Clathrate hydrate is a crystalline compound stabilized by van der Waals interactions between entrapped small molecules (e.g., gas, hydrocarbon) inside 3-dimensional hydrogen bonding network and host water molecules. In this thesis, the methods of clathrate hydrate formation without energy-intensive mechanical agitation were investigated by utilizing different polymer matrices. Variety of polymer matrices and thermodynamic promoters were utilized to obtain optimal methane storage capacity and kinetics, and energy-saving methane storage process via hydrate formation was suggested. The contents of each chapters are as follows. In Chapter 2, superabsorbent polymers (SAPs) and thermodynamic promoters were employed to store methane and carbon dioxide in clathrate hydrates. Due to large surface area from interstitial voids between hydrogels, the hydrates were immediately nucleated even without stirring, and occurrence of tuning effect that gas molecules occupy $5^{12}6^4$ cages of hydrates was confirmed. In Chapter 3, hydrogels from superabsorbent polymers and thermodynamic promoters were applied to repetitive methane hydrate formation process. At different pressure and temperature conditions, this process was thoroughly investigated in terms of methane storage capacity and kinetics.
With proceeding of cycles, the changing trends of methane uptake and kinetics were varied by loss of thermodynamic promoters. In Chapter 4, a melamine sponge and low dosage of promoters were employed to obtain higher methane uptake and faster kinetics. A variety of combinations between thermodynamic and kinetics promoters were optimized with regard to methane uptake, kinetics, and sustainability, and optimal combination of promoters was suggested.
클러스레이트 하이드레이트는 물 분자의 3차원 수소 결합 구조체에 작은 분자가 포접되어 반데르발스 상호작용에 의해 안정화된 결정 화합물이다. 본 학위논문에서는 다양한 폴리머 매트릭스를 이용하여 많은 에너지를 소모하는 기계적 교반없이 메탄 하이드레이트를 형성할 수 있는 방법을 개발하고자 하였다. 다양한 폴리머 매트릭스와 열역학적 촉진제를 이용해 최적의 메탄 저장량과 빠른 형성 속도를 얻을 수 있는 기초자료를 제공함으로써, 에너지 저감형 메탄
하이드레이트 저장 공정 개발에 대한 방법을 제시했으며, 각 장의 내용은 다음과 같다. 제 2장에서는 고흡수성 수지와 열역학적 촉진제를 이용하여 메탄 및 이산화탄소를 가스 하이드레이트 형태로 저장하였다. 고흡수성 수지의 파티클 간극을 통한 넓은 계면 면적을 통해 교반 없이 하이드레이트를 즉시 형성할 수 있었으며, 기체 분자가 하이드레이트의 큰 동공을 점유하는 ‘튜닝 효과’가 나타나는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로, 제 3장에서는 지속적인 메탄 하이드레이트 저장 공정에 적용함으로써 다양한 온도 압력 조건에서 열역학적 촉진제가 유실됨에 따라 변화하는 메탄 저장량과 형성 속도를 확인하였다. 제 4장에서는 메탄 저장량과 형성 속도를 높이기 위해 멜라민 스펀지와 더 적은양의 촉진제를 도입하여, 다양한 열역학적 촉진제와 속도론적 촉진제들의 조합 대한 메탄 저장량과 하이드레이트 형성 속도, 지속성 측면에서 최적화를 진행함으로써 가장 안정적인 메탄 저장 성능을 낼 수 있는 조합에 대한 방안을 제시하였다.
