Διερεύνηση της πυρηνοποίησης των ένυδρων αερίων
Κοινός πάγος (Ih ) επιπλέει πάνω από το νερό επειδή είναι λιγότερο πυκνό από το υγρό νερό. Η κοίλη δομή του πάγου μπορεί να φιλοξενήσει μικρά μόρια αερίου ως «φιλοξενούμενους» στις κοιλότητες του υπό τις κατάλληλες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης. Αυτά τα κρυσταλλικά στερεά στα οποία οι επισκέπτες φιλοξενούνται με νερό (οικοδεσπότες ) ονομάζονται ένυδρες αέριες ή ένυδρες ενώσεις κλαθρικών. Διάφορες δομές πλέγματος υδριτών αερίων σχηματίζονται σε διαφορετικές συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης και συνθέσεις φιλοξενουμένων. Μπορούν να σχηματιστούν τόσο καθαροί (ενός συστατικού) όσο και μικτές (πολλαπλών συστατικών) ένυδρες αέριες.
Οι συγκεντρώσεις αερίου που μπορεί να περιέχονται στο εσωτερικό των υδριτών ως φιλοξενούμενος είναι πολύ υψηλότερες από τη διαλυτότητα του ίδιου αερίου σε υγρό νερό. Για παράδειγμα, 1 m ένυδρου μεθανίου μπορεί να περιέχει έως και 170 m αέριο μεθάνιο στην τυπική θερμοκρασία και πίεση (STP). Αντίθετα, η διαλυτότητα του μεθανίου σε υγρό νερό είναι της τάξης του 10 σε μοριακό κλάσμα στο STP. Αυτή η υψηλή περιεκτικότητα σε αέρια σε ένυδρες ενώσεις μπορεί να είναι χρήσιμη στην αποθήκευση αερίου, ειδικά για μόνιμη και μεγάλης κλίμακας αποθήκευση αερίου όπως η δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα. Από την άλλη πλευρά, τα ένυδρα αέρια είναι ανεπιθύμητα στους αγωγούς πετρελαίου και φυσικού αερίου όπου ο σχηματισμός τους μπορεί να οδηγήσει σε απόφραξη και ζημιά στους αγωγούς.
Τα κοιτάσματα ένυδρου φυσικού αερίου, κυρίως μεθανίου, αποτελούν τους μεγαλύτερους μη συμβατικούς πόρους φυσικού αερίου στον κόσμο. Αυτά τα κοιτάσματα ένυδρου φυσικού αερίου δεν είναι οικονομικά βιώσιμα για ανάπτυξη επί του παρόντος, ωστόσο, η ιστορία δείχνει ότι η ανάπτυξη μιας σειράς μη συμβατικών πόρων πετρελαίου και φυσικού αερίου έχει μετακινήσει σταθερά την «τροφική αλυσίδα των πόρων» προς τα κάτω. Στην πραγματικότητα, η πρόσφατη ιστορία αποκάλυψε ότι μια σειρά από μη συμβατικούς πόρους πετρελαίου και φυσικού αερίου, που κάποτε θεωρούνταν αντιοικονομική η ανάπτυξη, έγιναν τελικά προσβάσιμες όταν ήρθε η ώρα τους.
Οι ένυδρες αέριες έχουν επίσης σημαντικές επιπτώσεις στο πλαίσιο της κλιματικής αλλαγής. Το μεθάνιο είναι περίπου 20 φορές πιο ισχυρό ως αέριο του θερμοκηπίου από το διοξείδιο του άνθρακα, επομένως η ανεξέλεγκτη απελευθέρωσή του στην ατμόσφαιρα θα μπορούσε να είναι δυνητικά καταστροφική. Ένα πιθανό σενάριο στο οποίο τα φυσικά κοιτάσματα ένυδρου μεθανίου, εάν αφεθούν χωρίς επίβλεψη, θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε μια τέτοια καταστροφική απελευθέρωση αερίου μεθανίου είναι μέσω ενός βρόχου θετικής ανάδρασης. Εδώ, η σταδιακή αύξηση των παγκόσμιων θερμοκρασιών θα μπορούσε να οδηγήσει σε ακούσια διάσπαση ενός μικρού τμήματος των ογκωδών φυσικών κοιτασμάτων ένυδρου μεθανίου. Η απελευθέρωση αερίου μεθανίου από τα εν λόγω διαχωρισμένα κοιτάσματα στην ατμόσφαιρα θα ανέβαζε περαιτέρω την παγκόσμια θερμοκρασία μέσω του φαινομένου του αερίου του θερμοκηπίου, το οποίο με τη σειρά του θα οδηγούσε σε λίγο περισσότερο διαχωρισμό των φυσικών κοιτασμάτων ένυδρου μεθανίου κ.λπ.
Στην ιδανική περίπτωση, επιθυμούμε να μπορούμε να εξάγουμε αέριο μεθάνιο από τα κοιτάσματα ένυδρου μεθανίου για χρήση ως καύσιμο και να το αντικαθιστούμε με ένυδρα διοξείδιο του άνθρακα. Το ένυδρο διοξείδιο του άνθρακα είναι θερμοδυναμικά πιο σταθερό από το ένυδρο μεθάνιο, επομένως το ένυδρο μεθάνιο σε επαφή με το αέριο διοξείδιο του άνθρακα αναμένεται να μετατραπεί σε αέριο μεθάνιο και ένυδρο διοξείδιο του άνθρακα αν περιμένει κανείς αρκετά. Ωστόσο, μια τέτοια μετατροπή πρέπει να γίνει έγκαιρα και σε μεγάλη κλίμακα για να είναι πρακτική. Εν ολίγοις, επιθυμούμε να είμαστε σε θέση να επιταχύνουμε τον σχηματισμό ένυδρου αερίου όταν είναι επιθυμητό και να επιβραδύνουμε τον σχηματισμό του όταν δεν είναι επιθυμητό.
Η πυρηνοποίηση είναι το πρώτο βήμα οποιασδήποτε μετάβασης φάσης. Η πυρηνοποίηση απαιτεί την υπέρβαση ενός ενεργειακού φραγμού ενεργοποίησης όπως περιγράφεται από το νόμο του Arrhenius. Μια μετάβαση φάσης μπορεί να προχωρήσει μόνο αφού οι πανταχού παρούσες διακυμάνσεις επιτρέπουν το σχηματισμό κρίσιμων πυρήνων πάνω από το φράγμα ενεργοποίησης, το μέγεθος των οποίων εξαρτάται από την υποψύξη του συστήματος. Αυτή είναι εγγενώς μια στοχαστική διαδικασία ακόμη και για ένα σύστημα ενός συστατικού. Για ένα σύστημα πολλαπλών συστατικών, η διαθεσιμότητα κάθε στοιχείου και ο ρυθμός μεταφοράς μάζας του προσθέτουν στην πολυπλοκότητα της στοχαστικής διαδικασίας. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα όταν ορισμένα εξαρτήματα έχουν περιορισμένη διαθεσιμότητα, όπως συμβαίνει με τα συστήματα ένυδρου αερίου.
Η πυρηνοποίηση των ένυδρων αερίων είναι ένας τομέας που δεν έχει ερευνηθεί πολύ λόγω της απόλυτης πολυπλοκότητάς του και των περιορισμένων μέσων για τις συστηματικές του έρευνες. Συγκεκριμένα, ο ρυθμός πυρήνωσης, το πιο βασικό μέτρο πυρήνωσης, αποδείχθηκε δύσκολο να μελετηθεί στο παρελθόν. Τα τελευταία χρόνια, ωστόσο, λαμβάνει χώρα μια αθόρυβη αλλαγή με τον τρόπο που διερευνάται ο ρυθμός πυρηνοποίησης των ένυδρων αερίων [1-4]. Μετρήθηκαν για πρώτη φορά ετερογενείς ρυθμοί πυρηνοποίησης ένυδρων φυσικών αερίων ανά μονάδα επιφάνειας φιλοξενούμενου αερίου – υδατικής διεπιφάνειας απουσία στερεού τοιχώματος. Η πρόσφατη μελέτη ζήτησε επίσης μια θεμελιώδη αλλαγή στον τρόπο με τον οποίο θα πρέπει να ορίζεται ο ετερογενής ρυθμός πυρηνοποίησης για συστήματα ένυδρου αερίου.
Σύμφωνα με τη νέα θεωρία, ο ετερογενής ρυθμός πυρήνωσης των ένυδρων αερίων θα πρέπει να κανονικοποιείται στη μονάδα επιφάνειας της διεπαφής υδατικού-επισκέπτη αερίου απουσία συμπαγούς τοιχώματος ενώ παρουσία συμπαγούς τοιχώματος θα πρέπει να κανονικοποιείται στο μοναδιαίο μήκος η τριφασική γραμμή όπου συναντώνται η υδατική φάση, η φάση φιλοξενίας αερίου και το στερεό τοίχωμα, σε έντονη αντίθεση με την ετερογενή πυρήνωση συστημάτων μονού συστατικού [1]. Οι δύο βασικές έννοιες είναι:(1) ο ρυθμός πυρήνωσης ανά μονάδα μήκους της τριφασικής γραμμής είναι μια μοναδική ιδιότητα για το εν λόγω στερεό, (2) ο μεγαλύτερος από τον συνολικό ρυθμό πυρήνωσης ενσωματωμένος σε όλο το μήκος του τριφασικού γραμμή φάσης σε ένα σύστημα ή ο συνολικός ρυθμός πυρήνωσης που ενσωματώνεται σε ολόκληρη την επιφάνεια της διεπαφής φιλοξενούμενου αερίου-υδατικού στο σύστημα καθορίζει το συνολικό ρυθμό πυρήνωσης του συστήματος.
Εάν αυτή η νέα θεωρία μπορεί να επικυρωθεί και να κλιμακωθεί, και ο ρυθμός πυρήνωσης των κοινών φιλοξενούμενων αερίων μετρηθεί και συγκεντρωθεί, τότε θα επιτρέψει τον υπολογισμό της πιθανότητας πυρήνωσης των ένυδρων αερίων σε ένα δεδομένο σύστημα με τη συνολική επιφάνεια διεπαφής υδατικού - φιλοξενούμενου αερίου και τα συνολικά μήκη των τριφασικών γραμμών στο σύστημα ως παράμετροι εισόδου.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Καμπύλες πυρήνων του ένυδρου μεθανίου από μεθόδους σταθερής ράμπας ψύξης, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Fuel . Αυτή η εργασία είναι ένα μέρος της μεγαλύτερης εργασίας που σημειώνεται στις παρακάτω παραπομπές. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Nobuo Maeda στο CSIRO στην Αυστραλία. Ο Δρ. Maeda είναι επί του παρόντος στο Πανεπιστήμιο της Αλμπέρτα.
Αναφορές:
- Maeda, N., Καμπύλες πυρήνων μοντέλων ένυδρων φυσικών αερίων σε μια σχεδόν ελεύθερη σταγόνα νερού. Περιοδικό AIchE, 2015. 61 (8):σελ. 2611-2617.
- Maeda, N., Καμπύλες πυρηνοποίησης υδριτών μικτών αερίων μεθανίου-προπανίου σε έλαιο υδρογονανθράκων. Chemical Engineering Science, 2016. 155 :Π. 1-9.
- Maeda, N., Καμπύλες πυρηνοποίησης υδριτών μικτών αερίων μεθανίου-προπανίου παρουσία τοιχώματος από ανοξείδωτο χάλυβα. Fluid Phase Equilibria, 2016. 413 :Π. 142-147.
- Maeda, N., Καμπύλες πυρηνοποίησης ένυδρου μεθανίου από μεθόδους σταθερής ράμπας ψύξης. Καύσιμα, 2018. 223 :Π. 286-293.
