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Jul 04, 2023

常温および過冷却状態での加圧メタンの吸収

Scientific Reports volume 13、記事番号: 136 (2023) この記事を引用する 676 アクセス 1 Altmetric Metrics の詳細 液体の過冷却は、ほとんど研究されていない特殊性をもたらします

Scientific Reports volume 13、記事番号: 136 (2023) この記事を引用

676 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

液体の過冷却は、高圧条件下ではほとんど研究されていない特殊性をもたらします。 ここでは、メタンとパラキシレンの常温および過冷却液体溶液の表面張力、溶解度、拡散率、部分モル体積を報告します。 過重水素化 p-キシレン (p-C8D10)、および比較として o-キシレン (o-C8D10) の液体体を、7.0 ～ 30.0 °C の範囲の温度で加圧メタン (CH4、最大 101 bar) に曝露し、観察しました。非触覚中性子イメージング法を使用した高空間解像度 (ピクセルサイズ 20.3 μm) での撮影。 過冷却により、拡散率とメタンの部分モル体積が増加しました。 溶解度および表面張力は過冷却の影響を受けず、後者は実質的にメタン圧力に依存しました。 全体として、中性子イメージングにより、液化天然ガスの生産における凍結に関連する圧力下でメタンの過冷却液体パラキシレン溶液で発生する複数の現象を明らかにし、定量化することができました。

融点以下に冷却された液体は、粘度や拡散率の変化などの特異な物理的特性を示しますが、これは一般に分子レベルでの動的不均一性に起因すると考えられます1、2、3、4、5、6。 分子の熱運動は、エネルギー障壁または自由体積の欠如により遅くなります1、7、8、9。 水素結合や芳香環間の相互作用などの特定の相互作用が関与する可能性があります。 例えば、o-キシレン、m-キシレン、p-キシレンなどの有機化合物は水とともに過冷却溶液から揮発する（ヘンリー定数が増加する）ため、過冷却水中で氷状のクラスターが形成されるという仮説が立てられました10。 水のほかに、特定の相互作用が p-キシレンなどの他の過冷却液体の特性に影響を与える可能性があります。 この化合物は室温で 0.84 GPa で固化しますが、13.5 GPa では三量体および四量体を形成すると報告されています11。 したがって、過冷却液体パラキシレンの分子レベルの不均一性が発生し、熱力学的不安定性による自然凝固や予測が困難な特性に関与すると予想されます。

p-キシレンの高い標準融点（p-C8H10、13.25 °C12）により、この化合物は液化天然ガス（LNG）の生産において凝縮し、過冷却されてコールドスポットに堆積する可能性があります。 他のキシレン異性体はそれほど深刻ではなく、通常の融点 12 は次のとおりです: - 25.17 °C (o-C8H10) および - 47.85 °C (m-C8H10)。 それに加えて、p-キシレンは、かなり穏やかな温度で過冷却された液体を研究するための水以外の実用的な試験化合物です。 LNG の製造における BTEX 化合物（ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン）の凝縮は、その低い許容濃度（< 1 ppm13）によって回避されますが、この研究は、LNG の処理におけるコールド スポットで発生する現象のより良い理解をもたらすことができます。天然ガスに関する知識を深め、一般知識を広げます。

最近の研究では、共存相の組成を記述する重要な実験データと予測モデル 13,14 が報告されており、重要なことに、メタン (CH4) と p-キシレン (p-C8H10) からなる系における p-キシレン (p-C8H10) の融解温度も報告されています。 14. したがって、過冷却度は純粋な p-キシレンだけでなく、高圧でのメタンとの混合物についても評価できます。 達成可能な過冷却は一般に、実験装置の化学組成と表面によって異なります。 約 2 °C の過冷却により、4.35 °C、225 bar でメタン (CH4) および p-キシレン (p-C8H10) 溶液の冷却された銅チップで p-キシレンの凝固が誘発されることが報告されています14。 凝固が誘導された文献14とは対照的に、私たちは熱力学的に不安定な過冷却液体の特性を研究することを目的としています。

密度、溶解度、音速、熱容量、表面張力、粘度に関する実験データは、これまでにいくつかの過冷却液体、主に水について報告されています3、10、15、16、17、18、19、20、21、22、23。 、24、25、26、27、28、29。 音速と過冷却水の導出量に関する 1 つの研究を除いて 16、上記の研究は大気圧に近い圧力で観察されたデータを報告しているか、実験圧力を報告していません。 高圧条件下で液体を研究するための一般的なハイスループットな方法は、振動管密度測定、ペンダントドロップ法、テイラー分散法、毛細管波法、ラマン分光法および核磁気共鳴を利用した方法です30、31、32、33、34。 、35、36、37、38、39、40、41。 私たちの知る限り、高圧下での過冷却液体への使用に関する報告はありません。 これらの方法や他の方法が過冷却液体の特性を研究するために適用できることは確かに認められます。 例えば、ラマン分光法と核磁気共鳴は、関連条件下での天然ガスハイドレートの形成に関する研究に使用されました42,43。 この研究で示したように、私たちの非触覚ワンポット中性子イメージング法 44 は、加圧ガスにさらされた過冷却液体を含むシステムの研究に適用できます。