Clathrate nucleation and inhibition from a molecular perspective

摘要

Identifying the molecular processes that lead to clathrate-hydrate nucleation has been an active area of research for more than a decade. The question has a number of important ramifications, spanning applications in geology (formation and stability of natural methane-hydrate deposits), environmental science (CO₂ sequestration), and industry (prevention of hydrate blockages). The drive to develop more active and robust hydrate inhibitors for the oil industry that work at very low dosages, in particular, has been slowed down because our understanding of the molecular mechanisms by which such inhibitors work is still largely conjectural. In this paper, we present results from the first direct molecular-dynamics simulations of the inhibition of nucleation in methane hydrate. Molecular-dynamics simulations have been used to simulate the behaviour of a thin film of water under a methane atmosphere with and without poly(vinylpyrrolidone) (PVP). Simulations in the absence of PVP show clear evidence of the nucleation and growth of methane hydrate; this behaviour is completely suppressed, however, when PVP is included in the simulation. We conclude that these simulations provide an excellent basis for understanding the way in which PVP inhibits hydrate nucleation. PACS Nos.: 81.10Aj, 81.10Dn, 81.10FqDepuis plus de dix ans, les mécanismes moléculaires responsables de la formation de germes d'hydrates clathrates sont activement étudiés. La question a un certain nombre d'importantes applications, allant de la géologie (formation et stabilité des dépôts naturels d'hydrates de méthane), à la science de l'environnement (séquestration du CO₂) et aux applications dans l'industrie (prévention des blocage par les hydrates). L'effort pour développer des inhibiteurs d'hydrates plus forts et plus stables pour l'industrie pétrolière, qui travaille à très faibles doses, a été ralenti parce que notre niveau de compréhension des mécanismes de fonctionnement de tels inhibiteurs demeure essentiellement conjectural. Nous présentons ici les premiers résultats de calcul d'une simulation en dynamique moléculaire de l'inhibition de formation d'hydrate de méthane. Les simulation en dynamique moléculaire montrent le comportement d'un film d'eau mince sous une atmosphère de méthane avec et sans poly(vinylpyrrolidone) (PVP). Les simulations en l'absence de PVP montrent clairement la formation de germes d'hydrate de méthane et leur croissance. Ce comportement est complètement absent lorsque le PVP est introduit dans la simulation. Nous concluons que ces simulations fournissent une excellente base pour comprendre comment le PVP inhibe la formation d'hydrate. [Traduit par la Rédaction]