CH4-CO2-H2O成功系における二酸化炭素誘発性バブル形成：分子動力学シミュレーション研究

二酸化炭素を使用した水和物からのメタンを抽出するには、水和物の分解が含まれ、CH4-CO2-H2O三元溶液が生じます。古典的な分子動力学シミュレーションを使用して、異なる濃度のCO2で、三元系における溶存ガス分子の進化を調査します。本研究で考慮されたさまざまな組成は、抽出プロセスの初期段階でメタン水和物の分解中に形成された溶液に似ています。CO2の存在は、その早期核形成を引き起こすことにより、CH4気泡の形成を支援することがわかります。バブルの組成の解明により、CO2の高濃度を持つ三元溶液では、CO2とCH4で構成される混合ガス気泡が形成されることが明らかになりました。CH4気泡の核形成におけるCO2の役割を理解するために、形成された泡の構造を分析し、バブルと周囲の水の界面にCO2の蓄積があることを明らかにしました。Bubble-water界面でのCO2の凝集は、CO2の濃度が高いときに主に発生します。CH4-Co2ペアの放射状分布関数は、バブル水界面に溶解CH4分子とCO2分子の間にますます好ましい直接接触があることを示しています。また、界面でのCO2の存在により、表面張力が低下することが観察されています。したがって、CO2はバブル水界面のより大きな安定性につながり、それによりバブル核の臨界サイズを倒します。結果は、CO2の濃度の上昇が溶解CH4の除去に役立つことを示唆しているため、液相でのメタンの蓄積を防ぐことができます。したがって、CO2の存在は、置換プロセスの初期段階でのメタン水和物の分解を支援するために予測されます。

The extraction of methane from its hydrates using carbon dioxide involves the decomposition of the hydrate resulting in a CH4-CO2-H2O ternary solution. Using classical molecular dynamics simulations, we investigate the evolution of dissolved gas molecules in the ternary system at different concentrations of CO2. Various compositions considered in the present study resemble the solution formed during the decomposition of methane hydrates at the initial stages of the extraction process. We find that the presence of CO2 aids the formation of CH4 bubbles by causing its early nucleation. Elucidation of the composition of the bubble revealed that in ternary solutions with high concentration of CO2, mixed gas bubbles composed of CO2 and CH4 are formed. To understand the role of CO2 in the nucleation of CH4 bubbles, the structure of the bubble formed was analyzed, which revealed that there is an accumulation of CO2 at the interface of the bubble and the surrounding water. The aggregation of CO2 at the bubble-water interface occurs predominantly when the concentration of CO2 is high. Radial distribution function for the CH4-CO2 pair indicates that there is an increasingly favorable direct contact between dissolved CH4 and CO2 molecules in the bubble-water interface. It is also observed that the presence of CO2 at the interface results in the decrease in surface tension. Thus, CO2 leads to greater stability of the bubble-water interface thereby bringing down the critical size of the bubble nuclei. The results suggest that a rise in concentration of CO2 helps in the removal of dissolved CH4 thereby preventing the accumulation of methane in the liquid phase. Thus, the presence of CO2 is predicted to assist the decomposition of methane hydrates in the initial stages of the replacement process.