Methane hydrate growth and morphology with implications for combustion

The general objectives of this thesis are the study of the mechanism of formation of methane hydrates and their combustion at ambient pressure, considering the impact of synthetic surfactants, like sodium dodecyl sulfate (SDS). The specific objectives include: - Study the solubility and the diffusion processes of methane and carbon dioxide in distilled water, at different pressure and temperature conditions, simulating deep ocean conditions where methane hydrate naturally occur in order to investigate the role of dissolved gas on hydrate formation - Analyze the impact of synthetic surfactants on solubility, on diffusion characteristic times, and on the mechanism of methane hydrates formation - Create methane hydrates starting from distilled water ice - Characterize quality and reproducibility aspects for methane hydrate samples and compare them to the traditional samples fabricated out of liquid water - Burn samples of methane hydrates to determine peculiarities of this kind of combustion, as well as any relationships between hydrate growth and its burning behavior The comprehension of both methane hydrates growth and combustion is fundamental to investigate their suitability as a cleaner energy source, given their abundance in nature and their favorable H/C ratio. Methane hydrates are also a plausible and interesting solution in order to transport large amount of natural gas in confined space and with modest expenditure of energy. Determination of the structure, behavior, and the possibility to artificially grow hydrates could be a key point for future research focused on this fuel that can also spread light on the role of its large reservoirs in a potential global warming scenario. Methane is well known to have poor solubility in water. The impact of surfactants on solubility, however, has not yet been analyzed, although the growth of methane hydrates seems to benefit from the surfactants presence. An important question is how this mechanism works, i.e., if the main driver is gas dissolution or a surface area phenomena. The analysis of methane hydrates combustion is focused on qualitative ambient pressure burning, highlighting the peculiar characteristics of this fuel, such as the anomalous self-preservation regime.

Gli obiettivi generali di questa tesi sono lo studio del meccanismo di formazione di idrati di metano e la loro combustione a pressione ambiente, considerando l'impatto di tensioattivi sintetici, come il sodio dodecilsolfato (SDS). Gli obiettivi specifici includono: -Lo studio della solubilità e dei processi di diffusione di metano e anidride carbonica in acqua distillata, a differenti condizioni di temperatura e pressione, simulando un ambiente di profondità oceaniche, dove gli idrati di metano esistono in natura, al fine di indagare il ruolo dei gas disciolti nella formazione degli idrati - L'analisi dell'impatto di tensioattivi sintetici sulla solubilità, sui tempi caratteristici di diffusione, e sul meccanismo di formazione degli idrati di metano - La creazione di idrati di metano partendo da ghiaccio di acqua distillata - La caratterizzazione degli aspetti di qualità e riproducibilità per i campioni di idrati di metano e la comparazione di tali caratteristiche a quelle di campioni tradizionali, prodotti utilizzando acqua allo stato liquido - La combustione di idrati di metano al fine di determinare le sue peculiarità, in aggiunta ad eventuali relazioni tra la modalità di combustione e la produzione del campione. La comprensione dei processi di formazione e di combustione di idrati di metano costituisce parte fondamentale nell'indagine di candidabilità a fonte di energia più pulita, data la loro abbondanza in natura e il loro elevato rapporto molare idrogeno/carbonio. Gli idrati di metano possono inoltre rappresentare un'interessante soluzione per il trasporto di ingenti quantità di gas naturale in spazio limitato e con modesto dispendio di energia. La determinazione della struttura, del comportamento e la possibilità di fabbricare artificialmente idrati di metano potrebbe rappresentare un punto chiave per la ricerca riguardante questo combustibile, ed inoltre potrebbe chiarire il ruolo delle sue ingenti riserve naturali in un possibile scenario di surriscaldamento globale. E' risaputo che il metano ha una bassa solubilità in acqua. L'impatto di tensioattivi sulla solubilità, tuttavia, non è stato ancora analizzato, sebbene la produzione di idrati di metano sembri beneficiare della loro presenza. Una domanda importante riguarda l'origine di questo meccanismo, ovvero se sia legato alla dissoluzione di gas o ad un'alterazione del comportamento dell'interfaccia tra gas e liquido. L'analisi della combustione di idrati di metano a pressione ambiente è focalizzata agli aspetti qualitativi, evidenziando le peculiarità di questo combustibile, come la presenza di un regime anomalo di autoprotezione.