일반적인 얼음 ( ih ) 액체 물보다 밀도가 낮기 때문에 물 위에 떠 다닙니다. 얼음의 중공 구조는 적절한 온도 및 압력 조건 하에서 공동에서 소형 가스 분자를 "손님"으로 수용 할 수 있습니다. 손님이 물에 의해 수용되는이 결정질 고체 ( hosts )를 가스 수화물 또는 클라스 레이트 수화물이라고합니다. 가스 수화물의 여러 격자 구조는 상이한 온도 및 압력 조건 및 게스트 조성물에서 형성됩니다. 순수한 (단일 성분) 및 혼합 (다중 성분) 가스 수화물이 모두 형성 될 수 있습니다.
게스트로서 수화물 내부에 함유 될 수있는 가스의 농도는 액체 물에서 동일한 가스의 용해도보다 훨씬 높다. 예를 들어, 1m의 메탄 수화물은 표준 온도 및 압력 (STP)에서 최대 170m의 메탄 가스를 함유 할 수 있습니다. 대조적으로, 액체 물에서 메탄의 용해도는 STP에서 두더지 분획에서 10의 순서이다. 수화물 의이 높은 가스 함량은 가스 저장, 특히 이산화탄소 격리와 같은 영구 및 대규모 가스 저장에 유용 할 수 있습니다. 반면, 가스 수화물은 석유 및 천연 가스 파이프 라인에서 바람직하지 않으며, 그 형성은 막힘 및 파이프 라인 손상으로 이어질 수 있습니다.
천연 가스 수화물 퇴적물, 주로 메탄은 세계에서 가장 큰 비 전통적인 천연 가스 자원을 형성합니다. 이러한 천연 가스 수화물 퇴적물은 현재 개발에 경제적으로 실용적이지 않지만, 역사에 따르면 다양한 비 전통적인 석유 및 가스 자원의 개발이“자원 먹이 사슬”을 꾸준히 움직 였다는 것을 보여줍니다. 사실, 최근의 역사는 한때 개발하기에 비 경제적으로 여겨졌던 다양한 비 전통적인 석유 및 가스 자원이 결국 시간이 왔을 때 접근 할 수있게되었다고 밝혔다.
.가스 수화물은 또한 기후 변화의 맥락에서 상당한 영향을 미칩니다. 메탄은 이산화탄소보다 온실 가스로 약 20 배 더 강력하므로 대기로 통제되지 않은 방출은 잠재적으로 치명적일 수 있습니다. 자연 메탄 수화물 침착이 무인 상태로 남겨두면 메탄 가스의 치명적인 방출로 이어질 수있는 한 가지 가능한 시나리오는 긍정적 인 피드백 루프를 통해 이루어집니다. 여기서, 지구 온도가 점차 상승하면 대규모 천연 메탄 수화물 침착 물의 작은 부분이 의도하지 않은 분리로 이어질 수 있습니다. 상기 해리 된 퇴적물로부터 대기로의 메탄 가스의 방출은 온실 가스 효과를 통해 지구 온도를 더욱 증가시킬 것이며, 이는 천연 메탄 수화물 퇴적물의 약간 더 해리 될 것이다.
.이상적으로, 우리는 연료로 사용하기 위해 메탄 수화물 침착 물에서 메탄 가스를 추출하고 이산화탄소 수화물로 대체 할 수 있기를 원합니다. 이산화탄소 수화물은 메탄 수화물보다 열역학적으로 더 안정적이므로, 이산화탄소 가스와 접촉하는 메탄 수화물은 충분히 오래 기다리면 메탄 가스 및 이산화탄소 수화물로 전환 될 것으로 예상됩니다. 그러나 이러한 전환은 실용적이기 위해서는 적시에 대규모로 진행해야합니다. 요컨대, 우리는 원할 때 가스 수화물 형성을 가속화하고 원하지 않을 때 그 형성을 감속 할 수 있기를 원합니다.
핵 생성은 모든 위상 전이의 첫 번째 단계입니다. 핵 생성은 Arrhenius의 법칙에 의해 설명 된 바와 같이 활성화 에너지 장벽의 극복을 요구합니다. 유비쿼터스 변동 후에 만 위상 전이는 활성화 장벽에 걸쳐 임계 핵의 형성을 허용 한 후에 만 진행될 수 있으며, 그 크기는 시스템의 하위 냉각에 의존한다. 이것은 단일 구성 요소 시스템에서도 본질적으로 확률 론적 프로세스입니다. 다중 성분 시스템의 경우, 각 구성 요소의 가용성과 질량 전달 속도는 확률 론적 프로세스의 복잡성에 추가됩니다. 특히 가스 수화물 시스템의 경우와 같이 일부 구성 요소가 가용성이 제한적인 경우입니다.
가스 수화물의 핵 생성은 체계적인 조사를위한 복잡성과 제한된 수단으로 인해 연구되지 않은 지역이었다. 특히, 핵 생성의 가장 기본적인 척도 인 핵 생성 속도는 과거에 연구하기가 어려웠다. 그러나 지난 몇 년 동안 가스 수화물의 핵 생성 속도가 조사되는 방식으로 조용한 변화가 일어났다 [1-4]. 게스트 가스의 단위 면적당 천연 가스 수화물의 이종 핵 생성 속도 - 단단한 벽이없는 상태에서 수성 계면을 처음으로 측정 하였다. 최근의 연구는 또한 이종 핵 형성 속도를 정의 해야하는 방법에 대한 근본적인 변화를 요구했다. 가스 수화물 시스템의 경우
새로운 이론에 따르면, 가스 수화물의 이종 핵 생성 속도는 단단한 벽이 없을 때 수성 가스 계면의 단위 면적으로 정규화되어야하는 반면, 단단한 벽의 존재 하에서는 수성 상이있는 3 단계 라인의 단위 길이, 게스트 가스 상 및 단단한 벽이 단일 성분의 핵 이에 따라 대조적으로 표준화되어야한다. 두 가지 주요 개념은 다음과 같습니다. (1) 3 상 라인의 단위 길이 당 핵 생성 속도는 문제의 고체에 대한 고유 한 특성입니다. (2) 시스템에서 3 상 라인의 전체 길이에 걸쳐 통합 된 총 핵 생성 속도 또는 손님의 전체 표면적에 걸쳐 통합 된 총 핵 생성 속도 중 전체 핵 생성 속도가 시스템의 전체 핵 생성 속도를 결정합니다.
이 새로운 이론을 검증하고 확장 할 수 있고 일반적인 게스트 가스의 핵 생성 속도가 측정되고 컴파일된다면, 주어진 시스템에서 가스 수화물의 핵 생성 확률은 입력 매개 변수로서 시스템의 3 단계 라인의 총 수성-가스 계면 영역으로 계산 될 수있게한다.
.이러한 결과는 최근 저널 연료 에 발표 된 일정한 냉각 경사로에서 메탄 수화물의 핵 생성 곡선이라는 제목의 기사에 설명되어 있습니다. . 이 작업은 아래 참조에 언급 된 더 큰 작업의 일부입니다. 이 작업은 호주 CSIRO에서 Nobuo Maeda에 의해 수행되었습니다. Maeda 박사는 현재 앨버타 대학교와 함께 있습니다.
참조 :
- Maeda, N., Quasi가없는 물방울에 모델 천연 가스 수화물의 핵 생성 곡선. Aiche Journal, 2015. 61 (8) :p. 2611-2617.
- Maeda, N., 메탄의 핵 생성 곡선 - 탄화수소 오일의 프로판 혼합 가스 수화물. 화학 공학 과학, 2016. 155 :p. 1-9.
- Maeda, N., 스테인레스 스틸 벽의 존재하에 메탄-프로판 혼합 가스 수화물의 핵 생성 곡선. 유체 위상 평형, 2016. 413 :p. 142-147.
- Maeda, N., 일정한 냉각 경사로에서 메탄 수화물의 핵 생성 곡선. 연료, 2018. 223 :p. 286-293.
