Name: methane hydrate crystallization on sessile water droplets
Uploaded: 2021-05-26T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Methane Hydrate Crystallization on Sessile Water Droplets at JoVE.com

La subvention d’exobiologie 80NSSC19K0477 de la NASA a financé cette recherche. Nous remercions William Waite et Nicolas Espinoza pour leurs précieuses discussions.

1. Concevez, validez et usinez la cellule de pression.
<ol><li>Concevez la cellule pour permettre la visualisation directe de la formation d’hydrates à partir d’une gouttelette d’eau. Assurez-vous que la cellule dispose d’une chambre principale avec une fenêtre en saphir transversale et quatre orifices pour l’entrée, la sortie, la lumière et les fils de fluide/gaz(Figure 1). Créer la conception finale dans un logiciel de conception technique (Figure supplémentaire S...

<ol>
	<li>Bohrmann, G., Torres, M. E., Schulz, H. D., Zabel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gas+hydrates+in+marine+sediments.">Gas hydrates in marine sediments.</a> Marine Geochemistry. , 481-512 (2006).</li><li>Ruppel, C. D., Kessler, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+interaction+of+climate+change+and+methane+hydrates.">The interaction of climate change and methane hydrates.</a> Reviews of Geophysics. 55 (1), 126-168 (2017).</li><li>Hammerschmidt, E. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+gas+hydrates+in+natural+gas+transmission+lines.">Formation of gas hydrates in natural gas transmission lines.</a> Industrial and Engineering Chemistry. 26, 851-855 (1934).</li><li>Ke, W., Kelland, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Kinetic+hydrate+inhibitor+studies+for+gas+hydrate+systems:+a+review+of+experimental+equipment+and+test+methods.">Kinetic hydrate inhibitor studies for gas hydrate systems: a review of experimental equipment and test methods.</a> Energy &amp; Fuels. 30 (12), 10015-10028 (2016).</li><li>Kelland, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+kinetic+hydrate+inhibitors+from+an+environmental+perspective.">A review of kinetic hydrate inhibitors from an environmental perspective.</a> Energy &amp; Fuels. 32 (12), 12001-12012 (2018).</li><li>Walker, V. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Antifreeze+proteins+as+gas+hydrate+inhibitors.">Antifreeze proteins as gas hydrate inhibitors.</a> Canadian Journal of Chemistry. 93 (8), 839-849 (2015).</li><li>Bruusgaard, H., Lessard, L. D., Servio, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphology+study+of+structure+I+methane+hydrate+formation+and+decomposition+of+water+droplets+in+the+presence+of+biological+and+polymeric+kinetic+inhibitors.">Morphology study of structure I methane hydrate formation and decomposition of water droplets in the presence of biological and polymeric kinetic inhibitors.</a> Crystal Growth &amp; Design. 9 (7), 3014-3023 (2009).</li><li>Jung, J. W., Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Properties+and+phenomena+relevant+to+CH4-CO2+replacement+in+hydrate-bearing+sediments.">Properties and phenomena relevant to CH4-CO2 replacement in hydrate-bearing sediments.</a> Journal of Geophysical Research. 115 (10102), 1-16 (2010).</li><li>Chen, X., Espinoza, D. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ostwald+ripening+changes+the+pore+habit+and+spatial+variability+of+clathrate+hydrate.">Ostwald ripening changes the pore habit and spatial variability of clathrate hydrate.</a> Fuel. 214, 614-622 (2018).</li><li>DuQuesnay, J. R., Diaz Posada, M. C., Beltran, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+gas+hydrate+reactor+design:+3-in-1+assessment+of+phase+equilibria,+morphology+and+kinetics.">Novel gas hydrate reactor design: 3-in-1 assessment of phase equilibria, morphology and kinetics.</a> Fluid Phase Equilibria. 413, 148-157 (2016).</li><li>Udegbunam, L. U., DuQuesnay, J. R., Osorio, L., Walker, V. K., Beltran, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phase+equilibria,+kinetics+and+morphology+of+methane+hydrate+inhibited+by+antifreeze+proteins:+application+of+a+novel+3-in-1+method.">Phase equilibria, kinetics and morphology of methane hydrate inhibited by antifreeze proteins: application of a novel 3-in-1 method.</a> The Journal of Chemical Thermodynamics. 117, 155-163 (2018).</li><li>Espinoza, D. N., Santamarina, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water-CO2-mineral+systems:+Interfacial+tension,+contact+angle,+and+diffusion+-+Implications+to+CO2+geological+storage.">Water-CO2-mineral systems: Interfacial tension, contact angle, and diffusion - Implications to CO2 geological storage.</a> Water Resources Research. 46 (7537), 1-10 (2010).</li><li>Sloan, E. D., Koh, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Clathrate Hydrates of Natural Gases. 3rd edn. , (2007).</li><li>Makogon, I. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Hydrates of natural gas. , 125 (1981).</li><li>Johnson, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mainly+on+the+plane:+deep+subsurface+bacterial+proteins+bind+and+alter+clathrate+structure.">Mainly on the plane: deep subsurface bacterial proteins bind and alter clathrate structure.</a> Crystal Growth &amp; Design. 20 (10), 6290-6295 (2020).</li></ol>

Nous avons développé une méthode pour former des coquilles d’hydrate de méthane sur des gouttelettes d’eau sessiles en toute sécurité et partager cette méthode pour usiner et assembler une cellule de pression nominale à 10 MPa de pression de travail, ainsi que les systèmes de pressurisation et de refroidissement. La cellule de pression est équipée d’un étage pour la gouttelette contenant des thermocouples intégrés, d’une fenêtre en saphir pour visualiser la gouttelette et d’un transducteur de pre...

Les hydrates de gaz sont des cages de molécules d’eau liées à l’hydrogène qui piègent les molécules de gaz invitées via des interactions de van der Waals. Les hydrates de méthane se forment dans des conditions de haute pression et de basse température, qui se produisent dans la nature dans les sédiments souterrains le long des marges continentales, sous le pergélisol arctique et sur d’autres corps planétaires du système solaire1. Les hydrates de gaz stockent plusieurs milliers de gigatonnes de carbone, avec des implications importantes pour le climat et l’énergie2. Les hydrates de gaz peuvent également être dangereux dans l’industrie du gaz naturel car des conditions favorables aux hydrates se produisent dans les gazoducs, ce qui peut obstruer les tuyaux entraînant des explosions mortelles et des déversements d’hydrocarbures3.
En raison de la difficulté d’étudier les hydrates de gaz in situ,des expériences de laboratoire sont souvent utilisées pour caractériser les propriétés des hydrates et l’influence des inhibiteurs et des substrats4. Ces expériences de laboratoire sont réalisées en cultivant de l’hydrate de gaz à pression élevée dans des cellules de différentes formes et tailles. Les efforts visant à prévenir la formation d’hydrates de gaz dans les gazoducs ont conduit à la découverte de plusieurs inhibiteurs chimiques et biologiques des hydrates de gaz, notamment des protéines antigel (AFP), des tensioactifs, des acides aminés et de la polyvinylpyrrolidone (PVP)5,6. Pour déterminer les effets de ces composés sur les propriétés des hydrates de gaz, ces expériences ont utilisé diverses conceptions de cuves, y compris des autoclaves, des cristalliseurs, des réacteurs agités et des cellules à bascule, qui supportent des volumes de 0,2 à 106 centimètres cubes4.
La méthode des gouttelettes sessiles utilisée ici et dans les études précédentes7,8,9,10,11,12 consiste à former un film d’hydrate de gaz sur une gouttelette d’eau sessile à l’intérieur d’une cellule de pression. Ces récipients sont en acier inoxydable et en saphir pour supporter des pressions allant jusqu’à 10-20 MPa. La cellule est reliée à une bouteille de méthane. Deux de ces études ont utilisé la méthode des gouttelettes pour tester les AFP en tant qu’inhibiteurs d’hydrates de gaz par rapport aux inhibiteurs d’hydrates cinétiques (KHI) commerciaux, tels que le PVP7,11. Bruusgard et al.7 se sont concentrés sur l’influence morphologique des inhibiteurs et ont constaté que les gouttelettes contenant des AFP de type I ont une surface plus lisse et vitreuse que la surface des gouttelettes dendritiques sans inhibiteurs à des forces motrices élevées.
Udegbunam et al.11 ont utilisé une méthode développée pour évaluer les KHI dans une étude précédente10, qui permet l’analyse de la morphologie / mécanismes de croissance, de la température / pression d’équilibre hydrate-liquide-vapeur et de la cinétique en fonction de la température. Jung et al. ont étudié le remplacement du CH4-CO2 en inondant la cellule de CO2 après avoir formé une coquille d’hydrate deCH4 8. Chen et al. ont observé la maturation d’Ostwald lorsque la coquille hydrate se forme9. Espinoza et al. ont étudié les coquilles d’hydrate de CO2 sur divers substrats minéraux12. La méthode des gouttelettes est une méthode relativement simple et peu coûteuse pour déterminer l’effet morphologique de divers composés et substrats sur les hydrates de gaz et nécessite de petites quantités d’additifs en raison du faible volume. Cet article décrit une méthode pour former de telles coquilles d’hydrate sur une gouttelette d’eau à l’aide d’une cellule en acier inoxydable avec une fenêtre en saphir pour la visualisation, jusqu’à une pression de service allant jusqu’à 10 MPa.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>CAMERA AND LAPTOP</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera Body</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>D7200</td>
			<td>Name in Protocol: camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Camera Control Pro 2 Software</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: camera software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laptop</td>
			<td>HP Pavilion</td>
			<td>hp-pavilion-laptop-14-ce0068st</td>
			<td>Needs to be PC with plenty of storage (~ 1 Tb) 
			Name in Protocol: laptop</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Macrophotography Lens</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>AF-S MICRO 105mm f/2.8G IF-ED Lens</td>
			<td>Name in Protocol: lens</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CONSUMABLES</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deionized water</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: DI water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dry Ice</td>
			<td>VWR or grocery store</td>
			<td></td>
			<td>Buy just before nucleation 
			Name in Protocol: dry ice</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: ethanol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethylene Glycol</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: ethylene glycol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>COOLING SYSTEM</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/2 in. O.D. x 3/8 in. I.D. x 25 ft. Polyethylene Tubing</td>
			<td>Everbilt</td>
			<td>Model # 301844</td>
			<td>For circulating coolant from chiller to copper coils in aquarium 
			Name in Protocol: 3/8&#8221; (inner diameter) plastic tubing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Circulating chiller</td>
			<td>Polyscience</td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: chiller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Economical Flexible Polyethylene Foam Pipe Insulation</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>4530K162</td>
			<td>3/4&#34; thick wall; 1/2&#34; inner diameter; R Value 3; 6&#39; long 
			Name in Protocol: foam pipe insulation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic tubing</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DATALOGGER</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Armature Multiplexer Module for 34970A/ 
			34972A, 20-Channel</td>
			<td>Keysight Technologies</td>
			<td>34901A</td>
			<td>Name in Protocol: datalogger multichannel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Benchvue or Benchlink software</td>
			<td>Benchvue or Benchlink</td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: temperature transducer software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Data Acquisition/Switch Unit. GPIB, RS232</td>
			<td>Keysight Technologies</td>
			<td>34970A</td>
			<td>Name in Protocol: datalogger</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>USB/GPIB interface</td>
			<td>Keysight Technologies</td>
			<td>82357B</td>
			<td>Name in Protocol: datalogger USB</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>datalogger multichannel</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Schott Fostec -Llc 20510 Ace Fiber Optic Light Source</td>
			<td>Schott Fostec</td>
			<td>A20500</td>
			<td>3115PS-12W-B20 115 V ~AC 50/60Hz 5/4.5 W 
			Name in Protocol: light source unit</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Schott Fostec light source guide - single bundle</td>
			<td>Schott Fostec</td>
			<td>A08031.40</td>
			<td>Name in Protocol: fiber optic light source cable</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>METHANE GAS AND REGULATOR</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil</td>
			<td>Everbilt</td>
			<td>Model # D 04020PS</td>
			<td>For pressurizing ISCO pressure pump. An additional pack is needed for coolant circulation, as listed below. 
			Name in Protocol: high pressure-rated 1/4&#8221; copper pipe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methane cylinder regulator</td>
			<td>Airgas</td>
			<td>Y11N114G350-AG</td>
			<td>Name in Protocol: methane cylinder regulator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methane gas cylinder</td>
			<td>Airgas</td>
			<td>ME UHP300</td>
			<td>Name in Protocol: methane gas cylinder</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PRESSURE PUMP</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4 in.&#160; flexible tubing, ~ 3 ft.</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Connect to pump inlet for leak test 
			Name in Protocol: 1/4&#34;&#160; flexible tubing</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>260D Syringe Pump W/Controller</td>
			<td>Teledyne Instruments Inc.</td>
			<td>67-1240-520</td>
			<td>Name in Protocol: pressure pump</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Controller &#8722; Ethernet/USB</td>
			<td>Teledyne Instruments Inc.</td>
			<td>62-1240-114</td>
			<td>Purchase if you would like to install Labview onto computer and control pressure pump remotely. We did not do this.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/4&#34; OD, 0.035&#34; Wall Thickness, 1 Foot Long (x5)</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>89785K824</td>
			<td>Name in Protocol: 1/4&#34; pipe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Smooth-Bore Seamless 316 Stainless Steel Tubing, 1/8&#34; OD, 0.02&#34; Wall Thickness, 1 Foot Long (x4)</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>89785K811</td>
			<td>Name in Protocol: 1/8&#34; pipe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Reducing Union, 1/4 in. x 1/8 in. Tube OD (x4)</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>&#160;SS-400-6-2</td>
			<td>Name in Protocol: 1/8&#8221; to 1/4&#8221; adapter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PRESSURE CELL</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>316 Stainless Steel Nut and Ferrule Set (1 Nut/1 Front Ferrule/1 Back Ferrule) for 1/4 in. Tube Fitting (20)</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>&#160;SS-400-NFSET</td>
			<td>Used for fitting connections where necessary 
			Name in Protocol: ferrule set</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>316L Stainless Steel Convoluted (FM) Hose, 1/4 in., 316L Stainless Steel Braid, 1/4 in. Tube Adapters, 60 in. (1.5 m) Length</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>SS-FM4TA4TA4-60</td>
			<td>Connects pressure pump to pressure cell 
			Name in Protocol: 1/4&#34; braided stainless steel flexible pressure-rated hose</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ABAQUS</td>
			<td>ABAQUS FEA</td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: simulation software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Abrasion-Resistant Cushioning Washer for 7/8&#34; Screw Size, 0.875&#34; ID, 2.25&#34; OD, packs of 10 (x1)</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>90131A107</td>
			<td>Name in Protocol: 2.25&#34; rubber washer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Abrasion-Resistant Sealing Washer, Aramid Fabric/Buna-N Rubber, 3/8&#34; Screw Size, 0.625&#34; OD, packs of 10 (x1)</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>93303A105</td>
			<td>Used for illumination port</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acrylic Sheet | White 2447 / WRT31 
			Extruded Paper-Masked (Translucent 55% (0.118 x 12 x 12)</td>
			<td>Interstate Plastics</td>
			<td>ACRW7EPSH</td>
			<td>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</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AutoCAD</td>
			<td>AutoCAD</td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: engineering design software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Conax fitting</td>
			<td>Conax Technologies</td>
			<td>311401-011</td>
			<td>TG(PTM2/)-24-A6-T, OPTIONAL 1/4&#34; NPT 
			Name in Protocol: pressure seal connector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High Accuracy Oil Filled Pressure 
			Transducers/Transmitters for General 
			industrial applications (x2)</td>
			<td>Omega Engineering, Inc.</td>
			<td>PX409-3.5KGUSBH</td>
			<td>Buy two so there is a backup. 
			Name in Protocol: pressure transducer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HIGH PRESSURE CHAMBER&#160; PARTS</td>
			<td>Wither Tool, Die and Manufacturing Company</td>
			<td></td>
			<td>Machining for pressure cell parts as listed in CAD drawings (Figure S1) 
			Name in Protocol: Part B = stainless steel washer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M5 x 0.80 mm Thread, 14 mm Long (x20)</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>90037A119</td>
			<td>Used for illumination port</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-Strength 316 Stainless Steel Socket Head Screw, M8 x 1.25 mm Thread, 25 mm Long (x20)</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>90037A133</td>
			<td>Name in Protocol: M8 stainless steel screws</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 120, packs of 50 (x1)</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>5308T178</td>
			<td>Name in Protocol: 1&#34; o-ring</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oil-Resistant Hard Buna-N O-Ring, 3/32 Fractional Width, Dash Number 128, packs of 50 (x1)</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>5308T186</td>
			<td>Name in Protocol: 1.5&#34; o-ring</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Omega Inc. pressure transducer software</td>
			<td>Omega Engineering, Inc.</td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: pressure transducer software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polycarbonate Disc</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>8571K31</td>
			<td>Listed in CAD drawings for illumination port, Fig. S1 Part E</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sapphire windows (x3)</td>
			<td>Guild Optical Associates, Inc.</td>
			<td>Optical Grade Sapphire Window, C-Plane 
			Diameter: 1.811&#8221; &#177;.005&#8221; 
			Thickness: .590&#8221; &#177;.005&#8221; 
			Surface Quality: 60/40 
			Edges ground and safety chamfered</td>
			<td>Buy three so there are two backups. 
			Name in Protocol: sapphire window</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solid Thermocouple Wire FEP Insulation and Jacket, Type K, 24 Gauge, 50 ft. Length (x1)</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>3870K32</td>
			<td>Name in Protocol: thermocouples</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless Steel Integral Bonnet Needle Valve, 0.37 Cv, 1/4 in. Swagelok Tube Fitting, Regulating Stem (x4)</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>&#160;SS-1RS4</td>
			<td>Two will be used for the pressure pump as well. 
			Name in Protocol: 1/4&#34; needle valves</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless Steel Pipe Fitting, Hex Nipple, 1/4 in. Male NPT (x2)</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>&#160;SS-4-HN</td>
			<td>Used for illumination port</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>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)</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>&#160;SS-400-3-4TTF</td>
			<td>Used with pressure transducer 
			Name in Protocol: branch tee fitting</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Male Connector, 1/4 in. Tube OD x 1/4 in. Male NPT (x4)</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>&#160;SS-400-1-4</td>
			<td>Used on top port and side port leading to needle valves 
			Name in Protocol: NPT screws</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless Steel Swagelok Tube Fitting, Port Connector, 1/4 in. Tube OD (x8)</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>&#160;SS-401-PC</td>
			<td>Use as tube connections between NTP and valve connections 
			Name in Protocol: port connector fitting</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TANK</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/4 OD in. x 20 ft. Copper Soft Refrigeration Coil</td>
			<td>Everbilt</td>
			<td>Model # D 04020PS</td>
			<td>For circulating coolant 
			Name in Protocol: 1/4&#34; copper pipe</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10 gallon aquarium</td>
			<td>Tetra</td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: 10 gallon tank</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2 oz. Waterweld</td>
			<td>J-B Weld</td>
			<td>Model # 8277</td>
			<td>Name in Protocol: underwater sealant</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3 in. x 25 ft. Foil Backed Fiberglass Pipe Wrap Insulation</td>
			<td>Frost King</td>
			<td>Model # SP42X/16</td>
			<td>For wrapping around aquarium 
			Name in Protocol: foil-lined fiberglass</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3/8 7/8 in. Stainless Steel Hose Clamp (10 pack)</td>
			<td>Everbilt</td>
			<td>Model # 670655E</td>
			<td>Name in Protocol: worm drive hose clamps</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Styrofoam</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: insulating material</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TOOLS</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1-1/8 in. Ratcheting Tube Cutter</td>
			<td>Husky</td>
			<td>Model # 86-036-0111</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1/2 in. to 1 in. Pipe Cutter</td>
			<td>Apollo</td>
			<td>Model # 69PTKC001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Adjustable wrench (x2)</td>
			<td>Steel Core</td>
			<td>Model # 31899</td>
			<td>Need two wrenches with jaw at least 1&#34;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Allen wrench set</td>
			<td>Home Depot</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Duct tape</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: duct tape</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Flexible tubing, like an IV line, to fit on the end of grainger probe (canula)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: IV tube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Grainger 18 gauge probe</td>
			<td>Grainger</td>
			<td></td>
			<td>For inserting droplet 
			Name in Protocol: cannula</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High Vacuum Grease</td>
			<td>Dow corning</td>
			<td></td>
			<td>Apply to o-rings before inserting sapphire window 
			Name in Protocol: vacuum grease</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Klein Tools Professional 90 Degree 4-in-1 Tube Bender</td>
			<td>Klein Tools</td>
			<td>Model # 89030</td>
			<td>Name in Protocol: tube bender</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Snoop liquid leak detector</td>
			<td>Swagelok</td>
			<td>MS-SNOOP-8OZ</td>
			<td>To detect leaks when pressurized when methane 
			Name in Protocol: liquid leak detector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Suction cup</td>
			<td>Home Depot</td>
			<td></td>
			<td>For removing tight fitting sapphire window 
			Name in Protocol: suction cup</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Teflon Tape</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Name in Protocol: plumber&#39;s tape</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Temflex 3/4 in. x 60 ft. 1700 Electrical Tape Black</td>
			<td>3M</td>
			<td>Model # 1700-1PK-BB40</td>
			<td>Name in Protocol: electrical tape</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

methane hydrate crystallization on sessile water droplets

Cet article décrit une méthode pour former des coquilles d’hydrate de méthane sur des gouttelettes d’eau. En outre, il fournit des plans pour une cellule de pression nominale à une pression de service de 10 MPa, contenant un étage pour les gouttelettes sessiles, une fenêtre en saphir pour la visualisation et des transducteurs de température et de pression. Une pompe à pression reliée à une bouteille de méthane est utilisée pour pressuriser la cellule à 5 MPa. Le système de refroidissement est un réservoir de 10 gallons (37,85 L) contenant une solution d’éthanol à 50% refroidie par éthylène glycol à travers des bobines de cuivre. Cette configuration permet d’observer le changement de température associé à la formation et à la dissociation des hydrates lors du refroidissement et de la dépressurisation, respectivement, ainsi que la visualisation et la photographie des changements morphologiques de la gouttelette. Avec cette méthode, la formation rapide de coquille d’hydrate a été observée à ~-6 °C à -9 °C. Au cours de la dépressurisation, une baisse de température de 0,2 °C à 0,5 °C a été observée à la courbe de stabilité pression/température (P/T) due à la dissociation exothermique des hydrates, confirmée par l’observation visuelle de la fusion au début de la chute de température. L'« effet mémoire » a été observé après repressurisation à 5 MPa de 2 MPa. Cette conception expérimentale permet de surveiller la pression, la température et la morphologie de la gouttelette au fil du temps, ce qui en fait une méthode appropriée pour tester divers additifs et substrats sur la morphologie des hydrates.

Avec cette méthode, une coquille d’hydrate de gaz sur une gouttelette peut être surveillée visuellement à travers une fenêtre en saphir de la cellule de pression et via des transducteurs de température et de pression. Pour nucléer la coquille hydratante après pressurisation à 5 MPa, de la glace carbonique peut être ajoutée au sommet de la cellule de pression pour induire un choc thermique pour déclencher une cristallisation rapide de l’hydrate. Il existe une nette différence morphologique lors de la form...

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Methane Hydrate Crystallization on Sessile Water Droplets

Nous décrivons une méthode pour former de l’hydrate de gaz sur des gouttelettes d’eau sessile afin d’étudier les effets de divers inhibiteurs, promoteurs et substrats sur la morphologie du cristal hydraté.

Cristallisation de l’hydrate de méthane sur les gouttelettes d’eau sessile

This paper describes a method to form methane hydrate shells on water droplets. In addition, it provides blueprints for a pressure cell rated to 10 MPa ...

L’effet de divers additifs sur la morphologie des hydrates de gaz et sur la stabilité de la température de pression peut être testé. Mais l’intérêt principal réside dans la découverte de la façon dont les biomolécules peuvent interagir et affecter les hydrates de gaz in situ. Le principal avantage de ce protocole est que l’on peut former de manière reproductible une coquille hydratée sur une gouttelette sessile en toute sécurité.Le nivellement de l’étape de gouttelette est difficile et nécessite de la pratique car la gouttelette glisse sur une scène inégale. Familiarisez-vous également avec les connexions Swagelok et la sécurité concernant les gaz inflammables à haute pression. Commencez par connecter le régulateur de cylindre de méthane à la pompe avec un tuyau en cuivre d’un pouce sur quatre à l’aide d’un nouvel ensemble d’écrous et de ferrules.Collez une pointe flexible de tube IV, coupez un angle, à l’extrémité de la canule pour aider à diriger la gouttelette vers la fenêtre en saphir. Fixez une seringue d’un millilitre à la canule et tirez le volume d’eau désionisée souhaité. Sans la valve à aiguille ou la fenêtre en saphir attachée, insérez l’extrémité de la canule dans la planche supérieure et entraînez-vous à expulser la gouttelette sur la scène centrale.Reconnectez la fenêtre en saphir et les rondelles avec des vis M8 et fixez la vanne de la cellule de pression supérieure. Connectez le tuyau en acier inoxydable tressé de la pompe à pression à la cellule de pression. Et vérifiez que toutes les connexions de la bouteille de gaz à la cellule de pression sont étanches.Ouvrez la vanne d’entrée de la cellule de pression et réglez la cellule de pression dans l’aquarium. Insérez ensuite un câble de source lumineuse à fibre optique dans le port d’éclairage de la cellule de pression. Dans un aquarium rempli d’un rapport 50/50 d’éthanol et d’eau, ajoutez plus d’éthanol au fur et à mesure que le niveau de la solution diminue dans les semaines suivantes, jusqu’à ce qu’il soit au niveau supérieur de la cellule de pression, juste en dessous de la connexion de la source lumineuse.Réglez le refroidisseur à la température qui atteindra environ zéro à trois degrés Celsius à l’intérieur de la cellule et commencez à circuler à travers les bobines. Activez le flux d’air vers l’avant de l’aquarium pour éviter la condensation à la surface de l’aquarium. Démarrez un journal de température dans le logiciel de l’enregistreur de données.Réglez l’intervalle de balayage sur 30 secondes et attendez que la température à l’intérieur de la cellule de pression soit stable à deux degrés Celsius. Une fois la caméra placée, allumez la source lumineuse à environ 80% et ouvrez le logiciel de la caméra. Dans Live View, focalisons l’objectif de la caméra sur la chambre interne de la cellule et ajustez la source lumineuse pour une meilleure imagerie.Démarrez un nouveau journal de température avec un intervalle de balayage d’une seconde. Si vous êtes fixé, détachez la vanne de l’aiguille de sortie dans l’orifice supérieur de la cellule de pression. Fixez une seringue d’un millilitre à la canule et tirez le volume d’eau désionisée souhaité.Insérez la canule à travers la carte supérieure jusqu’à ce que la pointe soit visible dans le logiciel de l’appareil photo en mode Live View. Expulser la gouttelette de liquide de la seringue sur le thermocouple central. Ensuite, reconnectez la vanne à aiguille.Focalisation de la caméra sur la gouttelette dans la cellule de pression. Commencez l’imagerie time-lapse toutes les 60 secondes. Ouvrez le logiciel du transducteur de pression sur l’ordinateur portable.Commencez à collecter des données sur le graphique et le journal de données à l’intervalle de balayage d’une seconde, et attendez que la température des gouttelettes soit stable entre zéro et trois degrés Celsius. Allumez la pompe et le contrôleur. Fermez la vanne d’entrée de la pompe à pression.Ouvrez la vanne de sortie de la pompe et les vannes de la cellule de pression. Tare la pression de la pompe en appuyant sur zéro sur le contrôleur de la pompe à pression. Sélectionnez Pompe A sur le contrôleur de pompe à pression pour surveiller la pression.Assurez-vous que la pompe à pression est vide si un autre fluide que le méthane était présent dans la pompe. Pour ce faire, réglez le débit maximal et le débit constant à 100 millilitres par minute et appuyez sur Exécuter. Laissez-le fonctionner jusqu’à ce que la pompe soit vide.Fermez la vanne de sortie de la pompe et ouvrez la vanne d’entrée de la pompe. Ouvrez la bouteille de gaz et réglez le régulateur de la bouteille de gaz sur 1 000 kilopascals. Appuyez sur Recharger sur le contrôleur de la pompe à pression.Lorsque la pompe est pleine et proche de 1 000 kilopascals, fermez la vanne d’admission de la pompe et la bouteille de gaz. Ouvrez légèrement la vanne de sortie de la pompe sur la cellule. Surveillez la pression de la cellule de pression dans le logiciel du transducteur de pression, car elle peut diminuer en raison de la température relativement plus basse dans la cellule de pression.Réglez le débit maximal à 10 millilitres par minute, la pression maximale à 5 000 kilopascals et la pression constante à 1 000 kilopascals sur le contrôleur de la pompe à pression comme décrit dans le manuscrit du texte. Appuyez sur Exécuter. Lorsque 1 000 kilopascals sont atteints, appuyez sur Stop sur le contrôleur de la pompe et fermez la vanne de sortie de la pompe.Surveillez la pression dans la cellule de pression pour vous assurer qu’il n’y a pas de fuites. Si la pression chute, utilisez le détecteur de fuite de liquide pour trouver la fuite au niveau des connexions et serrez soigneusement les composants qui fuient. Si la cellule est stable, ouvrez la sortie de la pompe et réglez progressivement la pression constante à 2 000, 3 000, 4 000 et 5 000 kilopascals, en surveillant la stabilité de la cellule en appuyant sur Arrêter après chaque réglage.Si la pression est stable, fermez la sortie de la pompe et attendez environ 12 à 24 heures que le gaz pénètre dans la gouttelette. Changez le time-lapse pour prendre des images toutes les deux à cinq secondes. Ajoutez de la glace carbonique au sommet de la cellule jusqu’à ce que la coquille hydratante soit vue en accéléré.Si la glace carbonique glisse, apposez du ruban adhésif autour du haut de la cellule. Observez la progression de la formation d’hydrate de méthane à l’avance de photos en accéléré pendant deux à six heures. Dépressuriser la cellule à 2 000 kilopascals en ouvrant la sortie de la pompe et en réglant la pression constante à 2 000 kilopascals, en notant quand la fusion se produit.Après 30 minutes, repressurisez la cellule de pression à 5 000 kilopascals pour observer l’effet mémoire. Notez quand une coquille hydratée commence à se reformer et laissez la coquille se former pendant 30 minutes à deux heures. Dépressuriser la cellule en ouvrant la sortie de la pompe et en réglant la pression constante à 100 kilopascals.S’il y a une pression résiduelle dans la cellule de pression, ouvrez légèrement la soupape supérieure de la cellule de pression de 1/16 pouce. Enregistrez les données de pression et de température sous forme de fichiers CSV. Retirez la gouttelette en retirant la valve de la cellule de pression supérieure et en extrayant la gouttelette avec la seringue, la canule ou le tube IV.Suivez les instructions dans le manuscrit textuel s’il y a un problème de contamination entre les essais. Il y a une nette différence morphologique lors de la formation de coquilles hydratées forcées par la glace carbonique, où la gouttelette d’eau est passée d’une surface réfléchissante lisse à une coquille hydratée opaque avec une légère surface dendritique. L’ajout de 100 microgrammes par millilitre aux protéines antigel de type un a modifié la morphologie de l’hydrate en induisant des bords striés le long de la gouttelette et des protubérances du haut de la gouttelette.Après que la coquille d’hydrate se soit développée pendant une heure, la cellule a été dépressurisée à deux mégapascals, entraînant une chute de température de 2 à 5 degrés Celsius près de la courbe de stabilité P / T. En raison de la dissociation exothermique des hydrates, la dissociation des hydrates a été confirmée par fusion visuelle par imagerie time-lapse au début de la diminution de la température. Les témoins négatifs sans gouttelette et avec une gouttelette qui n’a pas formé une coquille d’hydrate n’ont montré aucune diminution de la température pendant la dépressurisation.Étant donné que le sommet de chaque degré de température était supérieur à la courbe de stabilité P/T précédemment établie, une courbe de régression a été calculée en fonction du sommet P/T de ces essais. Deux choses sont importantes à garder à l’esprit lors de l’exécution de ce protocole. Premièrement, vérifiez que toutes les connexions sont sécurisées avant de pressuriser, et deuxièmement, entraînez-vous à expulser la gouttelette avant de fixer la fenêtre en saphir.En suivant ce protocole, on peut calculer la consommation de gaz ainsi qu’analyser les images pour calculer l’épaisseur de la coquille d’hydrate, pour déterminer le volume d’hydrate formé.

Research

JoVE Journal

Environment

Laboratory-determined Phosphorus Flux from Lake Sediments as a Measure of Internal Phosphorus Loading

Déterminé en laboratoire Phosphore Flux de sédiments lacustres en tant que mesure de phosphore interne Chargement en cours

Eutrophication is a water quality issue in lakes worldwide, and there is a critical need to identify and control nutrient sources. Internal phosphorus (P) ...

Recherche

Environnement

EPA Method 1615. Measurement of Enterovirus and Norovirus Occurrence in Water by Culture and RT-qPCR. I. Collection of Virus Samples

Méthode EPA 1615. Mesure de entérovirus et Norovirus présence dans l&#39;eau par Culture et RT-qPCR. I. Prélèvement des échantillons de virus

EPA Method 1615 was developed with a goal of providing a standard method for measuring enteroviruses and noroviruses in environmental and drinking waters. ...

EPA Method 1615. Measurement of Enterovirus and Norovirus Occurrence in Water by Culture and RT-qPCR. Part III. Virus Detection by RT-qPCR

Méthode EPA 1615. Mesure des entérovirus et Norovirus présence dans l&#39;eau par la culture et RT-qPCR. Partie III. Détection de virus par RT-qPCR

EPA Method 1615 measures enteroviruses and noroviruses present in environmental and drinking waters. This method was developed with the goal of having a ...

A CO2 Concentration Gradient Facility for Testing CO2 Enrichment and Soil Effects on Grassland Ecosystem Function

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Un CO<sub&gt; 2</sub&gt; Facilité Concentration de Gradient pour les essais CO<sub&gt; 2</sub&gt; Enrichissement et du sol Effets sur l&#39;écosystème de prairie Fonction

Continuing increases in atmospheric carbon dioxide concentrations (CA) mandate techniques for examining impacts on terrestrial ecosystems. Most ...

Protocol for Measuring the Thermal Properties of a Supercooled Synthetic Sand-water-gas-methane Hydrate Sample

Protocole de mesure des propriétés thermiques d&#39;un synthétique Sable-eau-gaz-méthane Hydrate Sample surfondue

Methane hydrates (MHs) are present in large amounts in the ocean floor and permafrost regions. Methane and hydrogen hydrates are being studied as future ...

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