Abstract
Amino acids (glycine and alanine) and ionic liquids ([BMIM][BF4] and [BMIM][I]) were examined for their inhibition effects on CH4 hydrates with experimental and computational approaches. Both amino acids and ionic liquids functioned well as thermodynamic hydrate inhibitors, by shifting equilibrium curves of CH4 hydrates toward harsh conditions. However, powder X-ray diffraction patterns indicated that amino acids and ionic liquids did not affect the hydrate structure because they were not included in the hydrate cages due to their large molecular size. Gas uptake measurements showed that the conversion of water into gas hydrates and the formation rates of CH4 hydrate were significantly influenced by inhibitors. Density functional theory calculations indicated that [BMIM][BF4] had a larger potential than glycine to inhibit gas hydrate formation by giving a more negative interaction energy between a cage and an inhibitor molecule. The time-dependent Raman spectra collected during CH4 hydrate formation demonstrated that [BMIM][BF4] hindered CH4 molecules from occupying small (512) cages, whereas glycine had a strong influence on large (51262) cages of sI hydrates. The experimental and computational results provide a better understanding of inhibition mechanisms of gas hydrates and thus can contribute to the improved control of hydrate formation in oil and gas pipelines.
Redirectingdoi.org아미노산(글라이신, 알라닌)과 이온성 액체([BMIM][BF₄], [BMIM][I])의 메탄(CH₄) 하이드레이트 억제 효과를 실험적·계산적 접근으로 조사하였습니다. 아미노산과 이온성 액체는 CH₄ 하이드레이트의 상평형 곡선을 보다 가혹한 조건(억제 영역)으로 이동시킴으로써 열역학적 하이드레이트 억제제로서 유효하게 기능하였습니다. 한편, 분말 X선 회절(PXRD) 패턴에 따르면 이들 억제제는 분자 크기가 커 하이드레이트 케이지에 포접되지 않으므로, 하이드레이트 구조 자체에는 영향을 미치지 않았습니다. 가스 흡수량 측정 결과, 물의 하이드레이트 전환율과 CH₄ 하이드레이트의 형성 속도는 억제제에 의해 유의하게 영향을 받았습니다.
밀도범함수이론(DFT) 계산은 [BMIM][BF₄]가 케이지–억제제 분자 간 상호작용 에너지를 더 음(-)의 값으로 만들어, 글라이신보다 가스 하이드레이트 형성을 억제할 잠재력이 더 큼을 시사하였습니다. 또한 CH₄ 하이드레이트 형성 동안 수집한 시간 의존 라만 스펙트럼은 [BMIM][BF₄]가 소형 케이지(5¹²)에서 CH₄ 분자의 점유를 저해한 반면, 글라이신은 구조 I(sI) 하이드레이트의 대형 케이지(5¹²6²)에 강한 영향을 미침을 보여주었습니다.
종합하면, 본 연구의 실험 및 계산 결과는 가스 하이드레이트의 억제 메커니즘에 대한 이해를 심화시키며, 석유·가스 파이프라인에서 하이드레이트 형성의 보다 향상된 제어에 기여할 수 있습니다.