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华娜试剂:微甲烷水合物形成的研究进展

来源:www.123chemical.com 发布时间:2017-08-23

纽约大学 Tandon 工程学院的研究人员正在使用一种新的方法来研究甲烷和水如何形成甲烷水合物, 使它们能够更快、更有效地检查过程中的离散步骤。

纽约大学的 Tandon 研究员, 由生物分子和化学工程的助理教授, 谁运行 Tandon 的流动化学与微计算机系统实验室, 使用微--精确控制和操纵流体通过约束他们毫米几何-随着温度的微小变化, 探索不确定的过程甲烷气体成为固体水合物时, 暴露在水中。

这项工作对工程和气候科学有影响。大量的甲烷被困在永久冻土和海底的北极床下, 大部分是在冰锁的甲烷水合物状态, 其中甲烷被封闭在水分子的笼子里。了解甲烷--吸收30倍于二氧化碳的太阳辐射--与水相互作用, 成为结晶性气体水合物; 相反, 它如何离解回到气态, 对于理解它如何催化或减缓气候变化是至关重要的。它还可能导致新的气体分离技术, 以及天然气的高效和安全储存, 因为天然气水合物矿床中的能源量至少是所有其他矿物燃料总和的两倍。

在《皇家化学学会学报》的一个芯片上的实验室里, 研究了热和质量的转移如何影响水合物的形成, 小组建立了一种研究甲烷水合物薄膜生长的新方法: 哈特曼实验室设计的热电冷却微通道反应器。独特的, 该技术允许 "逐步" 的温度变化, 大大减少实验时间从数小时或数天, 以分钟甚至几秒钟, 同时使更精确的过程, 通过原位光谱学技术检查。多亏了这项技术, 哈特曼的团队也是第一个能够测量质量转移的程度, 其中包括扩散等现象, 影响晶体的传播速率。

研究人员普遍认为, 天然气水合物的形成始于成核, 其中水分子开始形成一个格子, entraps "客" 分子的气体像甲烷。结晶, 其中的过程迅速向外扩展, 从这些晶体形成的种子到更大的结构-如在水和气体界面的床单-如下。由于传统的间歇式反应器 (主要是带有搅拌器和加热或冷却设备的高压罐) 的局限性, 水被过冷的甲烷气体 "覆盖", 因此, 对水合物形成过程中的成核和其他离散步骤的动力学研究很不清楚。这些系统要求水合物形成的相边界温度, 在那里边界是甲烷气体和过冷水之间的接口, 被降低多达10度开尔文。即便如此, 在这样的系统中, 成核可能需要数小时或数天。

利用这项新技术, 哈特曼的博士生围棋和博士后助理布鲁诺 Pinho 能够在更短的时间内, 在更大的批量系统中, 逐步 sub-cool 水分子的数量级小于所需量, 实现成核只有一级开尔文增量。

在哈特曼的等温系统中, 温度循环--实验温度在两个极端之间交替--以秒为单位的冷却速率, 使得研究人员能够迅速形成和使用原子核, 从而在比传统方法短得多的时间内进行大量的试验。

"核化很难预测," 哈特曼说。"在天然气水合物形成过程中, 可能需要几分钟或几天的时间。但是, 因为我们能够在几秒钟内循环温度, 我们可以形成种子晶体, 并使用我们形成的原子核性形成更大的晶体。

哈特曼的技术使团队能够证明, 晶体的传播速率取决于热传导 (例如对流或流体运动)、传质和内在结晶 (在热或传质过程中不受阻碍地形成水合物晶体的速率)。

"想象一下每天上下班都要用同样的路线上班," 哈特曼解释道。"你跨越三桥, 根据一天, 一, 二, 或所有三是拥挤。每座桥的速度减慢了多少, 相对于其他桥梁来说, 它决定了你上下班的总时间。在水合物结晶的背景下, 第一桥上的交通拥堵是传热阻力, 第二桥是传质阻力, 三是内在结晶。水合物晶体形成的速率可依赖于所有三。我们所做的是发现一种方法来衡量它。
 

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