Estudio computacional de hidratos de gas en medio marino

Abstract

Los hidratos de gas son compuestos de inclusión, no estequiométricos formados por agua y gas. Las moléculas de agua atrapan estas moléculas de gas en el interior de una estructura cristalina, similar a la del hielo y estabilizada por enlaces de hidrógeno. En este trabajo se realiza un estudio teórico de estos compuestos bajo el enfoque de la simulación molecular. Este perspectiva nos permite estudiar los procesos que tienen lugar durante la nucleación, crecimiento, fusión de estos compuestos que no son posibles de percibir desde un punto de vista macroscópico en un laboratorio experimental. Empleando la mecánica cuántica comprobamos las interacciones que tienen lugar entre las moléculas de gas y la estructura cristalina del agua y la posibilidad de que estas moléculas puedan difundir cuando a la estructura se le dota de cierta flexibilidad. Desde una escala de espacio y tiempo un poco mayor, estudiamos la estabilidad de estos compuestos empleando la dinámica molecular. Este enfoque permite obtener la trayectoria de los átomos y las moléculas a lo largo del tiempo, por lo que es posible emplear las leyes de la Física clásico. Empleando la técnica de coexistencia directa obtenemos los diagramas de fase de los hidratos de metano, CH3F, CH2F2, CHF3 y CF4. Además en el caso del hidrato de metano, comparamos su estabilidad cuando se encuentra en condiciones de salinidad oceánica. De este modo comprobamos que este hidrato es menos estable cuando hay sal disuelta. También se observa el crecimiento de este hidrato en condiciones de confinamiento, como las que se encuentran en el fondo marino.

Os hidratos de gas son compostos de inclusión, non estequiométricos formado por auga e gas. As moléculas de auga atrapan estes moléculas de gas dentro dunha estrutura cristalina, semellante a á do xeo e estabilizada por enlaces de hidróxeno. Neste traballo lévase a cabo un estudo teórico destes compostos baixo o enfoque de simulación molecular. Esta perspectiva permítenos estudar procesos que teñen lugar durante a nucleación, o crecemento, a fusión destes compostos que non son posibles de percibir desde un punto vista macroscópica nun laboratorio experimental. empregando mecánica cuántica comprobamos as interaccións que teñen lugar entre as moléculas de gas e a estrutura cristalina da auga e a posibilidade de que estas moléculas poidan difundir cando están na a estrutura está dotada de certa flexibilidade. Desde unha escala do espazo e un pouco máis tempo, estudamos a estabilidade destes compostos mediante a dinámica molecular. Este enfoque permite Obter a traxectoria dos átomos e moléculas ao longo da tempo, polo que é posible utilizar as leis da física clásica. Utilizando a técnica da convivencia directa obtemos os diagramas fase de hidratos de metano, CH3F, CH2F2, CHF3 e CF4. Ademais, no caso do hidrato de metano, comparamos a súa estabilidade cando se atopan en condicións de salinidade oceánica. De Deste xeito comprobamos que este hidrato é menos estable cando hai sal disolto. Tamén se observa o crecemento deste hidrato en condicións confinadas, como as que se atopan no fondo do mar.

Natural gas hydrates are crystalline solids composed of water and gas. The gas molecules (guests) are trapped in water cavities (host) that are composed of hydrogen-bonded water molecules. A theoric study of these compounds is carried out under a theoretical point of view. Process as nucleation, growth and fusion can be studied using molecular simulation. Quantum mechanic computation enable to study the interaction between gas and water moleculesof the crystal lattice. It is checked that gas molecules can pass through the cavities when the water framework is depicted with a little flexibility. A biger scale of time and space allow us to study the trajectory of atoms and molecules. In this case we performed Molecular Dynamics simulation applying the classic physic approach. Employing the direct coexistence technique we can obtain three phase equilibrium curve of methane, CH3F,CH2F2, CHF3 and CF4 hydrates. We can also observe the destabilization caused by the salt water for the methane hydrate. The growth in confined conditions is also observed. Saltwater and confined conditions are more realistic conditions as methane hydrates are obtained in seabed.