Des chercheurs de la NYU Tandon School of Engineering utilisent un nouveau moyen d'étudier comment le méthane et l'eau forment l'hydrate de méthane qui leur permet d'examiner les étapes discrètes du processus plus rapidement et plus efficacement.
Les chercheurs de NYU Tandon dirigés par Ryan Hartman, professeur adjoint de génie biomoléculaire et chimique qui dirige le laboratoire Tandon's Flow Chemistry with Microsystems, utilisent la microfluidique - le contrôle et la manipulation précis des fluides en les contraignant à des géométries submillimétriques - ainsi que de petits changements de température pour explorer le processus indéterminé par lequel le méthane devient un hydrate solide lorsqu'il est exposé à l'eau.
Le travail a des implications pour l'ingénierie et la science du climat. Une énorme quantité de méthane est piégée dans le pergélisol et sous le lit arctique de l'océan, une grande partie à l'état d'hydrate de méthane bloqué par la glace, dans lequel le méthane est enfermé dans des cages de molécules d'eau. Comprendre comment le méthane, qui absorbe 30 fois plus de rayonnement solaire que le dioxyde de carbone, interagit avec l'eau pour devenir un hydrate de gaz cristallin et, inversement, comment il se dissocie pour revenir à son état gazeux, est essentiel pour comprendre comment il pourrait catalyser, ou peut-être lent, changement climatique. Cela pourrait également conduire à de nouvelles technologies pour les séparations de gaz, et stockage efficace et sûr du gaz naturel, car la quantité d'énergie dans les gisements d'hydrates de gaz naturel est au moins le double de celle de tous les autres combustibles fossiles combinés.
Dans la recherche explorant comment le transfert de chaleur et de masse affecte la formation d'hydrates, Publié dans Laboratoire sur puce , un journal de la Royal Society of Chemistry, l'équipe a mis au point une nouvelle méthode pour étudier la croissance des films d'hydrate de méthane :un réacteur à microcanaux refroidi thermoélectriquement conçu par le laboratoire de Hartman. Unique, la technologie permet des changements de température "par étapes", réduire considérablement le temps d'expérimentation d'heures ou de jours, aux minutes voire aux secondes, tout en permettant un examen beaucoup plus précis du processus grâce à des techniques spectroscopiques in situ. Grâce à cette technologie, l'équipe de Hartman est également la première à pouvoir mesurer le degré auquel le transfert de masse, qui comprend des phénomènes tels que la diffusion, affecte les taux de propagation des cristaux.
Les chercheurs s'accordent généralement à dire que la formation d'hydrate de gaz commence par la nucléation, où les molécules d'eau commencent à former un treillis qui emprisonne les molécules "invités" d'un gaz comme le méthane. Cristallisation, dans lequel le processus s'étend rapidement vers l'extérieur de ces germes de formation de cristaux à des structures plus grandes, telles que des feuilles à l'interface de l'eau et du gaz. La cinétique de la nucléation et d'autres étapes discrètes sur le chemin de la formation d'hydrates sont mal comprises en partie à cause des limitations des réacteurs discontinus traditionnels (essentiellement des réservoirs à haute pression avec des agitateurs et des équipements de chauffage ou de refroidissement), dans lequel l'eau est "couverte" de gaz méthane sur-refroidi. De tels systèmes nécessitent que la température limite de phase pour la formation d'hydrates, où la limite est l'interface entre le gaz méthane et l'eau surfondue, être abaissé jusqu'à 10 degrés Kelvin. Toutefois, la nucléation peut prendre des heures ou des jours dans de tels systèmes.
Grâce à la nouvelle technologie, L'étudiant au doctorat de Hartman, Weiqi Chen, et l'associé postdoctoral Bruno Pinho ont été en mesure de sous-refroidir progressivement les molécules d'eau d'un ordre de grandeur inférieur à celui requis dans les systèmes discontinus à plus grande échelle, obtenir la nucléation à des incréments Kelvin d'un degré seulement, sur un laps de temps beaucoup plus court.
Dans le système isotherme de Hartman, cycle de température - dans lequel les températures expérimentales alternent entre deux extrêmes - avec des vitesses de refroidissement de l'ordre de quelques secondes, a permis aux chercheurs de former et d'utiliser les noyaux assez rapidement pour effectuer un grand nombre de tests dans un temps beaucoup plus court que les méthodes traditionnelles.
"La nucléation est difficile à prévoir, " a déclaré Hartman. " Cela peut prendre des minutes ou parfois des jours dans la formation d'hydrates de gaz. Mais parce que nous sommes capables de faire varier la température en quelques secondes, nous pouvons former des germes de cristaux et utiliser les noyaux que nous formons pour former de manière reproductible des cristaux plus gros. »
La technologie de Hartman a permis à l'équipe de démontrer que la vitesse de propagation des cristaux dépend d'une combinaison de transfert de chaleur (par convection ou mouvement de fluide, par exemple), transfert de masse, et la cristallisation intrinsèque (la vitesse à laquelle les cristaux d'hydrate se forment lorsqu'ils ne sont pas entravés par le transfert de chaleur ou de masse).
« Imaginez vous rendre du domicile au travail en utilisant le même itinéraire tous les jours, " expliqua Hartman. " Vous traversez trois ponts, et selon les jours, une, deux, ou les trois sont encombrés. De combien chaque pont te ralentit, relativement parlant par rapport aux autres, détermine la durée totale de votre trajet. Dans le cadre de la cristallisation des hydrates, la congestion du trafic sur le premier pont est la résistance au transfert de chaleur, le deuxième pont est une résistance de transfert de masse, et cristallisation intrinsèque la troisième. La vitesse à laquelle les cristaux d'hydrate se forment peut dépendre des trois. Ce que nous avons fait, c'est découvrir un moyen de le mesurer."
