Los investigadores de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York están utilizando un medio novedoso para estudiar cómo el metano y el agua forman hidrato de metano que les permite examinar pasos discretos en el proceso de manera más rápida y eficiente.
Investigadores de NYU Tandon dirigidos por Ryan Hartman, profesor asistente de ingeniería biomolecular y química que dirige Tandon's Flow Chemistry con Microsystems Laboratory, están utilizando microfluidos, el control preciso y la manipulación de fluidos al restringirlos a geometrías submilimétricas, junto con pequeños cambios de temperatura para explorar el proceso indeterminado por el cual el gas metano se convierte en un hidrato sólido cuando se expone al agua.
El trabajo tiene implicaciones para la ingeniería y la ciencia del clima. Una enorme cantidad de metano está atrapada en el permafrost y debajo del lecho ártico del océano, gran parte en un estado de hidrato de metano bloqueado por hielo, en el que el metano está encerrado en jaulas de moléculas de agua. Comprender cómo el metano, que absorbe 30 veces más radiación solar que el dióxido de carbono, interactúa con el agua para convertirse en un hidrato de gas cristalino y, en cambio, cómo se disocia de nuevo a su estado gaseoso, es fundamental para comprender cómo podría catalizar, o quizás lento, cambio climático. También podría conducir a nuevas tecnologías para la separación de gases, y almacenamiento eficiente y seguro de gas natural, ya que la cantidad de energía en los depósitos de hidratos de gas natural es al menos el doble de la de todos los demás combustibles fósiles combinados.
En la investigación que explora cómo la transferencia de calor y masa afecta la formación de hidratos, publicado en Laboratorio en un chip , una revista de la Royal Society of Chemistry, El equipo estableció un método novedoso para estudiar el crecimiento de películas de hidrato de metano:un reactor de microcanal refrigerado termoeléctricamente diseñado por el laboratorio de Hartman. Singularmente, la tecnología permite cambios de temperatura "paso a paso", reduciendo enormemente el tiempo experimental de horas o días, a minutos o incluso segundos, al tiempo que permite un examen mucho más preciso del proceso mediante técnicas espectroscópicas in situ. Gracias a esta tecnología, el equipo de Hartman es también el primero en poder medir el grado en que la transferencia de masa, que incluye fenómenos como la difusión, afecta las tasas de propagación de cristales.
Los investigadores generalmente están de acuerdo en que la formación de hidratos de gas comienza con la nucleación, donde las moléculas de agua comienzan a formar una red que atrapa las moléculas "invitadas" de un gas como el metano. Cristalización, en el que el proceso se expande rápidamente hacia afuera desde estas semillas de formación de cristales hasta estructuras más grandes, como láminas en la interfaz del agua y el gas. La cinética de la nucleación y otros pasos discretos en el camino hacia la formación de hidratos se comprenden poco en parte debido a las limitaciones de los reactores discontinuos tradicionales (esencialmente tanques de alta presión con agitadores y equipos de calentamiento o enfriamiento), en el que el agua está "cubierta" con gas metano superenfriado. Tales sistemas requieren que la temperatura límite de fase para la formación de hidratos, donde el límite es la interfaz entre el gas metano y el agua superenfriada, reducirse hasta en 10 grados Kelvin. Aún así, la nucleación puede llevar horas o días en tales sistemas.
Usando la nueva tecnología, El estudiante de doctorado de Hartman, Weiqi Chen, y el asociado postdoctoral Bruno Pinho pudieron subenfriar gradualmente moléculas de agua en un orden de magnitud menor que el requerido en sistemas de lotes a gran escala. logrando la nucleación en incrementos de solo un grado Kelvin, en un período de tiempo mucho más corto.
En el sistema isotérmico de Hartman, ciclos de temperatura, en los que las temperaturas experimentales alternan entre dos extremos, con velocidades de enfriamiento del orden de segundos, permitió a los investigadores formar y usar los núcleos lo suficientemente rápido como para realizar una gran cantidad de pruebas en un tiempo mucho más corto que los métodos tradicionales.
"La nucleación es difícil de predecir, ", dijo Hartman." La formación de hidratos de gas puede tardar minutos o, a veces, días. Pero debido a que podemos cambiar la temperatura en cuestión de segundos, podemos formar cristales semilla y usar los núcleos que formamos para formar de forma reproducible cristales más grandes ".
La tecnología de Hartman permitió al equipo demostrar que la tasa de propagación de los cristales depende de una combinación de transferencia de calor (a través de convección o movimiento de fluidos, por ejemplo), transferencia de masa, y cristalización intrínseca (la velocidad a la que se forman los cristales de hidrato cuando no se ve obstaculizada por la transferencia de calor o de masa).
"Imagínese viajar de casa al trabajo utilizando la misma ruta todos los días, "Hartman explicó." Cruzas tres puentes, y dependiendo del dia, uno, dos, o los tres están congestionados. Por cuanto te frena cada puente, relativamente hablando en comparación con los demás, determina el tiempo total de su viaje. En el contexto de la cristalización de hidratos, la congestión del tráfico en el primer puente es la resistencia a la transferencia de calor, el segundo puente es la resistencia a la transferencia de masa, y cristalización intrínseca el tercero. La velocidad a la que se forman los cristales de hidrato puede depender de los tres. Lo que hemos hecho es descubrir una forma de medirlo ".
