ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ «ПУЗЫРЕЙ» МЕТАНА НА ПРОЦЕСС ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ
Аннотация
Газовые гидраты – это соединения включения, состоящие из кристаллического водного каркаса с полостями, в которые включены молекулы-гости. В данной работе представлены результаты моделирования методом молекулярной динамики процесса растворения наноразмерных «пузырей» метана, помещенных в слабый водный раствор метанола, и последующего образования в растворе гидратоподобных структур. Концентрация метанола варьировалась от 0 до 1 масс.% относительно массы воды. Начальные модельные структуры содержали либо по одному «пузырю» из 13 или 32 молекул метана, либо 27 «пузырей» по 32 молекулы или 64 «пузыря» по 13 молекул. Моделирование проводилось при фиксированных температуре и давлении. В ходе расчетов было показано, что одиночные «пузыри» метана растворяются в водной фазе за времена порядка 3 нс вне зависимости от концентрации метанола в системе. При этом из-за малого количества метана образования даже короткоживущих гидратных полостей не наблюдалось. В системах, содержащих 64 пузыря, растворение метана происходит за время ~3 нс что соответствует времени растворения одиночных «пузырей». Благодаря тому, что весь метан из пузырей переходит в водную фазу, наблюдается формирование гидратных полостей, образующих аморфную гидратоподобную фазу, количество которых выходит на постоянное значение за время ~100 нс. Влияние метанола на процесс роста гидрата не наблюдалось. В системах с 27 «пузырями» при отсутствии метанола не происходит полного растворения метана в водной фазе за времена моделирования. Из-за этого не наблюдается образования гидратоподобных структур, т.к. не достигается критическая концентрация метана в воде. Однако, добавление метанола позволяет упростить выход метана из «пузыря» в водную фазу, тем самым способствуя образованию гидратоподобной структуры, что отражается на росте числа гидратных полостей в системе.
Для цитирования:
Жданов Р.К., Гец К.В., Божко Ю.Ю., Белослудов В.Р. Теоретическое исследование влияния наноразмерных «пузырей» метана на процесс гидратообразования. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2024. Т. LXVIII. № 4. С. 12-19. DOI: 10.6060/rcj.2024684.2.
Литература
Kvamme B., Aromada S.A., Saeidi, N., Hustache-Marmou, T., Gjerstad P. Hydrate Nucleation, Growth, and Induction. ACS Omega. 2020. V. 5. P. 2603–2619. doi:10.1021/ acsomega.9b02865.
Тептерева Г.А., Пахомов С.И., Четвертнева И.А., Ка-римов 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., Рого-вина С.З., Берлин А.А., Фахреева А.В., Баулин О.А., Колчина Г.Ю., Воронов М.С., Староверов Д.В., Козлов-ский 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.
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. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2023. Т. LXVII. № 1. С. 7074. DOI: 10.6060/rcj.2022671.10.
Седов И.В., Макарян И.А. Состояние и Перспективы Развития Мировой Водородной Энергетики. РХЖ. 2021. V. 65. P. 3–21. doi:10.6060/rcj.2021652.1.
Медведева И.В., Медведева О.М., Студенок А.Г., Студе-нок Г.А., Цейтлин Е.М. Новые композитные материалы и процессы для химических, физико-химических и био-химических 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. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2022. V. 101. P. 104528. doi:10.1016/j.jngse.2022.104528.
Luo Y.-T., Zhu J.-H., Fan S.-S., Chen G.-J. Study on the Kinetics of Hydrate Formation in a Bubble Column. Chemi-cal Engineering Science. 2007. V. 62. P. 1000–1009. doi: 10.1016/j.ces.2006.11.004.
Ahmed I., Bamaga O., Albeirutty M.H., Abulkhair H., Al-saiari A., Organji H., Linga P. Significance of Low Stirring Modes on the Kinetics of Methane Hydrate Formation. Ener-gy Fuels. 2022. V. 36. P. 7676–7686. doi:10.1021/acs.energyfuels.2c00395.
Wei Y., Maeda N. Kinetic Promotion of Gas Hydrate For-mations Using Dispersions. Chemical Engineering Science. 2024. V. 286. P. 119673. doi:10.1016/j.ces.2023.119673.
Bagherzadeh S.A., Alavi S., Ripmeester J., Englezos P. For-mation of Methane Nano-Bubbles during Hydrate Decompo-sition and Their Effect on Hydrate Growth. The Journal of Chemical Physics. 2015. V. 142. P. 214701. doi:10.1063/1.4920971.
Uchida T., Yamazaki K., Gohara K. Gas Nanobubbles as Nucleation Acceleration in the Gas-Hydrate Memory Effect. J. Phys. Chem. C. 2016. V. 120. P. 26620–26629. doi:10.1021/acs.jpcc.6b07995.
Kuang Y., Feng Y., Yang L., Song Y., Zhao J. Effects of Mi-cro-Bubbles on the Nucleation and Morphology of Gas Hy-drate Crystals. Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. V. 21. P. 23401–23407. doi:10.1039/C9CP04293H.
Feng Y., Han Y., Gao P., Kuang Y., Yang L., Zhao J., Song, Y. Study of Hydrate Nucleation and Growth Aided by Mi-cro-Nanobubbles: Probing the Hydrate Memory Effect. En-ergy. 2024. V. 290. P. 130228. doi:10.1016/j.energy.2023.130228.
Carroll J.J. Natural Gas Hydrates: A Guide for Engineers; Fourth edition.; Gulf Professional Publishing: Cambridge, MA, 2020; ISBN 978-0-12-821771-9.
McLaurin G., Shin K., Alavi S., Ripmeester J.A. Antifreezes Act as Catalysts for Methane Hydrate Formation from Ice. Angewandte Chemie. 2014. V. 126. P. 10597–10601. doi: 10.1002/ange.201403638.
Kvamme B., Selvåg J., Saeidi N., Kuznetsova T. Methanol as a Hydrate Inhibitor and Hydrate Activator. Phys. Chem. Chem. Phys. 2018. V. 20. P. 21968–21987. doi:10.1039/C8CP02447B.
Nguyen N.N., Nguyen A.V., Dang L.X. The Inhibition of Methane Hydrate Formation by Water Alignment underneath Surface Adsorption of Surfactants. Fuel. 2017. V. 197. P. 488–496. doi:10.1016/j.fuel.2017.02.061.
Kvamme B. Small Alcohols as Surfactants and Hydrate Pro-motors. Fluids. 2021. V. 6. P. 345. doi:10.3390/fluids6100345.
Amtawong J., Guo J., Hale J.S., Sengupta S., Fleischer E.B., Martin R.W., Janda K.C. Propane Clathrate Hydrate For-mation Accelerated by Methanol. J. Phys. Chem. Lett. 2016. V. 7. P. 2346–2349. doi:10.1021/acs.jpclett.6b00982.
English N.J., MacElroy J.M.D. Perspectives on Molecular Simulation of Clathrate Hydrates: Progress, Prospects and Challenges. Chemical Engineering Science. 2015. V. 121. 133–156. doi:10.1016/j.ces.2014.07.047.
Khurana M., Yin Z., Linga P. A Review of Clathrate Hydrate Nucleation. ACS Sustainable Chem. Eng. 2017. V. 5. P. 11176–11203. doi:10.1021/acssuschemeng.7b03238.
Arjun Berendsen T.A., Bolhuis P.G. Unbiased Atomistic Insight in the Competing Nucleation Mechanisms of Me-thane Hydrates. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2019. V. 116. P. 19305–19310. doi:10.1073/pnas.1906502116.
Thompson A.P., Aktulga H.M., Berger R., Bolintineanu D.S., Brown W.M., Crozier P.S., In ’T Veld P.J., Kohlmeyer A., Moore S.G., Nguyen T.D. LAMMPS - a Flexible Simulation Tool for Particle-Based Materials Modeling at the Atomic, Meso, and Continuum Scales. Computer Physics Communi-cations. 2022. V. 271. P. 108171. doi:10.1016/j.cpc.2021.108171.
Zhang X., Bridson R. A PPPM Fast Summation Method for Fluids and Beyond. ACM Trans. Graph. 2014. V. 33. P. 1–11. doi:10.1145/2661229.2661261.
Martínez L., Andrade R., Birgin E.G., Martínez J.M. P ACKMOL : A Package for Building Initial Configurations for Molecular Dynamics Simulations. J Comput Chem. 2009. V. 30. P. 2157–2164. doi:10.1002/jcc.21224.
Abascal J.L.F., Sanz E., García Fernández R., Vega C. A Potential Model for the Study of Ices and Amorphous Water: TIP4P/Ice. The Journal of Chemical Physics. 2005. V. 122. P. 234511. doi:10.1063/1.1931662.
Jorgensen W.L., Maxwell D.S., Tirado-Rives J. Development and Testing of the OPLS All-Atom Force Field on Confor-mational Energetics and Properties of Organic Liquids. J. Am. Chem. Soc. 1996. V. 118. P. 11225–11236. doi:10.1021/ja9621760.
Belosludov R.V., Gets K.V., Zhdanov R.K., Bozhko Y.Y., Belosludov V.R., Chen, L.-J., Kawazoe Y. Molecular Dynam-ics Study of Clathrate-like Ordering of Water in Supersatu-rated Methane Solution at Low Pressure. Molecules. 2023. V. 28. P. 2960. doi:10.3390/molecules28072960.
Walsh M.R., Koh C.A., Sloan E.D., Sum A.K., Wu D.T. Mi-crosecond Simulations of Spontaneous Methane Hydrate Nucleation and Growth. Science. 2009. V. 326. P. 1095–1098. doi:10.1126/science.1174010.
Onischuk A.A., Valiulin S.V., Vosel S.V., Karasev V.V., Zelik V.D., Baklanov A.M. Surface Tension of Sulfur Nanoparti-cles as Determined from Homogeneous Nucleation Experi-ments. Journal of Aerosol Science. 2016. V. 97. P. 1–21. doi:10.1016/j.jaerosci.2016.02.008.
Jacobson L.C., Hujo W., Molinero V. Amorphous Precur-sors in the Nucleation of Clathrate Hydrates. J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. P. 11806–11811. doi:10.1021/ja1051445.
Силин М.А., Магадова Л.А., Давлетов З.Р., Вагапова Ю.З., Набиулина Р.Н. Исследование растворяющей спо-собности водных и углеводородных растворов низших спиртов и сложных эфиров по отношению к органиче-скому веществу пород баженовской свиты. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 4. С. 115-125. DOI: 10.6060/ivkkt.20246704.6951.
