kPa로설정합니다. 중지 및 모니터를 누릅니다. 3,000kPa에서 안정되면 Const Press를 4,000 kPa로설정합니다. 중지 및 모니터를 누릅니다. 4,000kPa에서 안정되면 Const Press를 5,000 kPa로 설정합니다. 중지 및 모니터를 누릅니다.
   13. 압력이 안정되면 펌프 콘센트를 닫습니다.
       참고: 펌프 볼륨이 부족하면 펌프 콘센트를 닫고 펌프 입구를 약간 엽니다. 가스 실린더를 천천히 열고 가스 레귤레이터를 1,000 kPa로 설정합니다. 펌프 컨트롤러에서 리필을 누릅니다. 펌프가 리필되면 가스 실린더와 펌프 입구를 닫습니다. 압력 셀 압력에 맞게 펌프를 가압합니다.
   14. 가스가 물방울에 침투할 때까지 ~ 12-24h를 기다립니다.
6. 드라이 아이스를 사용하여 수화물 껍질을 핵화합니다.
   1. 시간 경과를 전환하여 2-5s마다 이미지를 찍습니다.
   2. 수화물 껍질이 시간 경과에 보일 때까지 셀 상단에 드라이 아이스를 추가합니다. 드라이 아이스가 미끄러지면 셀 상단 주위에 테이프를 부착합니다.
7. ~2-6h에 대한 타임랩스 사진을 통해 메탄 수화물 형성의 진행 상황을 관찰한다.
8. 펌프 콘센트를 열고 Const Press를 2,000 kPa로 설정하여 셀을 2,000 kPa로 우울하게 하십시오. 용융이 발생할 때주의하십시오.
   참고: 용해된 가스의 탈출으로 인해 세실 액적에서 버블링이 발생할 수 있습니다.
9. ~30분 후, 압력 셀을 5,000kPa로 억압하여 메모리 효과를 관찰한다. 수화물 껍질이 개혁되기 시작하면 주의하십시오. 쉘이 ~30분에서 2시간까지 포메이션되도록 합니다.
10. 펌프 콘센트를 열고 Const 프레스를 0 kPa로 설정하여 셀을 우울하게 합니다. 압력 셀에 잔류 압력이 있는 경우 압력 셀 상단 밸브를 ~1/16로 약간 엽니다."
11. 압력 및 온도 데이터를 .csv 파일로 저장합니다.
12. 상기 와 같이 상부 압력 세포 밸브를 제거하고 주사기/캐뉼라/IV 튜브로 액적물을 추출하여 액적을 제거합니다. 시험 사이에 오염에 대한 우려가있는 경우 사파이어 창을 제거하고 스테이지를 소독하고 진공 그리스를 교체하십시오. 압력 셀이 실온으로 따뜻해지면 흡입 컵을 사용하여 사파이어 창을 제거하십시오.

6. 데이터를 분석합니다.

1. 파일의 온도와 압력 .csv 엽니다.
2. 새 스프레드시트를 만듭니다. 압력 .csv 및 온도 .csv 파일의 시간과 온도를 새 스프레드시트에 복사합니다.
3. x 축에 시간이 지남에 따라 분산 플롯을 만들고 온도와 압력이있는 두 개의 y 축(추가 그림 S2)을만듭니다.
4. 수화물 안정성 곡선을 위해 두 개의 열을 더 만듭니다. 첫 번째 열에서 온도는 0.1 K 간격으로 273.15 K에서 ~279.15 K로 입력합니다. 두 번째 열에서 슬론 & 코^13의수식(1)을 사용하여 압력을 계산합니다.
   P [kPa] = 소비(a+b/T[K]) 여기서 = 38.98 및 b = -8533.80(1)
5. y축의 x축 및 압력(kPa)에 온도(K)를 통해 수화물 안정성 경계의 분산 플롯을 만듭니다. 각각 x 및 y 축에 실험 온도 와 압력으로 분산 플롯에 두 번째 계열을 추가합니다(그림4).
6. 시간 경과 이미징에 따르면 수화물 껍질이 눈에 띄게 된 그래프에 유의하십시오.

7. 장비를 유지 관리합니다.

1. 증발 된 에탄올을 대체하기 위해 모든 시험 전에 에탄올로 탱크 용액을 위로. 탱크 솔루션을 매월 완전히 교체하십시오.
2. 오링과 고무 와셔를 2개월마다 정기적으로 사용하십시오.
3. 긴축으로 고정되지 않은 영구 누출이 발생하는 경우 포트 연결을 교체합니다.

결과

이 방법을 사용하면 액적의 가스 수화물 쉘을 압력 셀의 사파이어 창을 통해 온도 및 압력 트랜스듀서를 통해 시각적으로 모니터링할 수 있습니다. 5MPa로 가압한 후 수화물 껍질을 핵에 넣은 건조 빙상은 압력 세포의 상단에 첨가되어 급속히 수화 결정화를 유발하기 위해 열 충격을 유도할 수 있다. 드라이 아이스 강제 수화물 껍질 형성시 명확한 형태적 차이가 있습니다. 물방울은 부드럽고 반사?...

토론

우리는 세실 물방울에 메탄 수화물 껍질을 안전하게 형성하고 10 MPa 작동 압력뿐만 아니라 가압 및 냉각 시스템에 정격 된 압력 셀을 기계화하고 조립하는 방법을 공유하는 방법을 개발했습니다. 압력 셀에는 임베디드 열전대를 포함하는 액적, 액적 시각화를 위한 사파이어 창 및 셀 상단에 고정된 압력 변환기가 장착되어 있습니다. 냉각 시스템에는 압력 셀이 배치되는 50% 에탄올 용액이 있는 탱?...

자료

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