Cerdanyola del Vallès, 13 de Marzo 2020 A medida que las temperaturas suben y bajan, los edificios se deterioran, las baterías duran menos y los sedimentos de agua de mar liberan o almacenan grandes cantidades de metano. Todos estos fenómenos son el resultado de procesos de congelación/fusión, que se pueden expresar con una ecuación física simple.
Sin embargo, cuando se reproducen los mismos procesos en un laboratorio, la complejidad de la Naturaleza surge tercamente.
Los científicos tratan de solidificar gas natural desde hace 30 años. Ahora, un equipo de investigación de la Universidad de Alicante ha demostrado que, si se cumplen las condiciones adecuadas, el carbono activado saturado en agua puede alcanzar un rendimiento del 100% en la conversión de agua en metano solidificado. Esto significa que el material anfitrión puede almacenar más del 80% de su peso en forma de hidrato de metano, lo que supone el mejor resultado en almacenamiento de metano de alta presión. Estos resultados, que incluyen medidas del hielo i del hidrato de metano en el Sincrotrón ALBA, se acaban de publicar en la revista Carbon.
La necesidad de gas natural solidificado
Durante cierto tiempo se pensó en el gas natural como un combustible fósil verde. Y, aunque ahora hay serias dudas sobre si realmente es limpio, su valor como combustible puente a la espera de energías renovables más eficientes sigue al alza.
La idea de gas natural solidificado se inspira en los hidratos de metano -un sólido parecido al hielo donde una molécula de metano está rodeada de moléculas de agua- almacenados en el fondo de los océanos. Poder convertir este gas en pequeños pellets que se pueden almacenar y transportar fácilmente ha sido un deseo durante muchos años. Y si bien el carbono activado ya había sido propuesto como un material prometedor para almacenar metano, los investigadores ahora han demostrado que en condiciones de alta presión este proceso tiene lugar con un rendimiento óptimo
Las condiciones de congelación / fusión del agua en carbono activado
En este trabajo, los científicos primero estudiaron muestras de carbono activado con diferentes cargas de agua. Para muestras insaturadas, en las que el agua adsorbida está confinada a las nano-cavidades creadas para aumentar la superficie del material anfitrión, nunca se observó una transición de congelación, ni siquiera cuando se enfriaron las muestras hasta temperaturas docenas de grados por debajo del punto de congelación del agua en grandes cantidades. De hecho, este desplazamiento es una predicción de modelos que tienen en cuenta la estructura más ordenada del agua nano-confinada.
Este escenario, sin embargo, cambió drásticamente para muestras con cargas más grandes de agua, en las que el agua confinada se congeló a temperaturas alrededor de sólo 25 grados por debajo de las condiciones de congelación normal. Y aún más sorprendente fue el comportamiento de las muestras sobresaturadas, donde el agua sobrante se congeló a temperaturas más elevadas que el agua a granel, mientras que el agua confinada mantuvo un punto de congelación inferior.
La cantidad de agua adsorbida como desencadenante eficiente de hidratos de metano
En la búsqueda de gas natural solidificado eficiente, los investigadores también evaluaron las transiciones sólido-líquido de muestras saturadas y sobresaturadas en agua en un entorno con metano de alta presión.
Estos resultados demostraron que en carbono activado saturado y con una ligera sobresaturación se puede conseguir una conversión óptima entre agua e hidrato en un ambiente de metano de alta presión a 8,0 MPa. El rendimiento del 100% confirmó que este material es el más eficiente hasta el momento para la formación de metano solidificado. En ambientes con metano de menor presión y/o con cargas de agua más grandes, se encontró que la transición agua-hidrato era menos eficiente y que quedaba agua confinada o en exceso.
Las medidas en el ALBA permitieron el estudio de la formación de hielo y de hidrato
Para estudiar la formación de hielo e hidrato, se hicieron medidas de difracción de rayos X de polvo en la línea de luz MSPD del ALBA a diferentes temperaturas. Estas permitieron la identificación por primera vez de los cristales de hielo formados cuando el agua confinada se congela.
Durante la congelación de la muestra saturada, a las temperaturas más elevadas se observaban moléculas de hielo hexagonales bien definidas y, sorprendentemente, algunas de estas también se encontraron a temperaturas más bajas, a las que hasta el momento sólo se había documentado hielo cúbico.
En presencia de metano de alta presión, el patrón de difracción descarta la posibilidad de una transición de agua líquida a sólida así como la presencia de agua que no se congela. Al mismo tiempo, aparecen firmas típicas de la formación de hidrato de metano, lo que demostró la conversión completa de agua en hidrato.
En la imagen de arriba, los picos muestran patrones de la conversión de agua en hielo (azul) y conversión total y parcial de agua en hidrato (verde y morado) para una muestra saturada. A continuación se dan más detalles.
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Referencia: Freezing/melting of water in the confined nanospace of carbon materials: Effect of an external stimulus. Carlos Cuadrado-Collados, Ahmad A.A. Majid, Manuel Martínez-Escandell, Luke L. Daemen, Aleksandr Missyul, Carolyn Koh, Joaquin Silvestre-Albero. Carbon (2020) 158, 346-355.
