Адсорбція метану на кремнеземах з різними гідрофобними властивостями
Анотація
Методом низькотемпературної 1Н ЯМР спектроскопії вивчена адсорбція метану на гідратованій поверхні гідрофобного кремнезему АМ-1, АМ-1 імпрегнованому аргініном, та силікагелі Si-100. Показано, що величина адсорбції метану на поверхні АМ-1 залежить від її гідратованості та пробопідготовки. Максимальна адсорбція (до 80 мг/г) спостерігається для зразка, гідратованого після повного висушування. Встановлено, що адсорбція визначається кількістю кластерів міжфазної води малих радіусів. На підставі вигляду температурної залежності адсорбції висловлено припущення про наявність не тільки фізичної адсорбції, але і формування квазі-твердих гідратів метану. Встановлено, що на поверхні композитної системи АМ-1/аргінін кількість адсорбованого в ізобаричних умовах метану зростає в десятки разів (від 0,5 до 80 мг/г) при наявності на поверхні передадсорбованої води. Ймовірними механізмами адсорбції метану є фізична адсорбція на поверхні, конденсація в щілиноподібних зазорах між нанорозмірними (1-10 нм) кластерами води та поверхнею і формування твердих (клатратних) гідратів метану. Адсорбована на поверхні вода існує у вигляді кластерів в широкому інтервалі гідратованості. Вона є сильноасоційованою і має хімічні зсуви в діапазоні δН = 4-6 м.ч. Гідратні структури метан-вода досить стабільні і можуть існувати навіть в середовищі хлороформу. При цьому частина води переходить в слабоасоційований стан і спостерігається при δН = 1,5-2 м.ч.
Посилання
1. Kvenvolden K.A. A primer on the geological occurrence of gas hydrate. (Geological Society London Special Publication 137, 1998). https://doi.org/10.1144/GSL.SP.1998.137.01.02
2. Uchida T., Tsuji T. Petrophysical properties of natural gas hydrate-bearing sands and their sedimentalogy in the Nankai Trough. Resource Geology, 2004. 54, 79. https://doi.org/10.1111/j.1751-3928.2004.tb00189.x
3. Sloan E.D. Clathrate Hydrates of Natural Gases. (New York: Marcel Dekker Inc., 1998).
4. Waseda A., Uchida T Origin of methane in natural gas hydrates from the Mackenzie Delta and Nankai. Trough. Proceedings of the 4th Int. Conf. on Gas Hydrates, Yokohama, May 19-23. 2002. P.169.
5. Mao W.L., Mao H.K., Goncharov A.F., Struzhkin V.V., Gou Q.Z., Hu J.Z., Shu J.F., Hemley R.J., Somayazulu M., Zhao Y.S. Hydrogen clusters in clathrate hydryatecience. Science. 2002. 297: 2247. https://doi.org/10.1126/science.1075394
6. Chou I.-M., Sharma A., Burruss R.C., Shu J., Mao H.K., Hemley R.J., Goncharov A.F., Stern L.A., Kirby S.H. Transformations in methane hydrates Proceedings of the National Academy of Sciences. 2000. 97: 13484. https://doi.org/10.1073/pnas.250466497
7. Somayazulu M., Shu J.F., Zha C.S., Goncharov A.F., Tschauner O., Mao H.K., Hemley R.J. In situ high-pressure x-ray diffraction study of H2O ice VII. Journal of Chemical Physics 2008, 128: 064510 https://doi.org/10.1063/1.2813890
8. Schicks J.M., Luzi-Helbing M. Kinetic and thermodynamic aspects of clathrate hydrate nucleation and growth. J. Chem. Eng. Data. 2015. 60: 269. https://doi.org/10.1021/je5005593
9. Rodger P.M. Stability of gas hydrates. J PhysChem 1990. 94: 6080. https://doi.org/10.1021/j100378a082
10. Kvamme B. A new theorie for kinetics of hydrate formation. In: Proceedings of the 2nd international conference on natural gas hydrates, 1996. June 2-6, Toulouse, pp 139-146.
11. Ludwig R. The importance of tetrahedrally coordinated molecules for the explanation of liquid water properties. Chem.Phys.Chem. 2007. 8: 938. https://doi.org/10.1002/cphc.200700067
12. Walsh M.R., Koh C.A., Sloan E.D., Sum A.K., Wu D.T. Microsecond simulations of spontaneous methane hydrate nucleation and growth. Science 2009. 326:1095. https://doi.org/10.1126/science.1174010
13. Vatamanu J., Kusalik P.G. Unusual crystalline and polycrystalline structures in methane hydrates. J Am ChemSoc. 2006. 128:15588. https://doi.org/10.1021/ja066515t
14. Schicks J.M., Luzi-Helbing M. Kinetic and thermodynamic aspects of clathrate hydrate nucleation and growth. J. Chem. Eng Data. 2015. 60: 269. https://doi.org/10.1021/je5005593
15. Rodger P.M. Stability of gas hydrates. J PhysChem. 1990. 94: 6080. https://doi.org/10.1021/j100378a082
16. Koh C.A. Towards a fundamental understanding of natural gas hydrates. Chemical Society Reviews. 2002. 31(3): 157. https://doi.org/10.1039/b008672j
17. Stoll R. D., Bryan G. M. Physical properties of sediments containing gas hydrates. Journal of Geophysical Research. 1979. 84(B4): 1629. https://doi.org/10.1029/JB084iB04p01629
18. Holland M., Schultheiss P., Roberts J., Druce M. "Observed gas hydrate morphologies in marine sediments" in Proceedings of the 6th International Conference on Gas Hydrates (ICGH'08), Vancouver, Canada, July 2008.
19. Uchida, T., Lu H., Tomaru H.. Subsurface occurrence of naturalgas hydrate in the Nankai Trough Area: Implication for gas hydrate concentration. Resource Geology, 2004. 54(1): 35. https://doi.org/10.1111/j.1751-3928.2004.tb00185.x
20. Uchida, T., Takeya S., Chuvilin E.M., Ohmura R. Decomposition of Methane Hydrates in Sand, Sandstone, Clays and Glass Beads. Journal of Geophysical Research. 2004. 109(B5): B05206. https://doi.org/10.1029/2003JB002771
21. Veluswamy H.P., Hong Q.W., Linga P. Morphology study of methane hydrate formation and dissociation in the presence of amino acid. Cryst. Growth Des. 2016. 16: 5932. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.6b00997
22. Bavoh C.B., Nashed O., Khan M.S., Partoon B., Azmi B.L., Sharif M. The impact of amino acids on methane hydrate phase boundary and formation kinetics. The Journal of Chemical Thermodynamics. 2018. 117: 48. https://doi.org/10.1016/j.jct.2017.09.001
23. Qazi Nasir, Humbul Suleman, Yasir A. Elsheikh A review on the role and impact of various additives as promoters/ inhibitors for gas hydrate formation. Journal of Natural Gas Science and Engineering 2020. 76: 103211. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2020.103211
24. Junjie Zheng, Niranjan Kumar Loganathan, Jianzhong Zhao, Praveen Linga Clathrate hydrate formation of CO2/CH4 mixture at room temperature: Application to direct transport of CO2-containing natural gas. Applied Energy. 2019. 249: 190. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.04.118
25. Cornelius B. Bavoh, Bhajan Lal, Harrison Osei, Khalik M. Sabil, Hilmi Mukhtar A review on the role of amino acids in gas hydrate inhibition, CO2 capture and sequestration, and natural gas storage. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2019. 64: 52. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2019.01.020
26. Gun'ko V.M., Turov V.V., Krupska T.V. Interfacial behavior of methane and organic solvents with low freezing points upon interaction with hydrophilic and hydrophobic nanosilicas. Chemistry, physics technology surface. 2018. 9. (2): 107. https://doi.org/10.15407/hftp09.02.107
27. Gun'ko V.M., Turov V.V., Krupska T.V., Pakhlov E.M. Behavior of water and methane bound to hydrophilic and hydrophobic nanosiliсas and their mixture. Chemical Physics Letters. 2017. 690: 25. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2017.10.039
28. Petin A.Yu., Gunko V.M., Skubishevska-Ziemba Ya., Leboda R., Turov V.V. Co-adsorption of methane and non-polar hydrocarbons by mesoporous silica gel in the presence of water. Chemistry, physics and surface technology. 2010. 1(2): 138.
29. Turov V.V., Gun'ko V.M. Clustered water and ways of its application. (Kiev: Naukova dumka, 2011). [in Russian].
30. Gun'ko V.M., Turov V.V., Gorbik P.P. Water at interface. (Кiev: Naukova dumka. 2009). [in Russian].
31. Gun'ko V.M., Turov V.V. Nuclear Magnetic Resonance Studies of Interfacial Phenomena. (Boca Raton: CRC Press, 2013). https://doi.org/10.1201/b14202
32. Gun'ko V.M., Turov V.V., Bogatyrev V.M., Zarko V.I., Leboda R., Goncharuk E.V., Novza A.A., Turov A.V., Chuiko A.A. Unusual properties of water at hydrophilic/hydrophobic interfaces. Adv. Colloid Interface Sci. 2005. 118: 125. https://doi.org/10.1016/j.cis.2005.07.003
33. Deroum E. Modern NMR methods for chemical research. (Moscow: Mir, 1992). [in Russian].
34. Gregg S.J., Sing K.S.W. Adsorption, Surface Area and Porosity. (London: Academic Press, 1982).
35. Gun'ko V.M., Turov V.V., Pakhlov E.M., Krupska T.V., Borysenko M.V., Kartel M.T., Charmas B. Water interactions with hydrophobic versus hydrophilic nanosilica. Langmuir. 2018. 34(40): 12145. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b03110
36. Patent UA 138023. Krupska T.V., Turov V.V., Gun'ko V.M., Kartel M.T. Method of transferring a mixture of hydrophilic and hydrophobic silica into an aqueous medium by using high mechanical loads. 2019. [in Ukrainian].
37. Thermodynamic properties of individual substances. (Moscow: Nauka, 1978). [in Russian].
38. Aksnes D.W., Forl K., Kimtys L., Pore size distribution in mesoporous materials as studied by 1H NMR. Phys. Chem. Chem. Phys. 2001. 3: 3203. https://doi.org/10.1039/b103228n
39. Petrov O.V., Furó I., NMR cryoporometry: principles, applications and potential. Progr. NMR Spectroscopy. 2009. 54: 97. https://doi.org/10.1016/j.pnmrs.2008.06.001
40. Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G.A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H.P., Izmaylov A.F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J.L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J.A., Peralta Jr., J.E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N., Keith T., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J.C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Rega N., Millam J.M., Klene M., Knox J.E., Cross J.B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R.E., Yazyev O., Austin A.J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Zakrzewski V.G., Voth G.A., Salvador P., Dannenberg J.J., Dapprich S., Daniels A.D., Farkas O., Foresman J.B., Ortiz J.V., Cioslowski J., Fox D.J., Gaussian 09, Revision D.01, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2013.
41. Barca G., Bertoni C., Carrington L., Datta D., DeSilva N., Deustua J.E., Fedorov D.G., Gour J.R., Gunina A.O., Guidez E., Harville T., Irle S., Ivanic J., Kowalski K., Leang S.S., Li H., Li W., Lutz J.J., Magoulas I., Mato J. Mironov V., Nakata H., Pham B.Q., Piecuch P., Poole D., Pruitt S.R., Rendell A.P., Roskop L.B., Ruedenberg K., Sattasathuchana T., Schmidt M.W., Shen J., Slipchenko L., Sosonkina M., Sundriyal V., Tiwari A., GalvezVallejo J.L., Westheimer B., Włoch M., Xu P., Zahariev F., Gordon M.S. Recent developments in the general atomic and molecular electronic structure system. J. Chem. Phys. 2020. 152: 154102. https://doi.org/10.1063/5.0005188
42. Stewart J.J.P. Optimization of parameters for semiempirical methods VI: more modifications to the NDDO approximations and re-optimization of parameters. J. Mol. Mod. 2013 19: 1, https://doi.org/10.1007/s00894-012-1667-x
43. Stewart J.J.P. MOPAC 2016, Stewart Computational Chemistry. web: HTTP://OpenMOPAC.net. 13/01/2021.
44. Dennington R., Keith T., Millam J. Gauss View, Version 5.0.9, Semichem Inc., Shawnee Mission KS, 2009.
45. Pettersen E.F.; Goddard T.D.; Huang C.C.; Couch G.S.; Greenblatt D.M.; Meng E.C.; Ferrin T.E. UCSF Chimera a visualization system for exploratory research and analysis, J. Comput. Chem. 2004. 25: 1605. https://doi.org/10.1002/jcc.20084
46. Holland M., Schultheiss P., Roberts J., Druce M., Observed gas hydrate morphologies in marine sediments, Proc. 6th International Conference on Gas Hydrates (ICGH '08), Vancouver, Canada, July 2008.
47. Stoll R.D., Bryan G.M., Physical properties of sedimentscontaining gas hydrates, J. Geophys. Res. 1979. 84: 1629. https://doi.org/10.1029/JB084iB04p01629
48. Vlasova N.N., Golovkova L.P. The adsorption of amino acids on the surface of highly dispersed silica. Colloid Journal. 2004. 66(6): 657. https://doi.org/10.1007/s10595-005-0042-3
49. Popl J.A., Schneider W.G., Bernstein H.J. High-Resolution Nuclear Magnetic Resonance. (New York-Toronto-London: McGraw-Hill Book Company, JNC. 1959.).
