Forskere udvikler en mikroreaktor til at studere dannelsen af ​​methanhydrat

Forskere ved NYU Tandon School of Engineering bruger et nyt middel til at studere, hvordan metan og vand danner metanhydrat, som giver dem mulighed for at undersøge diskrete trin i processen hurtigere og mere effektivt.

NYU Tandon-forskere ledet af Ryan Hartman, en assisterende professor i biomolekylær og kemiteknik, der driver Tandon's Flow Chemistry with Microsystems Laboratory, bruger mikrofluidik - den præcise kontrol og manipulation af væsker ved at begrænse dem til sub-millimeter geometrier - sammen med små ændringer i temperatur for at udforske den ubestemte proces, hvorved metangas bliver til et fast hydrat, når det udsættes for vand.

Arbejdet har betydning for ingeniør- og klimavidenskab. En enorm mængde metan er fanget i permafrost og under havets artiske bund, meget af det i en islåst metanhydrattilstand, hvor metan er indesluttet i bure af vandmolekyler. At forstå, hvordan metan - som absorberer 30 gange så meget solstråling som kuldioxid - interagerer med vand og bliver til et krystallinsk gashydrat og, omvendt, hvordan det dissocierer tilbage til sin gasformige tilstand, er afgørende for en forståelse af, hvordan det kan katalysere, eller måske langsomt, klima forandring. Det kan også føre til nye teknologier til gasadskillelse, og effektiv og sikker lagring af naturgas, da mængden af ​​energi i naturgashydratforekomster er mindst det dobbelte af alle andre fossile brændstoffer tilsammen.

I forskning, der undersøger, hvordan overførsel af varme og masse påvirker dannelsen af ​​hydrater, udgivet i Lab on a Chip , et tidsskrift fra Royal Society of Chemistry, holdet etablerede en ny metode til at studere væksten af ​​methanhydratfilm:en termoelektrisk afkølet mikrokanalreaktor designet af Hartmans laboratorium. Unikt, teknologien tillader "trinvise" ændringer i temperatur, kraftigt reducerer eksperimentel tid fra timer eller dage, til minutter eller endda sekunder, samtidig med at det muliggør en meget mere præcis undersøgelse af processen gennem in situ spektroskopiske teknikker. Takket være denne teknologi er Hartmans team også det første, der er i stand til at måle i hvilken grad masseoverførsel, som omfatter sådanne fænomener som diffusion, påvirker krystaludbredelseshastigheder.

Forskere er generelt enige om, at dannelse af gashydrat begynder med kernedannelse, hvori vandmolekyler begynder at danne et gitterværk, der fanger "gæste"-molekyler af en gas som metan. Krystallisation, hvor processen hurtigt udvider sig udad fra disse frø af krystaldannelse til større strukturer - såsom plader på grænsefladen mellem vand og gas - følger. Kinetikken af ​​nukleation og andre diskrete trin på vejen til hydratdannelse er dårligt forstået, delvist på grund af begrænsningerne ved traditionelle batch-reaktorer (i det væsentlige højtrykstanke med omrørere og opvarmnings- eller køleudstyr). hvori vand er "tæppet" med superafkølet metangas. Sådanne systemer kræver, at fasegrænsetemperaturen for hydratdannelse, hvor grænsen er grænsefladen mellem metangas og superafkølet vand, sænkes med så meget som 10 grader Kelvin. Ikke desto mindre, kernedannelse kan tage timer eller dage i sådanne systemer.

Ved at bruge den nye teknologi, Hartmans ph.d.-studerende Weiqi Chen og postdoc-medarbejder Bruno Pinho var i stand til gradvist at underkøle vandmolekyler en størrelsesorden mindre end krævet i større batchsystemer, opnåelse af kernedannelse ved kun én grads Kelvin-stigninger, over en meget kortere tidsramme.

I Hartmans isotermiske system, temperaturcyklus – hvor eksperimentelle temperaturer veksler mellem to yderpunkter – med afkølingshastigheder i størrelsesordenen sekunder, gjorde det muligt for forskerne at danne og bruge kernerne hurtigt nok til at udføre et stort antal test på meget kortere tid end traditionelle metoder.

"Kernedannelse er svær at forudsige, " sagde Hartman. "Det kan tage minutter eller nogle gange dage i dannelsen af ​​gashydrater. Men fordi vi er i stand til at cykle temperaturen inden for få sekunder, kan vi danne frøkrystaller og bruge de kerner, vi danner, til reproducerbart at danne større krystaller."

Hartmans teknologi tillod teamet at demonstrere, at krystallers formeringshastighed er afhængig af en kombination af varmeoverførsel (gennem konvektion eller væskebevægelse, for eksempel), masseoverførsel, og indre krystallisation (den hastighed, hvormed hydratkrystaller dannes, når de ikke hæmmes af varme- eller masseoverførsel).

"Forestil dig at pendle fra hjem til arbejde på den samme rute hver dag, Hartman forklarede. "Du krydser tre broer, og alt efter dag, en, to, eller alle tre er overbelastede. Hvor meget hver bro bremser dig, relativt set i forhold til de andre, bestemmer den samlede tid for din pendling. I forbindelse med hydratkrystallisation, trafikpropper på den første bro er varmeoverførselsmodstand, den anden bro er masseoverførselsmodstand, og indre krystallisation den tredje. Den hastighed, hvormed hydratkrystaller dannes, kan afhænge af alle tre. Det, vi har gjort, er at finde en måde at måle det på."