Сейчас группа канадских исследователей из Университета Британской Колумбии и Национального исследовательского совета Канады изучает роль, которую нанопузырьки метана могут играть в образовании и диссоциации гидратов природного газа — кристаллических решеток из молекул воды, связанных водородными связями, с расположенными в них молекулами газа. между. Гидраты — это в настоящее время неиспользованный источник природного газа, одного из основных источников энергии в Соединенных Штатах. Лучшее понимание того, как нанопузырьки влияют на их образование и диссоциацию, может помочь разработать процедуры для более эффективного и безопасного сбора гидратов для улавливания природного газа.
Результаты опубликованы на этой неделе в The Journal of Chemical Physics от AIP Publishing.Природные гидраты метана, спрятанные глубоко под морским дном или спрятанные под арктической вечной мерзлотой, содержат значительные запасы природного газа, запертые в форме, которую трудно извлечь. Когда эти гидраты разлагаются (с нагнетанием тепла или сбросом давления), газ внутри выделяется и затем может использоваться для получения энергии.Можно ли и как воспользоваться этим ресурсом — вопрос сложный.
Гидраты сформировали историю нашей планеты: удерживая метан, образующийся в земной коре, вместо того, чтобы позволять ему накапливаться в атмосфере, они помогли сделать Землю гостеприимным местом для жизни. Их роль в этом отношении сохраняется и сегодня — хотя захваченный в гидратах метан является потенциальным источником энергии в будущем, он также может служить мощным источником парникового газа, если он улетучивается в атмосферу. Таким образом, чтобы извлекать метан, не влияя на изменение климата, понимание точной механики процесса разложения гидрата имеет решающее значение.Исследователи использовали моделирование молекулярной динамики для моделирования разложения твердых гидратов на жидкое и газообразное состояния.
Независимо от того, образовались ли нанопузырьки во время разложения, помимо прочего, влияла температура — более высокая температура заставляла гидрат диссоциировать быстрее. Когда метан выделялся из гидрата в жидкое состояние быстрее, чем он мог диффундировать, он становился перенасыщенным и образовывал нанопузырьки.
«Если разложение фазы гидрата метана происходит достаточно быстро, что зависит от температуры, газообразный метан в водной фазе образует нанопузырьки», — сказал Саман Алави, один из ведущих исследователей проекта.Алави вместе с коллегами А. Багерзаде, Дж. А. Рипместером и П. Энглезосом также вкратце изучили обратную сторону процесса: образование гидратов. Поскольку они стабильны в относительно мягких условиях, гидраты могут быть потенциальным средством безопасной транспортировки горючих газов.
Но в природе на образование гидратов метана могут уйти годы.Вот где в игру вступают нанопузырьки: с помощью моделирования исследователи обнаружили, что если условия температуры и давления были благоприятными для образования гидратов, нанопузырьки метана в водном растворе ускоряли скорость образования гидрата. «Нанопузырьки могут привести к контакту большего количества метана с водой и повысить эффективность образования гидратов», — сказал Алави.Отдельно эти результаты дают представление о динамике нанопузырьков, что может позволить исследователям воспользоваться уникальными свойствами гидратов.
Взятые вместе, они также обеспечивают возможное объяснение так называемого эффекта памяти — того факта, что «водные растворы в контакте с метаном образуют твердый гидрат метана с гораздо большей скоростью, если они уже прошли цикл образования-разложения гидрата метана, — сказал Алави, как будто гидрат «помнит» свое предыдущее состояние.Нанопузырьки могут объяснить, почему.
Если гидрат диссоциирует достаточно быстро, это приводит к образованию нанопузырьков. Если эти пузыри сохранятся, они могут ускорить образование будущих гидратов, предоставляя места для зародышеобразования.
Затем исследователи планируют более тщательно изучить состав и долгосрочную судьбу нанопузырьков, образующихся в результате разложения гидрата.