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ガスハイドレートの核生成の調査

一般的な氷 (Ih ) は、液体の水よりも密度が低いため、水の上に浮きます。氷の中空構造は、適切な温度と圧力の条件下で、小さな気体分子をその空洞に「ゲスト」として収容できます。ゲストが水によって収容されるこれらの結晶性固体 (ホスト )は、ガスハイドレートまたは包接水和物と呼ばれます。ガスハイドレートのいくつかの格子構造は、さまざまな温度と圧力条件、およびゲスト組成で形成されます。純粋な (単一成分) ガス水和物と混合 (多成分) ガス水和物の両方が形成されます。

ゲストとしてハイドレート内に含まれる可能性のあるガスの濃度は、液体の水への同じガスの溶解度よりもはるかに高くなります。たとえば、1 m のメタンハイドレートには、標準の温度と圧力 (STP) で 170 m ものメタンガスが含まれることがあります。対照的に、液体水へのメタンの溶解度は、STP でのモル分率で 10 のオーダーです。水和物中のこの高いガス含有量は、ガス貯蔵、特に二酸化炭素隔離などの恒久的かつ大規模なガス貯蔵に役立ちます。一方、ガスハイドレートは、その形成が閉塞やパイプラインの損傷につながる可能性がある石油や天然ガスのパイプラインでは望ましくありません.

主にメタンである天然ガスハイドレート鉱床は、世界最大の非在来型天然ガス資源を形成しています。これらの天然ガスハイドレート鉱床は、現時点では開発が経済的に実行可能ではありませんが、歴史が示すように、さまざまな非在来型の石油およびガス資源の開発により、「資源の食物連鎖」が着実に下降しています。実際、最近の歴史は、かつては開発が経済的ではないと考えられていたさまざまな非在来型の石油およびガス資源が、最終的に時が来れば利用できるようになったことを明らかにしました.

ガスハイドレートは、気候変動の文脈においても重要な意味を持っています。メタンは、温室効果ガスとして二酸化炭素よりも約 20 倍強力であるため、大気中への制御されない放出は壊滅的な可能性があります。自然のメタンハイドレートの堆積物が放置された場合、そのような破滅的なメタンガスの放出につながる可能性があるシナリオの1つは、正のフィードバックループによるものです.ここでは、地球の気温が徐々に上昇することで、大規模な天然メタンハイドレート鉱床のごく一部が意図せず解離する可能性があります。解離した鉱床から大気中にメタンガスが放出されると、温室効果ガスの影響により地球の気温がさらに上昇し、天然のメタンハイドレート鉱床の解離がさらに進むことになるなど.

理想的には、メタンハイドレート鉱床からメタンガスを抽出して燃料として使用し、二酸化炭素ハイドレートに置き換えたいと考えています。二酸化炭素ハイドレートはメタンハイドレートよりも熱力学的に安定しているため、メタンハイドレートが二酸化炭素ガスと接触すると、十分に待てばメタンガスと二酸化炭素ハイドレートに変化すると予想されます。ただし、このような変換を実用化するには、タイムリーに大規模に進める必要があります。要するに、私たちは、ガスハイドレートの形成を必要なときに加速し、望ましくないときにその形成を減速できるようにしたいと考えています.

核形成は、相転移の最初のステップです。核形成には、アレニウスの法則で説明されているように、活性化エネルギー障壁を克服する必要があります。相転移は、ユビキタスゆらぎが活性化障壁を超える臨界核の形成を可能にした後にのみ進行できます。そのサイズは、システムの過冷却に依存します。これは、単一成分系であっても、本質的に確率過程です。多成分系の場合、各成分の利用可能性とその物質移動速度により、確率過程が複雑になります。これは特に、ガス ハイドレート システムの場合のように、一部のコンポーネントの可用性が限られている場合に当てはまります。

ガスハイドレートの核生成は、非常に複雑であり、体系的な調査手段が限られているため、非常に研究が進んでいない分野でした。特に、核生成の最も基本的な尺度である核生成速度は、過去には研究が困難であることが証明されていました。しかし、ここ数年、ガスハイドレートの核生成速度が調査されているという静かな変化が起こっています [1-4]。ゲストガスの単位面積あたりの天然ガスハイドレートの不均一な核生成速度-固体壁がない場合の水性界面が初めて測定されました。最近の研究では、不均一な核生成率を定義する方法を根本的に変更する必要もありました。 ガスハイドレートシステム用。

新しい理論によれば、ガスハイドレートの不均一核生成速度は、固体壁が存在しない場合、水-ゲストガス界面の単位面積に正規化されるべきであるのに対し、固体壁が存在する場合には、単位長さに正規化されるべきである。単一成分系の不均一な核生成とは著しく対照的に、水相、ゲスト気相、および固体壁が出会う三相線 [1]。 2 つの重要な概念は次のとおりです。(1) 三相線の単位長さあたりの核生成速度は、問題の固体に固有の特性です。(2) 三相線の全長にわたって積分された合計核生成速度のうち大きい方です。システム内の相線、またはシステム内のゲストガス-水性界面の全表面積にわたって統合された総核生成速度が、システムの全体的な核生成速度を決定します。

この新しい理論が検証され、スケールアップされ、一般的なゲストガスの核生成速度が測定され、編集された場合、与えられたシステム内のガスハイドレートの核生成確率を総水-ゲストガス界面面積で計算できるようになります。入力パラメータとして、システム内の三相ラインの全長。

これらの調査結果は、ジャーナル Fuel に最近掲載された、定冷却ランプ法によるメタンハイドレートの核生成曲線というタイトルの記事で説明されています。 .この作品は、以下の参考文献に記載されているより大きな作品の一部です。この作業は、オーストラリアの CSIRO で前田信夫によって行われました。前田博士は現在、アルバータ大学に在籍しています。

参考文献:

<オール>
  • Maeda, N., 準自由水滴上のモデル天然ガスハイドレートの核形成曲線 AIChE ジャーナル、2015 年。61 (8):p. 2611-2617.
  • Maeda, N., 炭化水素油中のメタン - プロパン混合ガス水和物の核生成曲線 化学工学科学、2016. 155 :p。 1-9.
  • Maeda, N., ステンレス鋼壁の存在下でのメタン-プロパン混合ガスハイドレートの核生成曲線 流体相平衡、2016 年。413 :p。 142-147.
  • Maeda, N., 一定冷却ランプ法によるメタンハイドレートの核生成曲線 燃料、2018年。223 :p。 286-293.

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