甲烷水合物晶体生长分析的创新技术

科学家从纽约大学坦顿工程学院采用了一种创新技术，用于分析水和甲烷的甲烷水合物的形成。该技术使科学家能够快速，非常有效地研究形成过程中的个别步骤。

Headed by Ryan Hartman, an Assistant Professor of Biomolecular and Chemical Engineering who is in charge of Tandon’s Flow Chemistry with Microsystems Laboratory, the NYU Tandon Scientists have adopted microfluidics along with small changes in temperature for analyzing the unpredictable process through which methane gas is transformed into a solid hydrate upon exposure to water. Microfluidics involves the accurate manipulation and control of fluids by restraining them to sub-millimeter geometries.

这项研究对工程和气候科学领域具有重要意义。亚博老虎机网登录大量的甲烷被困在北极海底和永冻层中。其中很大一部分甲烷处于冰封的甲烷水合物状态，甲烷被水分子笼包裹着。

获取对甲烷的方式的深入知识，随着与二氧化碳相比的30次吸收太阳辐射的方式，与水反应形成晶体水合物，并相比，将其再次破裂的方式它的气态对于了解如何能够催化，或者可能减缓气候变化至关重要。

由于天然气水合物中蕴藏的能量几乎是所有其他化石燃料加起来的两倍，它还可以使天然气分离和安全高效储存的创新技术达到顶峰。

在一项研究中，研究了质量和热量转移的方式影响水合物的生长，研究人员已经建立了一种用于分析甲烷水合物薄膜的形成的创新技术，即由Hartman的实验室开发的热电冷却微通道反应器。该研究的结果已在芯片的实验室报告，由皇家化学学会出版的期刊。明显地，该技术使得能够“逐步”的温度变化，大幅度最小化实验时间并通过原位光谱方法准确地研究过程。

该技术使HARTMAN和他的同事成为第一个测量大规模转移的程度，包括诸如扩散的现象，对晶体传播速率产生影响。

总的来说，科学家们认为气体水合物的生长是从成核开始的，当水分子开始形成晶格，将气体中的“客人”分子(如甲烷)包围起来时。下一步是结晶，这一过程从晶体形成的种子迅速向外扩展到更大的结构，例如，气体和水界面的薄片。

在形成水合物的成核和其他单个步骤的情况下缺乏缺乏动力学。这是由于传统的批量反应器的缺点 - 特别是高压罐，包括搅拌器和冷却/加热设备 - 这涉及使用超冷甲烷气体的水的“覆盖”水。app亚博体育诸如这些要求降低水合物形成的相位边界温度的系统（边界是超冷水和甲烷气体之间的界面）近10°k。然而，这种系统中的成核可能需要数小时甚至几天。

通过采用这种新技术，哈特曼的博士生Weiqi Chen和博士后研究员Bruno Pinho可以在一个数量级上增加过冷水分子，比大规模批量系统的要求要小，从而在相当短的时间框架内以1°K增量完成成核。

在哈特曼等温系统中，温度循环(即实验温度在两个极端之间的交替)以几秒量级的冷却速度使研究小组能够快速合成和使用原子核，与传统技术相比，在相当短的时间内进行大量研究。

成核很难预测．天然气水合物的形成需要几分钟甚至几天的时间。但是因为我们能够在几秒钟内循环温度，我们就可以形成种子晶体，并利用我们形成的核来复制形成更大的晶体．

Ryan Hartman，生物分子与化学工程助理教授，Nyu Tandon工程学院

哈特曼的技术使研究人员能够证明晶体的生长速率取决于热传递(例如通过传导)、质量传递和固有结晶(不受质量或热传递阻碍时水合物晶体的形成速率)的组合。

想象一下每天从家到公司都走同样的路线．你穿过三座桥，根据不同的日子，其中一座、两座或全部的三座桥都很拥挤。每座桥相对于其他桥的速度，决定了你通勤的总时间。在水合物结晶的背景下，第一桥上的交通拥堵是传热阻力，第二桥上的传质阻力，第三桥上的本征结晶。水合物晶体形成的速率取决于这三种因素。我们所做的就是找到一种测量它的方法．

瑞恩•哈特曼生物分子与化学工程助理教授，这纽约大学Tandon.原理图OOL工程学

美国国家亚博网站下载科学基金会材料研究科学与工亚博老虎机网登录程中心(MRSER)项目主要支持这项研究。