Forskare vid NYU Tandon School of Engineering använder ett nytt sätt att studera hur metan och vatten bildar metanhydrat som gör att de kan undersöka diskreta steg i processen snabbare och mer effektivt.
NYU Tandon-forskare under ledning av Ryan Hartman, en biträdande professor i biomolekylär och kemiteknik som driver Tandon's Flow Chemistry with Microsystems Laboratory, använder mikrofluidik – den exakta kontrollen och manipuleringen av vätskor genom att begränsa dem till submillimetergeometrier – tillsammans med små temperaturförändringar för att utforska den obestämda processen genom vilken metangas blir ett fast hydrat när det utsätts för vatten.
Arbetet har implikationer för ingenjörs- och klimatvetenskap. En enorm mängd metan är fångad i permafrost och under havets artic bed, mycket av det i ett islåst metanhydrattillstånd, där metan är inneslutet i burar av vattenmolekyler. Att förstå hur metan – som absorberar 30 gånger så mycket solstrålning som koldioxid – interagerar med vatten för att bli ett kristallint gashydrat och, omvänt, hur det dissocierar tillbaka till sitt gasformiga tillstånd, är avgörande för att förstå hur det kan katalysera, eller kanske långsam, klimatförändring. Det kan också leda till ny teknik för gasseparering, och effektiv och säker lagring av naturgas eftersom energimängden i naturgashydratavlagringar är minst dubbelt så stor som alla andra fossila bränslen tillsammans.
I forskning som utforskar hur överföring av värme och massa påverkar bildningen av hydrater, publiceras i Lab on a Chip , en tidskrift från Royal Society of Chemistry, laget etablerade en ny metod för att studera tillväxten av metanhydratfilmer:en termoelektriskt kyld mikrokanalreaktor designad av Hartmans laboratorium. Unikt, tekniken tillåter "stegvisa" temperaturförändringar, avsevärt minska experimenttiden från timmar eller dagar, till minuter eller till och med sekunder, samtidigt som det möjliggör en mycket mer exakt undersökning av processen genom in situ -spektroskopiska tekniker. Tack vare denna teknik är Hartmans team också först med att kunna mäta i vilken grad massöverföring, som inkluderar sådana fenomen som diffusion, påverkar kristallutbredningshastigheten.
Forskare är generellt överens om att gashydratbildning börjar med kärnbildning, varvid vattenmolekyler börjar bilda ett gallerverk som fångar "gäst"-molekyler av en gas som metan. Kristallisation, där processen snabbt expanderar utåt från dessa frön av kristallbildning till större strukturer - såsom ark vid gränsytan mellan vatten och gas - följer. Kinetiken för kärnbildning och andra diskreta steg på vägen till hydratbildning är dåligt förstådd delvis på grund av begränsningarna hos traditionella satsreaktorer (i huvudsak högtryckstankar med omrörare och värme- eller kylutrustning), där vattnet "täcks" med superkyld metangas. Sådana system kräver att fasgränstemperaturen för hydratbildning, där gränsen är gränsytan mellan metangas och superkylt vatten, sänkas med så mycket som 10 grader Kelvin. Ändå, kärnbildning kan ta timmar eller dagar i sådana system.
Med hjälp av den nya tekniken, Hartmans doktorand Weiqi Chen och postdoktor Bruno Pinho kunde stegvis underkyla vattenmolekyler en storleksordning mindre än vad som krävs i storskaliga batchsystem, uppnå kärnbildning med endast engradiga Kelvin-steg, över en mycket kortare tidsram.
I Hartmans isotermiska system, temperaturcykling - där experimentella temperaturer växlar mellan två ytterligheter - med kylhastigheter i storleksordningen sekunder, lät forskarna bilda och använda kärnorna tillräckligt snabbt för att genomföra ett stort antal tester på mycket kortare tid än traditionella metoder.
"Kärnbildning är svårt att förutsäga, ", sade Hartman. "Det kan ta minuter eller ibland dagar i bildandet av gashydrater. Men eftersom vi kan cykla temperaturen inom några sekunder kan vi bilda frökristaller och använda kärnorna vi bildar för att reproducerbart bilda större kristaller. "
Hartmans teknologi gjorde det möjligt för teamet att visa att utbredningshastigheten för kristaller är beroende av en kombination av värmeöverföring (genom konvektion eller vätskerörelse, till exempel), massöverföring, och inneboende kristallisation (den hastighet med vilken hydratkristaller bildas när de inte hindras av värme eller massöverföring).
"Tänk dig att pendla hemifrån till jobbet med samma väg varje dag, Hartman förklarade. "Du korsar tre broar, och beroende på dag, ett, två, eller alla tre är överbelastade. Hur mycket varje bro saktar ner dig, relativt sett jämfört med de andra, bestämmer den totala tiden för din pendling. I samband med hydratkristallisation, trafikstockningar på den första bron är värmeöverföringsmotstånd, den andra bron är massöverföringsmotstånd, och inre kristallisation den tredje. Den hastighet med vilken hydratkristaller bildas kan bero på alla tre. Vad vi har gjort är att hitta ett sätt att mäta det."
