Gas hydrate is one of crystalline compounds which is consisted of encaged small guest molecules and host crystal lattices, constructed by hydrogen-bonded water molecules. This thesis deals with the study on the promotion effect of hydrate seed crystals on hydrate formation for natural gas storage, and the inhibition effect of hydrophobic particles on hydrate formation at the oil-water interface to resolve flow assurance problem in subsea pipeline.
In chapter 2, rapid sI $CH_4$ hydrate formation is induced by the injection of sII cyclopentane (CP) hydrate seeds. CP hydrate crystals were used as seeds for $CH_4$ hydrate formation to induce rapid hydrate nucleation and continuous crystal growth because CP hydrates can be easily prepared without any pressurization. Also, the metastable zone width of $CH_4$ hydrate is significantly diminished with the addition of CP hydrate seeds, and the effect of CP hydrate seeds on the $CH_4$ hydrate nucleation was analyzed using the hydrate nucleation theory.
In chapter 3, two hydrophobic particles, activated carbon particles (AC) and hydrophobic fumed silica nanoparticles (SiNPs), delay the kinetics of gas hydrate formation at the interface between water and oil phases. Small sized particles move to interface of two immiscible liquid phases, and they gather to form a particle layer, which prevents the contact between water and hydrate particles. However, the rate of hydrate formation can be accelerated at higher particle concentrations in the water-in-oil emulsion system. This can be explained that modified surface of emulsion droplets induces the rapid hydrate formation, and it is the reason why the role of hydrophobic particles changes from inhibitors to promoter on gas hydrate formation in water-in-oil emulsion; the high concentration of hydrophobic particles can induce the local supersaturation at the water-particle interfaces, and the capillary water bridges expands the contact area between water and oil phases.
가스 하이드레이트는 수소결합에 의해 물 분자가 가스나 유기 분자로 이루어진 객체들을 포접하는 형태로 격자형 결정을 이루는 화합물이다. 본 학위논문에서는 천연가스 저장 및 수송매체로써 가스 하이드레이트의 이용성을 높이긴 위한 종자입자의 결정속도 촉진효과를 분석하고, 심해저 파이프 내부의 유체흐름 안정화를 위한 물과 오일 계면에서의 가스 하이드레이트 생성과정에서의 소수성 입자 억제효과를 해석하는 연구를 다루며, 각 장의 내용은 다음과 같다.
제 2장에서는 하이드레이트 결정구조 중 단위 부피 당 가스 저장 용량이 가장 큰 구조 I 하이드레이트에 메탄가스를 저장하는 속도를 높이기 위해, 소량의 구조 II 하이드레이트를 이루는 싸이클로펜탄 하이드레이트를 종자입자로 투입하는 방법을 제시하였다. 또한, 메탄 하이드레이트를 생성하는 과정에서 투입되는 종자입자가 결정화 과정의 준안정 영역을 크게 감소시키는 사실을 증명하였으며, 그 결과를 기반으로 하이드레이트 결정핵생성 이론을 통해 원인분석을 수행하였다. 제 3장에서는 소수성 입자들이 물-오일 계면을 덮으면서 가스 하이드레이트의 결정 성장 속도를 지연시키는 현상에 대해 밝혔다. 또한, 소수성 입자가 유중수적형 에멀전이 존재하는 시스템에서 과량 투입되면 메탄의 국부적 과포화와 더불어 모세관 브릿지 형성을 통해 에멀전 응집을 유도함으로써 가스 하이드레이트 생성속도를 다시금 촉진할 수 있다는 사실을 도출하였다.
