ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОБРАЗОВАНИЯ ГИДРАТА УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В КОЛЛОИДНОМ РАСТВОРЕ, СОДЕРЖАЩЕМ ЧАСТИЦЫ СЕРЕБРА И ДОДЕЦИЛСУЛЬФАТ НАТРИЯ
Аннотация
В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований процесса образования гидрата углекислого газа в коллоидном водном растворе серебра (Ag) и анионного поверхностно-активного вещества (ПАВ) додецилсульфат натрия (SDS) выступающего одновременно кинетическим промотором гидратообразования и стабилизирующим коллоидный раствор веществом. Металлические наночастицы серебра были выбраны для исследования из-за высокой удельной поверхности, на которой потенциально может появиться начальный зародыш газового гидрата, причем из-за наличия большого количества частиц серебра количество зародышей при кристаллизации возрастает. Кроме того, металлические частицы могут участвовать в процессе переноса газа от границы раздела жидкость-газ к объему жидкости. В статье представлено 12 экспериментов с различными концентрациями компонентов раствора, а именно, массовая концентрация нанопорошка Ag составляла 0, 0,0005%, 0,001% и массовая концентрация SDS составляла 0, 0,1% и 0,3%. Для каждой комбинации концентраций компонентов было проведено исследование газопоглощения продолжительностью 120 ч. Был выявлен промотирующий эффект каждой из добавок по отдельности, при этом кинетические характеристики процесса гидратообразования отличалась. Добавление наночастиц Ag приводило к ускорению газопоглощения (величина, пропорциональная количеству образовавшегося гидрата), а добавление SDS меняло форму кинетической кривой. В этом случае, после окончания растворения газа через некоторое время происходил интенсивный скачок газопоглощения. При этом одновременное увеличение концентраций SDS и нанопорошка Ag привело к еще большему газопоглощению. При массовых концентрациях SDS (0,3% масс.) и наночастиц Ag (0,001% масс.) реализовалась максимальное газопоглощение при образовании гидрата, с отношением количества молей поглощенного газа к количеству молей воды около 0,1.
Результаты этой работы могут оказаться полезными для ускорения процесса образования гидрата, что важно, например, для повышения эффективности газогидратной технологии улавливания углекислого газа из газовых смесей.
Для цитирования:
Мелешкин А.В., Морозов В.С., Князьков В.А., Климов Б.А. Исследование процесса образования гидрата углекислого газа в коллоидном растворе, содержащем частицы серебра и додецилсульфат натрия. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2024. Т. LXVIII. № 4. С. 52-59. DOI: 10.6060/rcj.2024684.6.
Литература
Sloan E.D., Koh C.A. Clathrate hydrates of natural gases, thrid edition. Boca Raton: CRC Press. 2007. 752 p.
Manakov A.Yu., Penkov N.V., Rodionova T.V., Nesterov A.N., Fesenko E.E. Kinetics of formation and dissociation of gas hydrates. Russ. Chem. Rev. 2017. V. 86. P. 845. DOI: 10.1070/RCR4720.
Misyura S., Strizhak P., Meleshkin A., Morozov V., Gaidukova O., Shlegel N., Shkola M. A review of gas capture and liquid separation technologies by CO2 gas hydrate. Energies 2023. V. 16. P. 3318. DOI: 10.3390/en16083318.
Skiba S., Sagidullin A., Shapovalova A., Strelets L., Manakov A. Texture, composition and properties of plugs formed by carbon dioxide hydrate and wax. Pet. Explor. Dev. 2021. V. 48. P. 1462-1470. DOI: 10.1016/S1876-3804(21)60302-6.
Semenov A.P., Mendgaziev R.I., Istomin V.A., Sergeeva D.V., Vinokurov V.A., Gong Y., Li T., Stoporev A.S. Searching for synergy between alcohol and salt to produce more potent and environmentally benign gas hydrate inhibitors. Chem. Eng. Sci. 2024. V. 283. P. 119361. DOI: 10.1016/J.CES.2023.119361.
Makogon Y.F. Natural gas hydrates - A promising source of energy. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2010. V. 2. P. 49-59. DOI:10.1016/j.jngse.2009.12.004.
Misyura S.Y., Manakov A.Y., Nyashina G.S., Gaidukova O.S., Morozov V.S., Skiba S.S. Gas hydrate combustion in five method of combustion organization. Entropy 2020. V. 22. P. 710. DOI: 10.3390/E22070710.
Gaydukova O.S., Misyura S.Y., Strizhak P.A. Investigating regularities of gas hydrate ignition on a heated surface: Experiments and modelling. Combust. Flame. 2021. V. 228. P. 78-88. DOI: 10.1016/j.combustflame.2021.01.028.
Antonov D.V., Donskoy I.G., Gaidukova O.S., Misyura S.Ya., Morozov V.S., Nyashina G.S., Strizhak P.A. Dissociation and combustion of mixed methane-ethane hydrate. Fuel 2022. V. 325. P. 124771. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.124771.
Manakov A.Yu., Stoporev A.S. Physical chemistry and technological applications of gas hydrates: topical aspects. Russ. Chem. Rev. 2021. V. 90. P. 566. DOI: 10.1070/RCR4986.
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., Рого-вина 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. вузов. Химия и хим. технология. 2021. Т. 64. Вып. 9. С. 4-121. Teptereva G.A., Pakhomov S.I., Chetvertneva I.A., Karimov E.Kh., Egorov M.P., Movsumzade E.M., Evstigneev E.I., Vasiliev A.V., Sevastyanova M.V., Voloshin A.I. , Nifantiev N.E., Nosov V.V., Dokichev V.A., Babaev E.R., Rogovina S.Z., Berlin A.A., Fakhreeva A.V., Baulin O.A., Kolchina G.Yu., Voronov M.S., Staroverov D.V., Kozlovsky I.A., Kozlovsky R.A. ., Tarasova N.P., Zanin A.A., Krivoborodov E.G., Karimov O.Kh., Flid V.R., Loginova M.E. Renewable natural raw materials, structure, properties, application prospects. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 9. P. 4-121. DOI: 10.6060/ivkkt.20216409.6465.
Yin Z., Zheng, J., Kim, H., Seo, Y., Linga, P. Hydrates for cold energy storage and transport: A review. Adv. Appl. Energy 2021. V. 2. P. 100022. 2021 DOI: 10.1016/j.adapen.2021. 100022.
Javanmardi J., Nasrifar K., Najibi S.H., Moshfeghian M. Economic evaluation of natural gas hydrate as an alterna-tive for natural gas transportation. Appl. Therm. Eng. 2005. V. 25. P. 1708-1723. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2004.10.009.
Pandey G., Poothia T., Kumar A. Hydrate based carbon capture and sequestration (HBCCS): An innovative approach towards decarbonization. Appl. Energy. 2022. V. 326. P. 119900. DOI: 10.1016/j.apenergy.2022.119900.
Shagapov V.S., Khasanov M.K., Musakaev N.G., Duong N.H. Theoretical research of the gas hydrate deposits development using the injection of carbon dioxide. Int. J. Heat Mass Transf. 2017. V. 107. P. 347-357. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.11.034.
Eslamimanesh A., Mohammadi A.H., Richon D., Naidoo P., Ramjugernath D. Application of gas hydrate formation in separation processes: A review of experimental studies. J. Chem. Thermodyn. 2012. V. 46. P. 62-71. DOI: 10.1016/j.jct.2011.10.006.
Misyura S.Y., Meleshkin A.V., Sagidullin A.K., Morozov V.S. The effect of various crystalline forms of HFC 134a hydrate on the growth rate and desalination efficiency. Desalination 2024. V. 586. P. 117903. DOI: 10.1016/J.DESAL.2024. 117903.
Misyura S.Y., Donskoy I.G., Manakov A.Y., Morozov V.S., Strizhak P.A., Skiba S.S., Sagidullin A.K. Studying the influence of key parameters on the methane hydrate dissociation in order to improve the storage efficiency. J. Energy Storage 2021. V. 44. P. 103288. DOI: 10.1016/j.est.2021.103288.
Misyura S.Y., Donskoy I.G. Dissociation of gas hydrate for a single particle and for a thick layer of particles: The effect of self-preservation on the dissociation kinetics of the gas hydrate layer. Fuel 2022. V. 314. P. 122759. DOI: 10.1016/ j.fuel.2021.122759.
Sun D., Shimono Y., Takeya S., Ohmura R. Preservation of carbon dioxide clathrate hydrate at temperatures below the water freezing point under atmospheric pressure. Ind. Eng. Chem. Res. 2011. V. 50. P. 13854-13858. DOI: 10.1021/ie2017724.
Stern L.A., Circone S., Kirby S.H., Durham W.B. Anomalous preservation of pure methane hydrate at 1 atm. J. Phys. Chem. B 2001. V. 105. P. 1756-1762. DOI: 10.1021/jp003061s.
Circone S., Stern L.A., Kirby S.H., Durham W.B., Chakoumakos B.C., Rawn C.J., Rondinone A.J., Ishii Y. CO2 hydrate: Synthesis, composition, structure, dissociation behavior, and a comparison to structure I CH4 hydrate. J. Phys. Chem. B 2003. V. 107. P. 5529-5539. DOI: 10.1021/jp027391j.
Cheng C., Wang F., Tian Y., Wu X., Zheng J., Zhang J., Li L., Yang P., Zhao J. Review and prospects of hydrate cold storage technology. Renew. Sust. Energy Rev. 2020. V. 117. P. 109492. DOI: 10.1016/j.rser.2019.109492.
Meleshkin A.V., Glezer V.V., Bartashevich M.V., Kozlov A.N. Investigating the effect of decompression rate on the synthesis of carbon dioxide gas hydrate by the method of explosive boiling of a liquefied hydrate gas. J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1359. P. 012043. DOI: 10.1088/1742-6596/1359/1/012043.
Meleshkin A.V., Elistratov D.S. Experimental investigation of the process of hydrate-formation by the method of explosive boiling of liquefied freon 134a in the water volume during decompression. MATEC Web Conf. 2018. V. 194. P. 01015. DOI: 10.1051/matecconf/201819401015.
Meleshkin A.V., Glezer V.V. Influence of initial water temperature on the synthesis of gas hydrate by the method of explosive boiling liquefied hydrogen-forming gas freon 134a in the volume of water. J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1382. P. 012132. DOI: 10.1088/1742-6596/1382/1/012132.
Митрофанов А.В., Мизонов В.Е., Малько М.В., Васи-левич С.В., Зарубин З.В. Формально-кинетические подходы к описанию термического разложения материалов – проблемы идентификации параметров и интерпретации результатов: краткий обзор. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 7. С. 6-16. Mitrofanov A.V., Mizonov V.E., Malko M.V., Vasilevich S.V., Zarubin Z.V. Formal kinetic approaches to the description of thermal decomposition of materials - problems of parameter identification and interpretation of results: a brief review. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 7. P. 6-16. DOI: 10.6060/ivkkt.20226507.6579.
Кольцов Н.И. Влияние дополнительных медленных стадий на кинетические закономерности химических реакций. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 8. С. 32-38. DOI: 10.6060/ivkkt.20226508.6618. Koltsov N.I. The influence of additional slow stages on the kinetic laws of chemical reactions. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 8. P. 32-38. DOI: 10.6060/ivkkt.20226508.6618.
Wang X., Zhang F., Lipiński W. Carbon dioxide hydrates for cold thermal energy storage: A review. Solar Energy 2020. V. 211. P 11-30. DOI: 10.1016/j.solener.2020.09.035.
Zhang P., Ye N., Zhu H., Xiao X. Hydrate equilibrium conditions of tetra-n-butylphosphonium bromide + carbon dioxide and the crystal morphologies. J. Chem. Eng. Data 2013. V. 58. P. 1781-1786. DOI: 10.1021/je400179t.
Sinehbaghizadeh S., Saptoro A., Mohammadi A.H. CO2 hydrate properties and applications: A state of the art. Prog. Energy Combust. Sci. 2022. V. 93. P. 101026. DOI: 10.1016/ j.pecs.2022.101026.
Nashed O., Partoon B., Lal B., Sabil K.M., Shariff A.M. Review the impact of nanoparticles on the thermodynamics and kinetics of gas hydrate formation. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2018. V. 55. P. 452-465. DOI: 10.1016/j.jngse.2018.05.022.
Firoozabadi S.R., Bonyadi M. A comparative study on the effects of Fe3O4 nanofluid, SDS and CTAB aqueous solutions on the CO2 hydrate formation. J. Mol. Liq. 2020. V. 300. P. 112251. DOI: 10.1016/j.molliq.2019.112251.
Pourrajab R., Noghrehabadi A., Behbahani M., Hajidavalloo E. An efficient enhancement in thermal conductivity of water‑based hybrid nanofluid containing MWCNTs‑COOH and Ag nanoparticles: experimental study. J. Therm. Anal. Calorim. 2021. V. 143. P. 3331-3343. DOI: 10.1007/s10973-020-09300-y.
Mohammadi A., Manteghian M., Haghtalab A., Mohammadi A.H., Rahmati-Abkenar M. Kinetic study of carbon dioxide hydrate formation in presence of silver nanoparticles and SDS. Chem. Eng. J. 2014. V. 237. P. 387–395. DOI: 10.1016/j.cej.2013.09.026.
Peng D.Y., Robinson D.B. A new two constant equation of state. Ind. Eng. Chem. Fundamen. 1976. V. 15. P. 59-64. DOI: 10.1021/i160057a011.
Strukov D.A., Adamova T.P., Manakov A.Y. Nucleation and Growth of Methane and Carbon Dioxide Hydrates on Wetting Liquid Films. Cryst. Growth Des. 2023. V. 23. P. 354-361. DOI: 10.1021/acs.cgd.2c01048.
Kars R.L., Best R.J., Drinkenburg A.A.H. The sorption of propane in slurries of active carbon in water. Chem. Eng. J. 1979. V. 17. P. 201-210, DOI: 10.1016/0300-9467(79)85014-5.
Zhang Z., Cai J., Chen F., Li H., Zhang W., Qi W. Progress in enhancement of CO2 absorption by nanofluids: A mini review of mechanisms and current status. Renew. Energy 2018. V. 118. P. 527-535. DOI: 10.1016/j.renene.2017.11.031.
Misyura S., Semenov A., Peschenyuk Y., Vozhakov I., Morozov V. Nonisothermal evaporation of sessile drops of aqueous solutions with surfactant. Energies 2023. V. 16. P. 843. DOI: 10.3390/en16020843.
Watanabe K., Imai S., Mori Y.H. Surfactant effects on hydrate formation in an unstirred gas/liquid system: An experimental study using HFC-32 and sodium dodecyl sulfate. Chem. Eng. Sci. 2005. V. 60. P. 4846-4857. DOI: 10.1016/j.ces.2005.03.043.
Kumar A., Bhattacharjee G., Kulkarni B.D., Kumar R. Role of surfactants in promoting gas hydrate formation. Ind. Eng. Chem. Res. 2015. V. 54. P. 12217-12232. DOI: 10.1021/acs.iecr. 5b03476.
Misyura S., Morozov V., Strizhak P., Shlegel N., Donskoy I. Effect of Surfactants on the Synthesis and Dissociation of Gas Hydrates. Fire 2024. V. 7. P. 240. DOI: 10.3390/fire7070240.
Nesterov A.N., Reshetnikov A.M., Manakov A.Y., Adamova T.P. Synergistic effect of combination of surfactant and oxide powder on enhancement of gas hydrates nucleation. J. Energy Chem. 2017. V. 26. P 808-814. DOI: 10.1016/j.jechem.2017.04.001.
