Onderzoekers van de NYU Tandon School of Engineering gebruiken een nieuwe manier om te bestuderen hoe methaan en water methaanhydraat vormen, waardoor ze discrete stappen in het proces sneller en efficiënter kunnen onderzoeken.

NYU Tandon-onderzoekers onder leiding van Ryan Hartman, een assistent-professor biomoleculaire en chemische technologie die Tandon's Flow Chemistry leidt met Microsystems Laboratory, gebruiken microfluïdica - de precieze controle en manipulatie van vloeistoffen door ze te beperken tot submillimetergeometrieën - samen met kleine temperatuurveranderingen om het onbepaalde proces te onderzoeken waardoor methaangas een vast hydraat wordt wanneer het wordt blootgesteld aan water.

Het werk heeft implicaties voor techniek en klimaatwetenschap. Een enorme hoeveelheid methaan zit vast in permafrost en onder de oceaanbodem, veel ervan in een met ijs afgesloten methaanhydraattoestand, waarin methaan is ingesloten in kooien van watermoleculen. Begrijpen hoe methaan - dat 30 keer zoveel zonnestraling absorbeert als koolstofdioxide - interageert met water om een ​​kristallijn gashydraat te worden en, omgekeerd, hoe het dissocieert terug naar zijn gasvormige toestand, is van cruciaal belang om te begrijpen hoe het kan katalyseren, of misschien langzaam, klimaatverandering. Het zou ook kunnen leiden tot nieuwe technologieën voor gasscheidingen, en efficiënte en veilige opslag van aardgas, aangezien de hoeveelheid energie in aardgashydraatafzettingen minstens twee keer zo groot is als die van alle andere fossiele brandstoffen samen.

In onderzoek naar hoe de overdracht van warmte en massa de vorming van hydraten beïnvloedt, gepubliceerd in Lab op een chip , een tijdschrift van de Royal Society of Chemistry, het team ontwikkelde een nieuwe methode voor het bestuderen van de groei van methaanhydraatfilms:een thermo-elektrisch gekoelde microkanaalreactor ontworpen door Hartman's laboratorium. uniek, de technologie maakt "stapsgewijze" veranderingen in temperatuur mogelijk, de experimentele tijd enorm verkorten van uren of dagen, tot minuten of zelfs seconden, terwijl een veel nauwkeuriger onderzoek van het proces mogelijk wordt gemaakt door in situ spectroscopische technieken. Dankzij deze technologie is het team van Hartman ook de eerste die kan meten in welke mate massaoverdracht, waaronder fenomenen als diffusie, beïnvloedt de voortplantingssnelheid van kristallen.

Onderzoekers zijn het er in het algemeen over eens dat de vorming van gashydraat begint met kiemvorming, waarin watermoleculen een rooster beginnen te vormen dat "gast"-moleculen van een gas zoals methaan opsluit. Kristallisatie, waarin het proces zich snel naar buiten uitbreidt van deze zaden van kristalvorming naar grotere structuren - zoals platen op het grensvlak van water en gas - volgt. De kinetiek van kiemvorming en andere afzonderlijke stappen op weg naar hydraatvorming zijn slecht begrepen, deels vanwege de beperkingen van traditionele batchreactoren (in wezen hogedruktanks met roerwerken en verwarmings- of koelapparatuur), waarin water wordt "afgedekt" met supergekoeld methaangas. Dergelijke systemen vereisen dat de fasegrenstemperatuur voor hydraatvorming, waar de grens het grensvlak is tussen methaangas en supergekoeld water, met maar liefst 10 graden Kelvin worden verlaagd. Toch, kiemvorming kan in dergelijke systemen uren of dagen duren.

Door gebruik te maken van de nieuwe technologie, Hartman's promovendus Weiqi Chen en postdoctoraal medewerker Bruno Pinho waren in staat om watermoleculen stapsgewijs onder te koelen, een orde van grootte minder dan vereist in grootschalige batchsystemen, het bereiken van nucleatie in stappen van slechts één graad Kelvin, over een veel korter tijdsbestek.

In het isotherme systeem van Hartman, temperatuurcycli - waarbij experimentele temperaturen afwisselen tussen twee uitersten - met koelsnelheden in de orde van seconden, stelden de onderzoekers in staat om de kernen snel genoeg te vormen en te gebruiken om grote aantallen tests uit te voeren in een veel kortere tijd dan traditionele methoden.

"Nucleatie is moeilijk te voorspellen, " zei Hartman. "Het kan minuten of soms dagen duren in de vorming van gashydraten. Maar omdat we de temperatuur binnen enkele seconden kunnen veranderen, kunnen we zaadkristallen vormen en de kernen die we vormen gebruiken om reproduceerbaar grotere kristallen te vormen."

Dankzij de technologie van Hartman kon het team aantonen dat de voortplantingssnelheid van kristallen afhankelijk is van een combinatie van warmteoverdracht (door convectie of vloeistofbeweging, bijvoorbeeld), massa overdracht, en intrinsieke kristallisatie (de snelheid waarmee hydraatkristallen worden gevormd wanneer ze niet worden gehinderd door warmte- of massaoverdracht).

"Stel je voor dat je elke dag van huis naar je werk reist over dezelfde route, " legde Hartman uit. "Je steekt drie bruggen over, en afhankelijk van de dag, een, twee, of ze zijn alle drie overbelast. Met hoeveel elke brug je afremt, relatief gezien in vergelijking met de anderen, bepaalt de totale tijd van uw woon-werkverkeer. In de context van hydraatkristallisatie, verkeersopstoppingen op de eerste brug is weerstand tegen warmteoverdracht, de tweede brug is massaoverdrachtsweerstand, en intrinsieke kristallisatie de derde. De snelheid waarmee hydraatkristallen worden gevormd, kan van alle drie afhangen. Wat we hebben gedaan, is een manier vinden om het te meten."