Τεχνολογία SNG (Solidified Natural Gas) για αποθήκευση αερίου
Το φυσικό αέριο (NG) έχει αναγνωριστεί ως το πιο καθαρό ορυκτό καύσιμο και ως ζωτικής σημασίας πόρος για την ανακούφιση του ανθρωπογενούς CO2 εκπομπών για να καταστεί δυνατή η μετάβαση σε έναν κόσμο με περιορισμούς άνθρακα. Υπάρχει ανάγκη ανάπτυξης ασφαλούς, αξιόπιστης και αποδοτικής τεχνολογίας για αποθήκευση φυσικού αερίου μεγάλης κλίμακας.
Η τεχνολογία στερεοποιημένου φυσικού αερίου (SNG) μέσω υδριτών clathrate προσφέρει υψηλή χωρητικότητα αποθήκευσης NG σε εύκρατες συνθήκες (ατμοσφαιρική πίεση και μέτριες θερμοκρασίες) σε σύγκριση με το συμπιεσμένο φυσικό αέριο (CNG) ή το προσροφημένο φυσικό αέριο (ANG). Αν και οι εγκαταστάσεις Υγροποιημένου Φυσικού Αερίου (LNG) είναι αφιερωμένες στη μεταφορά φυσικού αερίου, η απαίτηση κρυογονικής θερμοκρασίας (-162°C) και τα προβλήματα συνεχούς βρασμού περιορίζουν τη δυνατότητα υιοθέτησής του για μακροπρόθεσμη αποθήκευση. Οι ένυδρες ενώσεις Clathrate ή οι ένυδρες αέριες είναι κρυσταλλικές ενώσεις που μοιάζουν με πάγο που σχηματίζονται από φιλοξενούμενα μόρια (όπως CH4 αέριο και υγρό THF) και μόρια νερού ξενιστή σε κατάλληλες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Οι ένυδρες ενώσεις Clathrate κρυσταλλώνονται κλασικά σε τρεις διαφορετικές δομές ή γεωμετρίες, που ονομάζονται δομή I (sI, κυβικό), δομή II (sII, κυβικό) και δομή H (sH, εξαγωνικό).
Το SNG είναι μη εκρηκτικό, περιβαλλοντικά συμβατό και οικονομικό. Μια σημαντική ανησυχία για την τεχνολογία SNG είναι ότι η χρήση ένυδρων sI απαιτεί χαμηλή θερμοκρασία αποθήκευσης (-20 °C) για αποθήκευση και η σταθερότητα εξαρτάται από το ανώμαλο αποτέλεσμα αυτοσυντήρησης σε αυτή τη θερμοκρασία. Οι ένυδρες ενώσεις μεθανίου (sI) είναι θερμοδυναμικά σταθερές σε θερμοκρασία -80 °C σε ατμοσφαιρική πίεση.
Για να ξεπεραστεί αυτό το ζήτημα, είναι επιθυμητό να απομακρυνθείτε από τα ένυδρα sI. Προς αυτή την κατεύθυνση, αναμίχθηκε μεθάνιο-τετραϋδροφουράνιο (CH4 -THF) υδρίτες (sII) προσφέρουν μια μεγάλη υπόσχεση να μετατοπίσουν τη θερμοδυναμική σε πολύ ήπιες συνθήκες, καθώς το μικτό CH4 -Το ένυδρο THF είναι θερμοδυναμικά πιο σταθερό από το καθαρό ένυδρο μεθάνιο (sI). Ωστόσο, η κατανόηση σε μοριακό επίπεδο αυτών των θερμοδυναμικά ή κινητικά ελεγχόμενων ένυδρων δομών είναι ασαφής στην ανοιχτή βιβλιογραφία. Έτσι, μέσω μιας σειράς προσεκτικά σχεδιασμένων πειραματικών εργασιών που χρησιμοποιούν αναλυτικές τεχνικές αιχμής όπως η θερμιδομετρία διαφορικής σάρωσης υψηλής πίεσης (HP μ-DSC) και μια in situ φασματοσκοπία Raman, διερευνούμε το μικτό CH4 -Σχηματισμός ένυδρου THF (με 5,56 mol% THF, στοιχειομετρική ποσότητα) παρουσία επιφανειοδραστικού, δωδεκυλοθειικού νατρίου (SDS, ως κινητικός προαγωγέας).
Μέσω της ανάλυσης HP μ-DSC, διαπιστώσαμε ότι η παρουσία SDS σε διάλυμα νερού-THF προάγει τη δημιουργία πυρήνων και την ανάπτυξη κρυστάλλων ένυδρου sI (καθαρών ένυδρων μεθανίου). Με άλλα λόγια, μπορούμε να πούμε ότι καθαρό μεθάνιο (sI) και μικτό CH4 – Οι ένυδρες εστίες THF (sII) συνυπάρχουν παρουσία SDS (Ανατρέξτε στην Εικ. 1). Ωστόσο, απουσία SDS, βρήκαμε ότι αντί για ένυδρες ενώσεις sI, καθαρό THF (sII) και μικτό CH4 – Οι ένυδρες εστίες THF (sII) συμπίπτουν κατά τον σχηματισμό ένυδρων αλάτων. Επιπλέον, εάν η θερμοδυναμική περιορίζει τον σχηματισμό ένυδρων sI, η παρουσία SDS στο σύστημα νερού-THF μπορεί να ενισχύσει τον σχηματισμό μικτού CH4 -Ένυδρο THF (sII) με σημαντικά υψηλή πρόσληψη μεθανίου.
Τα ευρήματά μας παρουσιάζουν σημαντική βελτίωση στην ικανότητα αποθήκευσης μεθανίου μέσω μικτού CH4 -Το THF ενυδατώνεται παρουσία SDS, πιθανώς λόγω (i) της κοινής χρήσης μεγάλων κλωβών από μόρια μεθανίου μαζί με THF και (ii) βελτίωσης της εγκλωβισμού μεθανίου στα μικρά κλουβιά μικτού CH4 - THF ενυδατώσεις. Συνοπτικά, παρουσιάζουμε μια κινητικά και θερμοδυναμικά ελεγχόμενη εγκλεισμό μορίων μεθανίου σε μικρούς και μεγάλους κλωβούς ένυδρων sI και sII. Τα ευρήματά μας προσφέρουν νέες ιδέες για την ανάπτυξη μιας αποτελεσματικής διαδικασίας αποθήκευσης μεθανίου μεγάλης κλίμακας σε εύκρατες συνθήκες σε μικτό CH4 -Υδράτες THF (sII) μέσω τεχνολογίας στερεοποιημένου φυσικού αερίου.
