Sessile Su Damlacıklarında Metan Hidrat Kristalizasyonu

Özet

Çeşitli inhibitörlerin, promotörlerin ve substratların hidrat kristal morfolojisi üzerindeki etkilerini incelemek için sessile su damlacıkları üzerinde gaz hidrat oluşturmak için bir yöntem açıklıyoruz.

Özet

Bu makalede, su damlacıkları üzerinde metan hidrat kabukları oluşturmak için bir yöntem açıklanmaktadır. Buna ek olarak, sessile damlacıkları için bir aşama, görselleştirme için bir safir pencere ve sıcaklık ve basınç dönüştürücüleri içeren 10 MPa çalışma basıncına derecelendirilmiş bir basınç hücresi için planlar sağlar. Hücreyi 5 MPa'ya basınçlandırmak için metan gazı silindirine bağlı bir basınç pompası kullanılır. Soğutma sistemi, bakır bobinler aracılığıyla etilen glikol ile soğutulan% 50 etanol çözeltisi içeren 10 galonluk (37,85 L) bir tanktır. Bu kurulum, sırasıyla soğutma ve basınçsızlaştırma sırasında hidrat oluşumu ve ayrışması ile ilişkili sıcaklık değişiminin gözlemlenmesine ve damlacığın morfolojik değişikliklerinin görselleştirilmesine ve fotoğraflanmasına olanak tanır. Bu yöntemle ~-6 °C ila -9 °C'de hızlı hidrat kabuğu oluşumu gözlendi. Basınç kaybı sırasında, ekzotermik hidrat ayrışması nedeniyle basınç/sıcaklık (P/T) stabilite eğrisinde 0,2 °C ila 0,5 °C sıcaklık düşüşü gözlendi ve sıcaklık düşüşünün başlangıcında erimenin görsel gözlemi ile doğrulandı. "Bellek etkisi" 2 MPa'dan 5 MPa'ya basınçlandırıldıktan sonra gözlendi. Bu deneysel tasarım, damlacık basıncının, sıcaklığının ve morfolojisinin zaman içinde izlenmesini sağlar ve bu da bunu hidrat morfolojisi üzerinde çeşitli katkı maddelerini ve substratları test etmek için uygun bir yöntem haline getirir.

Giriş

Gaz hidratları, van der Waals etkileşimleri yoluyla konuk gaz moleküllerini hapseden hidrojenle bağlanmış su moleküllerinin kafesleridir. Metan hidratları, doğada kıta kenarları boyunca yüzey altı tortusunda, Arktik permafrosta ve güneş sistemindeki diğer gezegen cisimlerinde meydana gelen yüksek basınç ve düşük sıcaklık koşullarında oluşur¹. Gaz hidratları, iklim ve enerji için önemli etkileri olan birkaç bin gigaton karbon depolar². Gaz hidratları doğal gaz endüstrisinde de tehlikeli olabilir, çünkü gaz boru hatlarında hidratlar için elverişli koşullar oluşur, bu da ölümcül patlamalara ve petrol sızıntılarına yol açan boruları tıkayabilir³.

Gaz hidratlarını yerindeincelemenin zorluğu nedeniyle, laboratuvar deneyleri genellikle hidrat özelliklerini ve inhibitörlerin ve substratların etkisini karakterize etmek için kullanılır⁴. Bu laboratuvar deneyleri, çeşitli şekil ve boyutlardaki hücrelerde yüksek basınçta gaz hidrat yetiştirilerek gerçekleştirilir. Gaz boru hatlarında gaz hidrat oluşumunu önleme çabaları, antifriz proteinleri (AFP'ler), yüzey aktif maddeler, amino asitler ve polivinilipirrolidon (PVP)^5,6dahil olmak üzere çeşitli kimyasal ve biyolojik gaz hidrat inhibitörlerinin keşfedilmesine yol açmıştır. Bu bileşiklerin gaz hidrat özellikleri üzerindeki etkilerini belirlemek için, bu deneyler otoklavlar, kristalizatörler, karıştırılmış reaktörler ve 0,2 ila 10⁶ santimetreküp⁴hacimleri destekleyen sallanan hücreler de dahil olmak üzere çeşitli gemi tasarımları kullanmıştır.

Burada ve önceki çalışmalarda kullanılan sessile damlacık yöntemi⁷,^8,9,10,^11,12, basınç hücresi içindeki su damlacıklarında bir gaz hidrat filmi oluşturmayı içerir. Bu kaplar, 10-20 MPa'ya kadar basınçları karşılamak için paslanmaz çelik ve safirden yapılmıştır. Hücre bir metan gazı silindirine bağlı. Bu çalışmalardan ikisi, PVP 7^,11gibi ticari kinetik hidrat inhibitörlerine (KHI) kıyasla AFP'leri gaz hidrat inhibitörleri olarak test etmek için damlacık yöntemini kullandı. Bruusgard ve ark.⁷ inhibitörlerin morfolojik etkisine odaklandı ve Tip I AFP'leri içeren damlacıkların, yüksek itici güçlerde inhibitörler olmadan dendritik damlacık yüzeyinden daha pürüzsüz, camsı bir yüzeye sahip olduğunu buldu.

Udegbunam ve ark.^11, önceki bir çalışmada KHI'leri değerlendirmek için geliştirilen bir yöntem kullandı¹⁰Morfoloji / büyüme mekanizmalarının, hidrat-sıvı-buhar dengesi sıcaklığının / basıncının ve kinetiğin sıcaklığın bir işlevi olarak analizini sağlar. Jung ve arkadaşları, CH₄hidrat kabuğu₈ oluşturduktan sonra hücreyi CO 2 ile doldurarak CH 4 -CO₂ değişimini inceledi. Chen ve ark. hidrat kabuğu⁹oluştururken Ostwald olgunlaşmasını gözlemledi. Espinoza ve ark. çeşitli mineral substratlarda CO₂ hidrat kabuklarını inceledi¹². Damlacık yöntemi, çeşitli bileşiklerin ve substratların gaz hidratları üzerindeki morfolojik etkisini belirlemek için nispeten basit ve ucuz bir yöntemdir ve küçük hacim nedeniyle az miktarda katkı maddesi gerektirir. Bu makalede, görselleştirme için safir pencereli, 10 MPa'ya kadar çalışma basıncı derecelendirilmiş paslanmaz çelik bir hücre kullanarak bir su damlası üzerinde bu tür hidrat kabukları oluşturmak için bir yöntem açıklanmaktadır.

Protokol

1. Basınç hücresini tasarlayın, doğrulayın ve makine halinen.

1. Hücreyi, bir su damlasından hidrat oluşumunun doğrudan görselleştirilmesine izin vermek için tasarlayın. Hücrenin, sıvı/gaz girişi, çıkış, ışık ve teller için bir ana hazneye ve dört bağlantı noktasına sahip olduğundan emin olun (Şekil 1). Mühendislik tasarım yazılımında son tasarımı oluşturun (Ek Şekil S1).
2. Basınç hücresinin yüksek basınç altında çalışarak güvenli olup olmadığını kontrol etmek için simülasyon yazılımı kullanarak sonlu bir eleman analizi yapın.
   1. Mühendislik tasarım yazılımından simülasyon yazılımına tam boyutlu basınç hücresi modelini girin.
   2. Safir pencereye 400 GPa'lık bir Young modülü ve 0,29'lık poisson oranı atayın.
   3. Tüm paslanmaz çelik parçalar için, Young'ın 190 GPa modülüne ve Poisson'un 0,27 oranına sahip paslanmaz çelik 316'yı atayın.
   4. Adım adım, hücrenin içine 0 ila 1, 2, 3, 4 5, 6, 7, 8, 9 ve 10 MPa hava basıncı uygulayın(Ek Video S1 ve Ek Video S2). Yönetim denklemlerindeki zamana bağlı terimleri yoksayarak her yükleme adımını statik bir sorun olarak ele alın ve basınçlandırma sırasında yalnızca elastik deformasyonu göz önünde bulundurun.
   5. Çeşitli basınç koşullarında(Ek Tablo S1 ve Ek Tablo S2)stres dağılımını ve hücrenin deformasyonunu hesaplamak için simülasyon yazılımındaki doğrudan doğrusal denklem çözücüsüyü kullanın.
3. Basınç hücresi tasarımının güvenli olduğu doğrulandıktan sonra, tüm parçaların mühendislik tasarım yazılımı planına göre işlenmiş olmasını sağlayın.

2. Basınç hücresini monte edin (Şekil 1).

1. Dört Ulusal Boru Konik (NPT) dişini tesisatçı bandı ile basınç hücresindeki ilgili bağlantı noktalarına vidaleyin.
2. Şema tasarımını(Ek Şekil S1, C, D ve E parçaları) kullanarak aydınlatma portunu monte edin ve sol üst NPT vidasına bağlayın.
3. Dal tee bağlantı elemanını ve bağlantı noktası konektör montajını kullanarak basınç dönüştürücüsünü üst bağlantı noktası NPT'ye bağlayın.
4. Giriş iğnesi vanasını sol taraftaki NPT vidasına bir bağlantı noktası konnektörü bağlantısı kullanarak bağlayın.
5. Basınç hücresinin sağ tarafındaki bağlantı noktasına bir basınç contası konektörü takın. Basınç contası konnektöründen üç K tipi termokuple teli yerleştirin ve hücrenin içine 3" gevşeklik ve hücrenin dışında 3' gevşeklik yerleştirin.
6. Sahne yüzeyini zımpara kağıdı ile parlatın(Ek Şekil S1, Parça F).
7. Termokuplesları sahnedeki ilgili deliklere yerleştirin, böylece uçlar sahnenin üst kısmıyla yıkanır. Termokuplları yerinde sabitlemek ve kurumasını sağlamak için her delikte küçük bir damla tutkal kullanın.
8. Işık yansımasını geliştirmek için akrilik diski basınç hücresinin arka duvarına takın. Sahneyi basınç hücresine sığdırın.
9. Safir pencereyi takın.
   1. İki statik sızdırmazlık O-halkasına (bir 1" ve bir 1-1/5") vakum yağı uygulayın. O halkalarını basınç hücresindeki pencere deliğinin etrafındaki oluklara takın.
   2. Safir pencereyi takın. Safir pencereyi 2-1/4" kauçuk yıkayıcı ile kaplar ve paslanmaz çelik yıkayıcıya vida(Ek Şekil S1, Bölüm B) sekiz M8 paslanmaz çelik vida (Şekil 2C)kullanarak.

3. Ekipmanı büyük bir duman başlığına monte edin(Şekil 2).

NOT: Metan basınç altında yanıcı bir gaz olduğundan, metanla ilgili tüm boruları ve kapları ısıdan, kıvılcımlardan, açık alevden ve sıcak yüzeylerden uzak tutun. Tüm ekipmanları iyi havalandırılmış bir alana (örneğin, duman kaputu) kurun. Metan gazı ile çalışmadan önce güvenlik gözlükleri ve laboratuvar önlüğü yapmayın.

1. Basınç pompasını, tüm ekipmanın sığacak kadar büyük bir duman kaputuna dikkatlice kaldırın (Şekil 2A). Pompa kontrol cihazını pompa tabanının üzerine yerleştirin. Pompa kontrol cihazını pompaya bağlayın ve bir güç şeridine takın.
2. Metan gazı silindiri üzerindeki regülatörden basınç pompasının girişindeki duman kaputuna kadar yüksek basınç dereceli 1/4" bakır boru çalıştırın (Şekil 2A,B).
3. Veri kaydediciyi basınç pompasının yanına yerleştirin ve dizüstü bilgisayarı veri kaydediciye ayarlayın (Şekil 2A). Her ikisini de bir güç şeridine takın. Veri kaydediciyi, veri kaydedici USB'si aracılığıyla dizüstü bilgisayara bağlayın.
4. Dizüstü bilgisayarda, basınç hücresindeki veri kaydediciyi, kamerayı ve basınç dönüştürücüserini kontrol etmek için uygun yazılımı yükleyin.
5. Akvaryumu veri kaydedicinin yanına yerleştirin ve titreşimleri basınç hücresiyle sınırlamak için akvaryumun altına liçsiz dolgu yerleştirin (Şekil 2C).
6. Yeni bir 1/4" bakır boru kullanarak, bakır boruyu akvaryuma sığacak şekilde iki kez oval bir şekilde sarmak ve basınç hücresinin içeride oturması için yer bırakmak(Şekil 2D). Bobinin basınç hücresindeki safir pencereyi engellemediğine emin olun. Safir pencereyi görüntülemek için akvaryumdaki basınç hücresini yükseltin.
7. Sirkülasyon soğutucuyu duman kaputunun yanındaki zemine yerleştirin (Şekil 2A). Soğutucuyu 50/50 v/v etilen glikol/su ile doldurun.
   NOT: Etilen glikol tehlikeli olduğundan, dökülürken eldiven, laboratuvar önlüğü ve gözlük de dahil olmak üzere uygun güvenlik kıyafetleri kullanın.
8. Soğutucu giriş ve çıkışını akvaryumdaki bakır boru uçlarına bağlamak için 3/8" (iç çap) plastik borunun iki uzunluğunu kesin. Kesmeden önce köpük boru yalıtımı için yeterli gevşeklik olduğundan emin olun.
9. Plastik boruyu köpük boru yalıtımı boyunca kaydırın.
10. Yalıtımlı plastik boruyu, dolaşımdaki soğutucudaki giriş ve çıkıştan akvaryumun içindeki bakır bobinin uçlarına bağlayın. Tesisatçının bandını metal parçaların etrafına sararak ve solucan tahrik hortumu kelepçeleri ile bağlantıları sıkılaştırarak contaları sabitleyin. Soğutucuyu açın ve yüksek hızda dolaşacak şekilde ayarlayın. Sızıntı olmadığından emin olun.
11. Akvaryumun içindeki bakır bobin/plastik boru bağlantılarının etrafına sualtı dolgu macunu uygulayın. Dolgu macunlarının tedavi etmesine izin verin. Dolgu macunlarını koli bandı ile sarın.
12. Basınç pompası borularını takın (Şekil 2E).
    NOT: Aletleri kullanmadan önce bağlantıları her zaman elle sıkın ve NPT bağlantılarını tesisatçının bandıyla asla ayırmayın, çünkü iyi bir şekilde yeniden mühürlemezler.
    1. Tesisatçı bandı kullanarak pompa ile birlikte gelen şirket bağlantı parçaları ile basınç pompasının her iki tarafına 1/8" paslanmaz çelik boru takın (Şekil 2F).
    2. Bir boru bükücü ile, bağlantıda bükülmeyi önlemek için 1/8" boruyu pompadan yaklaşık 2" uzakta, 90 ° açıyla öne doğru bükün.
    3. Bir boru bükücü ile, 1/8" boruyu ilk virajdan yaklaşık 2" uzakta, 90 ° açıyla aşağı doğru bükün.
    4. Her iki taraftaki 1/8" boruya 1/8" adaptör takmak için 1/8" ila 1/4" adaptör takın (Şekil 2G).
    5. Her iki tarafa da adaptör takmak için 1/4" boru takın.
       NOT: Vanayı pompanın yanına yapıştırmak için, 1/4" boruyu, takılı vananın iki vida deliğinin yanına oturacak şekilde kesin.
    6. 1/4" iğne vanalarını takın (Şekil 2H). Vanaları basınç pompasına yapıştırıyorsanız, iğne valf bağlantıları arasında sabitlemek için vidalar için iki adet 1/16" delik ve bir adet 1/2" delikli bir çelik veya plastik plaka işleyin. Plakayı valf bağlantıları arasına yerleştirin ve plakayı pompanın yanına vidalayın.
       NOT: İğne vanalarındaki okların yüksek basınçtan (basınç pompasının içinde) düşük basınca (basınç pompasının dışına) işaret etmesini sağlayın.
    7. 1/4" örgülü paslanmaz çelik esnek basınç dereceli hortumun bir ucunun basınç pompasının çıkış vanasına, diğer ucunun bir ucunun da basınç hücresinin yan vanasına bağlayın.
    8. Termokuplları basınç hücresinden veri kaydedici çok kanallı kullanarak veri kaydedici kanallarına bağlayın. Tank çözeltisinin sıcaklığını ölçmek için ek bir termokupl tel bağlayın ve diğer ucunun tanka konmasının.
    9. Basınç hücresindeki basınç dönüştürücüslerini dizüstü bilgisayara bağlayın.
    10. Daha net görüntüleme için akvaryumun içindeki basınç hücresini öne yakın bir şekilde ayarlayın.
13. Akvaryumu yalıtmak için, akvaryumun dışını folyo kaplı fiberglas ile sarın, kameranın basınç hücresinin safir penceresini görüntülemesi için bir delik / yarık ile sarın. Deneyler sırasında buharlaşmayı önlemek için akvaryumun üstünü yalıtım malzemesi ile örtün.
    NOT: Işık kaynağından ısı birikmesini önlemek için akvaryum üstünü sıkıca kapatmaktan kaçının.
14. Akvaryumun ön tarafında nemli havanın yoğunlaşmasını önlemek için, plastik boruyu en yakın hava vanasından, kameranın işaret edeceği akvaryumun önüne kadar çalıştırın, böylece borular fotoğraflarda görünmez.
15. Işık kaynağı ünitesini akvaryumun yanına ayarlayın ve güç şeridine takın.
16. Kamerayı akvaryumun önüne, lens safir pencereye doğru işaret ederek ayarlayın. Kamerayı dizüstü bilgisayara ve güç şeridine takın.
17. Olası sızıntı hasarını önlemek için kaput yüzeyindeki tüm elektronik eşyaları yükseltin. Prizlerin güç kapasitesi için gücün dağıtıldığını iki kez kontrol edin.

4. Basınç hücresini su ile sızdırarak test edin.

NOT: Tüm bağlantıların düzgün bir şekilde kapatıldığından emin olmak için, özellikle NPT vidalarını kestikten sonra, hücre yeniden bir araya geldiğinde basınç hücresini suyla sızdırarak test edin. Safir pencereyi veya üst vanayı çıkardıktan sonra bu gerekli değildir. Su basınç altında gazdan daha güvenlidir.

1. Dizüstü bilgisayardaki basınç dönüştürücü yazılımını açın ve 1 s tarama aralığında veri toplamaya başlayın.
2. Basınç pompasını ve kontrol cihazını açın. Basıncı izlemek için basınç pompası denetleyicisinde A Pompası'na basın.
3. Pompada basınç varsa, hem pompa giriş hem de çıkış vanaları hala kapalıyken basınç pompası denetleyicisinde Yeniden Doldur tuşuna basarak basıncı azaltın.
4. Her iki basınç hücresi valfi de açıkken, kalan basıncı yavaşça serbest bırakmak için pompa çıkış vanasını ~1/16" hafifçe açın.
5. Bağlıysa, 1/4" bakır boruyu basınç pompasındaki giriş vanasından çıkarın.
6. Somun ve yüksük seti kullanarak pompa giriş vanasına 1/4" esnek boru takın. Borunun ucunu bir galon suya yerleştirin.
7. Pompanın çıkış vanasını kapatın ve pompanın giriş vanasını açın.
8. Pompa pistonunun suyla doldurulması için basınç pompası denetleyicisine Yeniden Doldur'a basın.
9. Basınç hücresini akvaryumun dışındaki sığ boş bir kaba ayarlayın.
10. Üst porttan su çıkana ve basınç hücresini tamamen doldurana kadar havayı basınç hücresinden arındırın.
    1. Pompanın giriş vanasını kapatın ve pompanın çıkış vanasını açın.
    2. Basınç hücresindeki vanaların hala açık olduğundan emin olun.
    3. Maksimum (maksimum) akışı 100 mL/dk olarak ayarlayın: basınç pompası denetleyicisinde Sınırlar'abasın; maksimum akış için 3 tuşuna basın; maksimum akışı ayarlamak için 1 tuşuna basın; 100'deyumruk; Enter tuşunabasın.
    4. Önceki sayfaya ulaşmak için D tuşuna basın.
    5. Sabit akış hızını 100 mL/dk olarak ayarlayın: basınç pompası denetleyicisinde Const Flow tuşunabasın; akış hızı için A tuşuna basın; 100'deyumruk; Enter tuşunabasın. Çalıştır 'abasın.
    6. Su çıkmazsa veya pistondaki hacim yetersizse, pompa çıkış vanasını kapatarak, pompa giriş vanasını suda boru ile açarak pistonunu tekrar doldurun ve Yeniden Doldur 'abasın. Ardından, pompa giriş vanasını kapatarak, pompa çıkış vanasını açarak, akış hızını 100olarak ayarlayarak ve Çalıştır 'a basarak havayı temizle.
    7. Basınç hücresinin üst bağlantı noktasından su çıktıktan sonra sızıntı olup olmadığını kontrol edin ve sızan bağlantıları sıkın. Durdur tuşunabasın. Basınç hücresi çıkışı (üst) vanasını kapatın.
11. Basınç hücresini basınçlandırın.
    NOT: Basınç hücresine basınç vermeden önce güvenlik gözlükleri takmayın.
    1. Hücrenin hızlı basınçlandırılmasını önlemek için maksimum akış sınırını 10 mL / dk olarak ayarlayın: basınç pompası denetleyicisinde, Sınırlar'abasın; maksimum akış için 3 tuşuna basın; maksimum akışı ayarlamak için 1 tuşuna basın; 10'dayumruk; Enter tuşunabasın.
    2. Hücreyi 100 kPa'ya basın: basınç pompası denetleyicisinde Const Press'e basın; A tuşunabasın; 100'deyumruk; Enter tuşunabasın. Çalıştır 'abasın.
    3. Sızıntı olup olmadığını kontrol edin. Bir sızıntı varsa, pompa denetleyicisinde Durdur'a basın, sızıntı bileşenlerini sıkın, Çalıştır'a basın ve 100 kPa'da sızıntı olmayana kadar tekrarlayın. Pompa çıkış vanasını kapatarak ve basınç dönüştürücü yazılımındaki basınç hücresinin basıncını izleyerek sızıntı olmadığından emin olun.
       NOT: Basınç sürekli olarak azalırsa ve oda sıcaklığı değişimi nedeniyle normal dalgalanma değilse, bir sızıntı vardır.
    4. Basıncı 50 kPa'dan 100 kPa'ya 500 kPa'ya, ardından 100 kPa'dan 500 kPa'dan 1.000 kPa'ya ve son olarak 1.000 kPa'dan ~10.000 kPa'ya yükseltir. Const Press ayarını daha önce olduğu gibi değiştirerek bunu yapın. Basınç ayarları arasında, pompa çıkış vanasını kapatın ve basıncın sabit olduğundan emin olmak için hücrenin basıncını eskisi gibi izleyin. Basınç düşerse, sızan bileşenleri dikkatlice sıkın.
12. 10.000 kPa'ya ulaştıktan sonra pompa çıkış vanasını kapatın ve basınç hücresinin basınç dönüştürücüye göre basıncı ne kadar iyi tuttuğunu gözlemleyin. Basınçtaki tutarlı bir düşüş bir sızıntıya işaret ettiği için, bağlantıları daha düşük basınçta sıkın, ~1.000 kPa.
13. Basıncı açmak için pompa çıkış vanasını açın ve basıncı 100 kPa'ya ayarlayın. Basınç platoları olduktan sonra, basınç hücresi çıkış vanasını hafifçe açın.
14. Basınç pompasından su çıkarmak için pompa giriş vanasını kapatın, maksimum akışı ve Konst Akış ayarlarını 100 mL/dkolarak değiştirin ve pompa boşalana kadar Çalıştır'a basın.
15. 1/4" esnek boruyu pompa girişinden çıkarın. Örgülü paslanmaz çelik hazneyi basınç hücresinden çıkarın. Her iki vanayı da açın ve suyu boşaltın. Hücrenin tamamen kurumasını sağlamak için safir pencereyi çıkarın.

5. Damlacık yüzeyinde bir metan hidrat kabuğu oluşturur.

1. Ekipmanı hazırlayın.
   1. Metan silindir regülatörünü yeni bir somun ve yüksük seti kullanarak 1/4" bakır boru ile pompaya bağlayın. Gaz tüpünün kapalı olduğundan emin olun.
   2. Damlacık ekleme tekniğini uygulayın.
      1. Damlacığı safir pencereye yönlendirmeye yardımcı olmak için damarın ucuna bir açıyla kesilmiş IV boru gibi esnek bir ucu yapıştırın. Kanolaya 1 mL şırıngar takın ve istenen deiyonize su hacmini (~50-300 μL) çekin. İğne vanası veya safir pencere takılı olmadan, kanülün ucunu üst bağlantı noktasına yerleştirin ve damlayı orta sahneye atmayı uygulayın. Damlacık yerleştirmeyi uyguladıktan sonra, damlayı çıkarın ve sahneyi kurutun.
         NOT: Bu protokolde şırınna 250 μL deiyonize su alınmıştır.
   3. Safir pencereyi ve pulları M8 vidalarla yeniden takın. Örgülü paslanmaz çelik hortumu basınç pompasından basınç hücresine bağlayın ve gaz silindirinden basınç hücresine kadar tüm bağlantıların sıkı olup olmadığını iki kez kontrol edin. Basınç hücresi giriş vanasını (yan valf) açın ve akvaryumdaki basınç hücresini ayarlayın. Basınç hücresi aydınlatma portuna fiber optik ışık kaynağı kablosu takın.
   4. Akvaryuma, ışık kaynağı bağlantısının hemen altındaki basınç hücresinin üst kısmıyla aynı seviyeye gelene kadar 50/50 etanol/su (v/v) ekleyin. Davlumbaz akışının açık olduğundan emin olun. Çözelti seviyesi sonraki haftalarda gelecekteki denemelere önce düştüğünde, daha fazla etanol ekleyin. Çözümü aylık olarak değiştirin.
   5. Soğutucuyu hücre içinde ~0 °C ila 3 °C (~-4 °C) elde edecek sıcaklığa ayarlayın ve bobinler arasında dolaşmaya başlayın. Akvaryum yüzeyinde yoğuşmaları önlemek için hava akışını akvaryumun önüne açın.
   6. Veri kaydedici yazılımında bir sıcaklık günlüğü başlatın. Tarama aralığını 30 s olarak ayarlayın. Basınç hücresinin içindeki sıcaklık 2 °C'de (~6-24 saat) sabit olana kadar bekleyin.
2. Dizüstü bilgisayardaki kamera görünümünü kullanarak basınç hücresine bir su damlası ekleyin.
   1. Işık kaynağını ~%80'e açın. Kamera yazılımını açın. Canlı görüntüde, kamera lensini hücrenin iç odasına odakla. En iyi görüntüleme için ışık kaynağını ayarlayın.
   2. 1 s tarama aralığıyla yeni bir sıcaklık günlüğü başlatın.
   3. Takılıysa, çıkış iğne vanasını basınç hücresinin üst portunda ayırın. Kanolaya 1 mL şırıngar takın ve istenen deiyonize su hacmini (~50-300 μL) çekin.
      NOT: Bu protokolde şırınna 250 μL deiyonize su çekilmiştir.
   4. Cannula'ı, kamera yazılımında canlı görüntü modunda uç görünene kadar üst bağlantı noktasına yerleştirin. Sıvı damlacığı şırıngamdan merkezi termokuple atın. İğne vanasını yeniden takın.
3. Kamerayı basınç hücresindeki damlacık üzerine odakla. Her ~60 s'de bir zaman atlamalı görüntülemeye başlayın.
4. Dizüstü bilgisayardaki basınç dönüştürücü yazılımını açın ve grafikte ve veri günlüğünde 1 s tarama aralığında (sıcaklık tarama aralığıyla aynı) veri toplamaya başlayın. Damlacık sıcaklığı 0-3 °C arasında sabit olana kadar bekleyin.
5. Basınç hücresini istediğiniz basınca bastırın.
   NOT: Hücreye basınç basmadan önce güvenlik gözlükleri takmayın.
   1. Pompayı ve kumandayı açın. Basınç pompasının giriş vanasını kapatın.
   2. Pompanın çıkış vanasını ve basınç hücresinin vanalarını açın.
      NOT: Basınç hücresi giriş vanası her zaman açık olmalıdır.
   3. Basınç pompası denetleyicisinde Sıfır'a basarak pompa basıncını daraleyin. Basıncı izlemek için basınç pompası denetleyicisinde Pompa A'yı seçin.
   4. Pompada metan gazı dışında farklı bir sıvı varsa basınç pompasının boş olduğundan emin olun. Bunu, maksimum akışı ve Const Flow'u 100 mL/dk olarak ayarlayarak ve Çalıştır 'abasarak yapın. Pompa boşalana kadar çalışır durumda bırakın. Pompa çıkış vanasını kapatın ve pompa giriş vanasını açın.
   5. Gaz tüpünü açın ve gaz silindiri regülatörünü 1.000 kPa'ya ayarlayın.
   6. Basınç pompası kontrol ünitesinde Yeniden Doldur'a basın. Pompa dolduğunda ve 1.000 kPa'ya yaklaştığında, pompa giriş vanasını ve gaz silindirini kapatın.
   7. Pompa çıkış vanasını hücreye hafifçe açın (~1/16" çevirin). Basınç hücresindeki nispeten düşük sıcaklık nedeniyle basınç azalabileceği için basınç dönüştürücü yazılımındaki basınç hücresi basıncını izleyin.
   8. Maksimum akışı 10 mL / dakolarak ayarlayın: basınç pompası denetleyicisinde, Sınırlar'abasın; maksimum akış için 3 tuşuna basın; maksimum akışı ayarlamak için 1 tuşuna basın; 10'dayumruk; Enter tuşunabasın.
   9. Maksimum basıncı 5.000 kPa'yaayarlayın: basınç pompası denetleyicisinde, Sınırlar'abasın; 1'ebasın; 5000yılında yumruk; Enter tuşunabasın.
   10. Sabit basıncı 1.000 kPa'yaayarlayın : basınç pompası denetleyicisinde Const Press'e basın; A tuşunabasın; 1000'deyumruk; Enter tuşunabasın. Çalıştır 'abasın.
   11. 1.000 kPa'ya ulaşıldığında, pompa kontrol ünitesinde Durdur tuşuna basın ve pompanın çıkış vanasını kapatın. Sızıntı olmadığından emin olmak için basınç hücresindeki basıncı izleyin. Basınç düşerse, bağlantılardaki sızıntıyı bulmak için sıvı sızıntı dedektörünü kullanın ve sızıntı bileşenlerini dikkatlice sıkın.
   12. Hücre sabitse, pompa çıkışını açın ve Const Press'i 2.000 kPa'ya ayarlayın. Durdur ve izle'ye basın. 2.000 kPa'da kararlıysa, Const Press'i 3.000 kPa olarak ayarlayın. Durdur ve izle'ye basın. 3.000 kPa'da kararlıysa, Const Press'i 4.000 kPa olarak ayarlayın. Durdur ve izle'ye basın. 4.000 kPa'da kararlıysa, Const Press'i 5.000 kPa olarak ayarlayın. Durdur ve izle'ye basın.
   13. Basınç sabitse, pompa çıkışını kapatın.
       NOT: Pompa hacmi biterse, pompa çıkışını kapatın ve pompa girişini hafifçe açın. Gaz tüpünü yavaşça açın ve gaz regülatörünü 1.000 kPa'ya ayarlayın. Pompa kontrol ünitesinde Yeniden Doldur'a basın. Pompa yeniden doldurulduğunda, gaz tüpünü ve pompa girişini kapatın. Pompayı basınç hücresi basıncına uyacak şekilde basınçlandırın.
   14. Gazın damlacıklara nüfuz etmesi için ~12-24 saat bekleyin.
6. Kuru buz kullanarak hidrat kabuğunu çekirdeklendirin.
   1. Her 2-5 sn'de bir görüntü çekmek için zaman atlamalıyı değiştirin.
   2. Hidrat kabuğu zaman atlamalı olarak görülene kadar hücrenin üstüne kuru buz ekleyin. Kuru buz kayarsa, hücrenin üst kısmına bant yapıştırın.
7. ~2-6 saat boyunca hızlandırılmış fotoğraflar aracılığıyla metan hidrat oluşumunun ilerlemesini gözlemleyin.
8. Pompa çıkışını açarak ve Const Press'i 2.000 kPa'ya ayarlayarak hücreyi 2.000 kPa'ya düşür. Erimenin ne zaman gerçekleştiğini not edin.
   NOT: Çözünmüş gazın kaçması nedeniyle sessile damlacığındaki kabarcıklanma meydana gelebilir.
9. ~30 dk sonra, bellek etkisini gözlemlemek için basınç hücresini 5.000 kPa'ya yeniden basınçlandırın. Hidrat kabuğunun ne zaman reform yapmaya başladığını not edin. Kabuğun ~30 dakika ila 2 saat boyunca oluşmasına izin verin.
10. Pompa çıkışını açarak ve Const Press'i 0 kPa'ya ayarlayarak hücrenin basıncını düşür. Basınç hücresinde artık basınç varsa, basınç hücresi üst vanasını ~1/16" hafifçe açın.
11. Basınç ve sıcaklık verilerini .csv dosyaları olarak kaydedin.
12. Daha önce olduğu gibi üst basınçlı hücre vanasını çıkararak ve damlacığı şırınna/canül/IV tüp ile çıkararak damlacığı çıkarın. Denemeler arasında kontaminasyon endişesi varsa, safir pencereyi çıkarın ve sahneyi sterilize edin ve vakum gresini değiştirin. Basınç hücresi oda sıcaklığına ısındıktan sonra safir pencereyi çıkarmak için bir emme kabı kullanın.

6. Verileri analiz edin.

1. Dosyaların sıcaklığını ve basıncını .csv.
2. Yeni bir elektronik tablo yapın. Basınç .csv zaman ve basınç sütunlarını ve sıcaklık .csv dosyasındaki zaman ve sıcaklığı yeni elektronik tabloya kopyalayın.
3. X ekseninde zaman ve sıcaklık ve basınç ile iki y ekseni ile bir dağılım grafiği yapın(Ek Şekil S2).
4. Hidrat stabilite eğrisi için iki sütun daha yapın. İlk sütunda, sıcaklıkları 0,1 K aralıklarla 273,15 K ila ~279,15 K arasında girin. İkinci sütunda, Sloan & Koh¹³formülünü (1) kullanarak basıncı hesaplayın.
   P [kPa] = exp(a+b/T [K]) burada a = 38,98 ve b = -8533,80 (1)
5. X ekseninde sıcaklık (K) ve y ekseninde basınç (kPa) ile hidrat stabilite sınırının bir saçılma grafiğini yapın. Sırasıyla x ve y eksenleri üzerinde deneysel sıcaklık ve basınç ile saçılma arsasına ikinci bir seri ekleyin (Şekil 4).
6. Zaman atlamalı görüntülemeye göre hidrat kabuğunun görünür hale geldiği grafiklere dikkat edin.

7. Ekipmanın bakımını sağlayın.

1. Buharlaştırılmış etanol yerine her denemeden önce tank çözeltisini etanol ile kapatın. Tank çözeltisini aylık olarak tamamen değiştirin.
2. Her 2 aylık düzenli kullanımda o-halkaları ve kauçuk yıkayıcıyı değiştirin.
3. Sıkarak düzeltilmeyen kalıcı sızıntı meydana gelirse bağlantı noktası bağlantılarını değiştirin.

Sonuçlar

Bu yöntemle, bir damlacık üzerindeki bir gaz hidrat kabuğu, basınç hücresinin safir penceresinden ve sıcaklık ve basınç dönüştürücüleri aracılığıyla görsel olarak izlenebilir. 5 MPa'ya basınç verdikten sonra hidrat kabuğunu çekirdeklendirmek için, basınç hücresinin üstüne kuru buz eklenebilir ve hızlı hidrat kristalizasyonunu tetiklemek için termal bir şoka neden olabilir. Kuru buzla zorlanan hidrat kabuğu oluşumunda açık bir morfolojik fark vardır. Su damlası pürüzsüz, yansı...

Tartışmalar

Sessile su damlacıklarında metan hidrat kabuklarını güvenli bir şekilde oluşturmak ve bu yöntemi 10 MPa çalışma basıncına sahip bir basınç hücresinin yanı sıra basınç ve soğutma sistemlerini makineleştirmek ve monte etmek için paylaşmak için bir yöntem geliştirdik. Basınç hücresi, gömülü termokuples içeren damlacık için bir sahne, damlacığı görselleştirmek için bir safir pencere ve hücrenin üstüne sabitlenmiş bir basınç dönüştürücü ile donatılmıştır. Soğutma sist...

Malzemeler

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