ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕТАНОЛА НА РАСТВОРЕНИЕ МЕ-ТАНА И РОСТ ГИДРАТА В МЕТАСТАБИЛЬНОМ РАСТВОРЕ

К.В. Гец; Р.К. Жданов; Ю.Ю. Божко; О.С. Субботин; В.Р. Белослудов

doi:10.6060/rcj.2024684.1

К.В. Гец Физический факультет, Новосибирский Государственный Университет, Институт неорганической химии им. Николаева СО РАН
Р.К. Жданов Физический факультет, Новосибирский Государственный Университет, Институт неорганической химии им. Николаева СО РАН
Ю.Ю. Божко Физический факультет, Новосибирский Государственный Университет, Институт неорганической химии им. Николаева СО РАН
О.С. Субботин Институт неорганической химии им. Николаева СО РАН
В.Р. Белослудов Физический факультет, Новосибирский Государственный Университет, Институт неорганической химии им. Николаева СО РАН

DOI: https://doi.org/10.6060/rcj.2024684.1

Ключевые слова: газовые гидраты, промоторы, метанол, молекулярная динамика

Аннотация

В работе представлены результаты молекулярно-динамических исследований влияния небольших добавок метанола к воде на скорость растворения метана и роста гидратной струкутры в полученном растворе. Исследование велось в двухфазной системе «газообразный метан + пересыщенный водный раствор метана», моделирующей состояние соответствующей системы, предшествующее образованию гидрата. Исследовавшиеся системы содержали 0, 1 и 5 масс.% метанола относительно массы воды. Это позволило оценить эффект метанола, находящегося на границе раздела фаз «газ-жидкость» и в объеме раствора, на процессы растворения метана и роста гидрата. На рассматриваемом этапе количество изначально растворенного в растворе метана достаточно для нуклеации гидрата, но не достаточно для перехода значительной части воды в гидратную фазу. Такой выбор исходной системы позволяет пропустить долгосрочный и ресурсоемкий этап моделирования растворения газа в чистой воде, и практически не использовался ранее. Эффект присутствия метанола на структуру сетки водородных связей пересыщенного раствора метана исследовался с помощью геометрического критерия водородной связи и параметра упорядочения межмолекулярных торсионных углов для молекул воды. Это позволило обнаружить начало кристаллизации в растворе и определить структуру образующейся фазы. Проведен поиск четырех-, пяти- и шестиугольников, образованных молекулами воды, связанными водородными связями. Поиск общих сторон многоугольников и построение графа их связности позволило найти и охарактеризовать структуру образуемых в растворе полостей (гидратные или не гидратные). На основе усредненных по десяткам пикосекунд данных о минимальных расстояниях метан-вода, показывающих находится ли молекула метана в постоянном окружении молекулами воды или свободно перемещается в газовой фазе, было рассчитано число растворенных молекул метана. Показано, что метанол при концентрации 5 масс.% играет роль кинетического промотора образования гидрата метана. При этой концентрации наблюдалось повышение числа образуемых полостей и числа растворенных молекул метана при сравнении с системой, не содержащей метанол (чистая вода). Наличие 1 масс.% метанола не оказало положительного влияния на процессы растворения метана и роста гидрата метана за приведенное время моделирования: полученные результаты схожи с результатами для системы, не содержащей метанол

Для цитирования:

Гец К.В., Жданов Р.К., Божко Ю.Ю., Субботин О.С., Белослудов В.Р. Теоретическое исследование влияния метанола на растворение метана и рост гидрата в метастабильном растворе. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2024. Т. LXVIII. № 4. С. 5-11. DOI: 10.6060/rcj.2024684.1.

Литература

Седов И.В., Макарян И.А. Состояние и перспективы развития мировой водородной энергетики. Рос. Хим. Ж. 2021. Т. 65. № 2. С. 3-21. DOI: 10.6060/rcj.2021652.1.

Sloan E.D., Koh C.A. Clathrate Hydrates of Natural Gases; Chemical industries; 3rd ed. Boca Raton: CRC Press. FL, 2008. 703 p.

Куленцан А.Л., Марчук Н.А., Ширяев М.Ю., Пузанов А.М. Анализ добычи природного газа и числа газовых скважин в Российской Федерации. Рос. Хим. Ж. 2023. Т. 67. № 1. С. 70-74. DOI: 10.6060/rcj.2023671.10.

Тептерева Г.А., Пахомов С.И., Четвертнева И.А., Каримов Э.Х., Егоров М.П., Мовсумзаде Э.М., Евстигнеев Э.И., Васильев А.В., Севастьянова М.В., Волошин А.И., Нифантьев Н.Э., Носов В.В., Докичев В.А., Бабаев Э.Р., Роговина С.З., Берлин А.А., Фахреева А.В., Баулин О.А., Колчина Г.Ю., Воронов М.С., Староверов Д.В., Козловский И.А., Козловский Р.А., Тарасова Н.П., Занин А.А., Кривобородов Е.Г., Каримов О.Х., Флид В.Р., Логинова М.Е. Возобновляемые природные сырьевые ресурсы, строение, свойства, перспективы применения. Изв. ву-зов. Химия и хим. технология. 2021. Т. 64. Вып. 9. С. 4-121. DOI: 10.6060/ivkkt.20216409.6465.

Медведева И.В., Медведева О.М., Студенок А.Г., Студенок Г.А., Цейтлин Е.М. Новые композитные материалы и процессы для химических, физико-химических и биохимических технологий водоочистки. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 1. С. 6-27. DOI: 10.6060/ivkkt.20236601.6538.

Xia Z., Zhao Q., Chen Z., Li X., Zhang Y., Xu C., Yan K. Review of methods and applications for promoting gas hydrate formation process. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2022. V. 101. P. 104528. DOI: 10.1016/j.jngse.2022.104528.

Малясова А.С., Абиева Ф.А., Койфман О.И. Порфирины нефти: исследования и история открытия. Рос. Хим. Ж. 2023. Т. 67. № 3. С. 104-113. DOI: 10.6060/rcj.2023673.15.

Миллер В.К., Иванова Л.В., Мансур Г., Уэртас Будилова С.К., Кошелев В.Н., Примерова О.В. Структурные особенности смол и асфальтенов нефтей месторождений Удмуртии. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2021. Т. 64. Вып. 10. С. 113-118. DOI: 10.6060/ivkkt.20216410.6370.

McLaurin G., Shin K., Alavi S., Ripmeester J.A. Antifreezes act as catalysts for methane hydrate formation from ice. Angew. Chem. 2014. V. 126. N 39. 10597-10601. DOI: 10.1002/ange.201403638.

Devlin J.P. Catalytic activity of methanol in all-vapor subsecond clathrate-hydrate formation. J. Chem. Phys. 2014. V. 140. N 16. P. 164505. DOI: 10.1063/1.4871879.

Choudhary N., Kushwaha O.S., Bhattacharjee G., Chakrabarty S., Kumar R. Molecular dynamics simulation and experimental study on the growth of methane hydrate in presence of methanol and sodium chloride. Energy Procedia 2017. V. 105. P. 5026-5033. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.03.1008.

Kvamme B. Small Alcohols as surfactants and hydrate promotors. Fluids 2021. V. 6. N 10. P. 345. DOI: 10.3390/fluids6100345.

Pandey J.S., Khan S., Solms N. Screening of low-dosage methanol as a hydrate promoter. Energies 2022. V. 15. N 18. P. 6814. DOI: 10.3390/en15186814.

Choudhary N., Kushwaha O.S., Bhattacharjee G., Chakrabarty S., Kumar R. Macro and molecular level insights on gas hydrate growth in the presence of Hofmeister salts. Ind. Eng. Chem. Res. 2020. V. 59. N 47. P. 20591-20600. DOI: 10.1021/acs.iecr. 0c04389.

Liu Z., Shi D., Hei Y., Sun X., Chen J., Lv Q., Li X., Hou X., Xiao Y. Effects of different concentrations of methanol on the decomposition of methane hydrate: insights from molecular dynamics simulations. J. Mater. Res. Technol. 2023. V. 24. P. 7283-7290 DOI: 10.1016/j.jmrt.2023.05.045.

Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R., Bolintineanu D.S., Brown W.M., Crozier P.S., Veld P.J., Kohlmeyer A., Moore S.G., Nguyen T.D., Shan R., Stevens M.J., Tranchida J., Trott C., Plimpton S.J. LAMMPS-a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales. Comput. Phys. Commun. 2022. V. 271. P. 108171. DOI: 10.1016/j.cpc.2021.108171.

Abascal J.L.F., Sanz E., García Fernández R., Vega C. A potential model for the study of ices and amorphous water: TIP4P/Ice. J. Chem. Phys. 2005. V. 122. N 23. P. 234511. DOI: 10.1063/1.1931662.

Jorgensen W.L., Maxwell D.S., Tirado-Rives J. Develop-ment and testing of the OPLS all-atom force field on con-formational energetics and properties of organic liquids. J. Am. Chem. Soc. 1996. V. 118. N 45. P. 11225-11236. DOI: 10.1021/ja9621760.

Martínez L., Andrade R., Birgin E.G., Martínez J.M. PACKMOL: A package for building initial configurations for molecular dynamics simulations. J. Comput. Chem. 2009. V. 30. N 13. P. 2157-2164. DOI: 10.1002/jcc.21224.

Kvamme B., Selvåg J., Saeidi N., Kuznetsova T. Methanol as a hydrate inhibitor and hydrate activator. Phys. Chem. Chem. Phys. 2018. V. 20. N. 34. P. 21968-21987. DOI: 10.1039/C8CP02447B.

Belosludov V., Gets K., Zhdanov R., Malinovsky V., Bozhko Y., Belosludov R., Surovtsev N., Subbotin O., Kawazoe Y. The nano-structural inhomogeneity of dynamic hydrogen bond network of TIP4P/2005 water. Sci. Rep. 2020. V. 10. N 1. P. 7323. DOI: 10.1038/s41598-020-64210-1.

Gao F., Gupta K.M., Yuan S., Jiang J. Decomposition of CH4 hydrate: effects of temperature and salt from molecular simulations. Mol. Simul. 2018. V. 44. N 15. P. 1220-1228. DOI: 10.1080/08927022.2018.1478090.

Jacobson L.C., Hujo W., Molinero V. Amorphous precursors in the nucleation of clathrate hydrates. J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. N 33. P. 11806-11811.DOI: 10.1021/ja1051445.

Belosludov R.V., Gets K.V., Zhdanov R.K., Bozhko Y.Y., Belosludov V.R., Chen L.J., Kawazoe Y. Molecular dynamics study of clathrate-like ordering of water in supersaturated methane solution at low pressure. Molecules 2023. V. 28. N 7. P. 2960. DOI: 10.3390/molecules28072960.