Pesquisadores da Escola de Engenharia Tandon da NYU estão usando um novo meio de estudar como o metano e a água formam o hidrato de metano, que lhes permite examinar etapas discretas no processo de maneira mais rápida e eficiente.
Pesquisadores da NYU Tandon liderados por Ryan Hartman, um professor assistente de engenharia biomolecular e química que dirige o Laboratório de Química de Fluxo da Tandon, estão usando microfluídica - o controle preciso e manipulação de fluidos restringindo-os a geometrias submilimétricas - junto com pequenas mudanças na temperatura para explorar o processo indeterminado pelo qual o gás metano se torna um hidrato sólido quando exposto à água.
O trabalho tem implicações para a engenharia e as ciências climáticas. Uma enorme quantidade de metano está presa no permafrost e sob o leito ártico do oceano, grande parte dele em um estado de hidrato de metano bloqueado pelo gelo, em que o metano é encerrado em gaiolas de moléculas de água. Entender como o metano - que absorve 30 vezes mais radiação solar do que o dióxido de carbono - interage com a água para se tornar um hidrato de gás cristalino e, por outro lado, como ele se dissocia de volta ao seu estado gasoso, é fundamental para a compreensão de como pode catalisar, ou talvez lento, das Alterações Climáticas. Também pode levar a novas tecnologias para separações de gás, e armazenamento eficiente e seguro de gás natural, já que a quantidade de energia nos depósitos de hidrato de gás natural é pelo menos o dobro de todos os outros combustíveis fósseis combinados.
Em pesquisas que exploram como a transferência de calor e massa afetam a formação de hidratos, publicado em Lab on a Chip , um jornal da Royal Society of Chemistry, a equipe estabeleceu um novo método para estudar o crescimento de filmes de hidrato de metano:um reator de microcanais termeletricamente resfriado projetado pelo laboratório de Hartman. Unicamente, a tecnologia permite mudanças "graduais" na temperatura, reduzindo muito o tempo experimental de horas ou dias, para minutos ou mesmo segundos, enquanto permite um exame muito mais preciso do processo por meio de técnicas espectroscópicas in situ. Graças a esta tecnologia, a equipe de Hartman é também a primeira a ser capaz de medir o grau em que a transferência de massa, que inclui fenômenos como difusão, afeta as taxas de propagação do cristal.
Os pesquisadores geralmente concordam que a formação de hidrato de gás começa com a nucleação, em que as moléculas de água começam a formar uma rede que retém moléculas "hóspedes" de um gás como o metano. Cristalização, em que o processo se expande rapidamente para fora dessas sementes de formação de cristais para estruturas maiores - como folhas na interface de água e gás. A cinética de nucleação e outras etapas discretas no caminho para a formação de hidratos são mal compreendidas, em parte por causa das limitações dos reatores de lote tradicionais (essencialmente tanques de alta pressão com agitadores e equipamentos de aquecimento ou resfriamento), em que a água é "coberta" com gás metano super-resfriado. Tais sistemas requerem que a temperatura limite de fase para a formação de hidratos, onde o limite é a interface entre o gás metano e a água super-resfriada, ser reduzido em até 10 graus Kelvin. Mesmo assim, nucleação pode levar horas ou dias em tais sistemas.
Usando a nova tecnologia, O aluno de doutorado de Hartman, Weiqi Chen, e o associado de pós-doutorado Bruno Pinho foram capazes de incrementar moléculas de água sub-resfriadas em uma ordem de magnitude menor do que o necessário em sistemas de lote em grande escala, alcançar nucleação em incrementos Kelvin de apenas um grau, ao longo de um período de tempo muito mais curto.
No sistema isotérmico de Hartman, ciclos de temperatura - em que as temperaturas experimentais alternam entre dois extremos - com taxas de resfriamento da ordem de segundos, permitiu que os pesquisadores formassem e usassem os núcleos com rapidez suficiente para conduzir um grande número de testes em um tempo muito menor do que os métodos tradicionais.
"A nucleação é difícil de prever, "disse Hartman." Pode levar minutos ou às vezes dias na formação de hidratos de gás. Mas, como somos capazes de alterar a temperatura em segundos, podemos formar cristais-semente e usar os núcleos que formamos para formar cristais maiores de forma reproduzível. "
A tecnologia de Hartman permitiu à equipe demonstrar que a taxa de propagação dos cristais depende de uma combinação de transferência de calor (por convecção ou movimento de fluido, por exemplo), transferência de massa, e cristalização intrínseca (a taxa na qual os cristais de hidrato se formam quando não são impedidos por calor ou transferência de massa).
"Imagine ir de casa para o trabalho usando o mesmo trajeto todos os dias, "Hartman explicou." Você cruza três pontes, e dependendo do dia, 1, dois, ou todos os três estão congestionados. Em quanto cada ponte te desacelera, relativamente falando em comparação com os outros, determina o tempo total de seu trajeto. No contexto da cristalização de hidrato, o congestionamento de tráfego na primeira ponte é a resistência à transferência de calor, a segunda ponte é a resistência à transferência de massa, e a cristalização intrínseca, a terceira. A taxa na qual os cristais de hidrato se formam pode depender de todos os três. O que fizemos foi descobrir uma maneira de medi-lo. "
