Abstract
CO2 hydrate formation in the CO2 transmission pipelines for ocean or geological sequestration can result in pipeline blockage and rupture. Herein, monomeric substances (urea (U), acetamide (A), and glycine (G)) that are easily decomposable were evaluated as kinetic hydrate inhibitors and potential synergists for CO2 hydrate using experimental and computational approaches. The onset temperatures of CO2 + inhibitor hydrates were experimentally measured using a high-pressure autoclave reactor. G showed the best inhibition effect among single inhibitors, and combinations of U + A and A + G made the inhibition synergism for CO2 hydrate. Moreover, molecular dynamics simulations were also conducted to understand the nucleation and formation behaviors of CO2 hydrate in the presence of single and mixed inhibitors at a molecular level. The profiles of F4 order parameters and hydrate counts for each CO2 + inhibitor system followed the experimental results. Analyses of hydrogen bond distributions, radial distribution function, and mean squared displacement were carefully conducted to elucidate the inhibition mechanism of monomeric substances and their inhibition synergism for CO2 hydrate. The experimental and computational results would provide insights into the development of new biodegradable CO2 hydrate inhibitors and contribute to safe transportation and injection of CO2 for long-term storage.
Redirectingdoi.org해양 또는 지질 격리를 위한 CO₂ 수송 파이프라인에서 CO₂ 하이드레이트가 형성되면 파이프라인 막힘과 파열을 초래할 수 있습니다. 이에 본 연구는 분해가 용이한 단량체 물질인 요소(urea, U), 아세트아마이드(acetamide, A), 글라이신(glycine, G)을 CO₂ 하이드레이트용 동적 하이드레이트 억제제(KHI) 및 잠재적 시너지제로 평가하기 위해 실험적·계산적 접근을 병행하였습니다. 고압 오토클레이브 반응기를 이용하여 CO₂+억제제 하이드레이트의 생성 개시 온도를 실험적으로 측정하였으며, 단일 억제제 중에서는 G가 가장 우수한 억제 효과를 보였습니다. 또한 U+A 및 A+G 조합은 CO₂ 하이드레이트에 대해 억제 시너지를 나타냈습니다.
더 나아가, 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 수행하여 단일 및 혼합 억제제 존재 하에서 CO₂ 하이드레이트의 핵생 및 형성 거동을 분자 수준에서 규명하였습니다. 각 CO₂+억제제 계에 대한 F4 질서 매개변수와 하이드레이트 개수의 변화 양상은 실험 결과와 정합적으로 일치하였습니다. 억제 메커니즘과 억제 시너지의 기원을 해명하기 위해 수소결합 분포, 방사형 분포 함수(RDF), 평균 제곱 변위(MSD)를 면밀히 분석하였습니다.
본 연구의 실험·계산 결과는 신규 생분해성 CO₂ 하이드레이트 억제제 개발에 대한 통찰을 제공하며, 장기 저장을 위한 CO₂의 안전한 수송 및 주입에 기여할 수 있습니다.