Cristalização do hidrato de metano em gotículas de água sessile

Resumo

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

Resumo

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

Introdução

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

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

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

Udegbunam et al.¹¹ utilizaram um método desenvolvido para avaliar os KHIs em um estudo anterior¹⁰, que permite a análise de mecanismos de morfologia/crescimento, temperatura/pressão de vapor hidratado-líquido e cinética em função da temperatura. Jung et al. estudaram a substituição ch₄-CO₂ inundando a célula com CO_{2 depois} de formar uma concha de hidratação CH₄ ⁸. Chen et al. observaram o amadurecimento de Ostwald como a casca de hidratação forma⁹. Espinoza et al. estudaram conchas hidratadas de CO₂ em vários substratos minerais¹². O método gotícula é um método relativamente simples e barato para determinar o efeito morfológico de vários compostos e substratos em hidratos a gás e requer pequenas quantidades de aditivos devido ao pequeno volume. Este artigo descreve um método para formar tais conchas hidratadas em uma gota de água usando uma célula de aço inoxidável com uma janela de safira para visualização, avaliada em até 10 MPa de pressão de trabalho.

Protocolo

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

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

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

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

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

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

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

4. Teste a célula de pressão com água.

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

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

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

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

6. Analise os dados.

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

7. Mantenha o equipamento.

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

Resultados

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

Discussão

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

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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