Cerdanyola del Vallès, 13 de Març 2020 A mesura que les temperatures pugen i baixen, els edificis es deterioren, les bateries duren menys i els sediments d’aigua de mar alliberen o emmagatzemen grans quantitats de metà. Tots aquests fenòmens són el resultat de processos de congelació/fusió, que es poden expressar amb una equació física simple.
Tanmateix, quan es reprodueixen els mateixos processos en un laboratori, la complexitat de la Natura sorgeix tossudament.
Els científics tracten de solidificar gas natural des de fa 30 anys. Ara, un equip d’investigació de la Universitat d’Alacant ha demostrat que, si es compleixen les condicions adequades, el carboni activat saturat en aigua pot assolir un rendiment del 100% en la conversió d’aigua en metà solidificat. Això significa que el material amfitrió pot emmagatzemar més del 80% del seu pes en forma d’hidrat de metà, cosa que suposa el millor resultat en l’emmagatzematge de metà d’alta pressió. Aquests resultats, que inclouen mesures del gel i de l’hidrat de metà al Sincrotró ALBA, s’acaben de publicar a la revista Carbon.
La necessitat de gas natural solidificat
Durant cert temps es va pensar en el gas natural com un combustible fòssil verd. I, tot i que ara hi ha seriosos dubtes sobre si realment és net, el seu valor com a combustible pont en l’espera d’energies renovables més eficients segueix a l’alça.
La idea de gas natural solidificat s’inspira en els hidrats de metà –un sòlid semblant al gel on una molècula de metà està envoltada de molècules d’aigua– emmagatzemats al fons dels oceans. Poder convertir aquest gas en petits pèl·lets que es poden emmagatzemar i transportar fàcilment ha estat un desig durant molts anys. I si bé el carboni activat ja havia estat proposat com un material prometedor per emmagatzemar metà, els investigadors ara han demostrat que en condicions d’alta pressió aquest procés té lloc amb un rendiment òptim.
Les condicions de congelació/fusió de l'aigua en carboni activat
En aquest treball, els científics primer van estudiar mostres de carboni activat amb diferents càrregues d’aigua. Per a mostres insaturades, en les que l’aigua adsorbida està confinada a les nano-cavitats creades per augmentar la superfície del material amfitrió, mai es va observar una transició de congelació, ni tan sols quan es van refredar les mostres fins a temperatures dotzenes de graus per sota del punt de congelació de l’aigua en grans quantitats. De fet, aquest desplaçament és una predicció de models que tenen en compte l'estructura més ordenada de l'aigua nano-confinada.
Aquest escenari, però, va canviar dràsticament per a mostres amb càrregues més grans d'aigua, en les quals l'aigua confinada es va congelar a temperatures al voltant de només 25 graus per sota de les condicions de congelació normal. I encara més sorprenent va ser el comportament de les mostres sobresaturades, on l'aigua sobrant es va congelar a temperatures més elevades que l'aigua a granel, mentre que l'aigua confinada va mantenir un punt de congelació inferior.
La quantitat d’aigua adsorbida com a desencadenant eficient d’hidrats de metà
En la cerca de gas natural solidificat eficient, els investigadors també van avaluar les transicions sòlid-líquid de mostres saturades i sobresaturades en aigua en un entorn amb metà d'alta pressió.
Aquests resultats van demostrar que en carboni activat saturat i amb una lleugera sobresaturació es pot aconseguir una conversió òptima entre aigua i hidrat en un ambient de metà d'alta pressió a 8,0 MPa. El rendiment del 100% va confirmar que aquest material és el més eficient fins al moment per a la formació de metà solidificat. En ambients amb metà de menor pressió i/o amb càrregues d'aigua més grans, es va trobar que la conversió aigua-hidrat era menys eficient i que quedava aigua confinada o en excés.
Les mesures a l’ALBA van permetre l'estudi de la formació de gel i d'hidrat
Per tal d’estudiar la formació de gel i hidrat, es van fer mesures de difracció de pols de raigs X a la línia de llum MSPD d’ALBA a diferents temperatures. Aquestes van permetre la identificació per primera vegada dels cristalls de gel formats quan l’aigua confinada es congela.
Durant la congelació de la mostra saturada, a les temperatures més elevades s’observaven molècules de gel hexagonals ben definides i, sorprenentment, algunes d’aquestes també es van trobar a temperatures més baixes, a les quals fins al moment només s’havia documentat gel cúbic.
En presència de metà d’alta pressió, el patró de difracció descarta la possibilitat d’una transició d’aigua líquida a sòlida així com la presència d’aigua que no es congela. Al mateix temps, apareixen signatures típiques de la formació d’hidrat de metà, cosa que va demostrar la conversió completa d’aigua en hidrat.
A la imatge de dalt, els pics mostren patrons de la conversió d’aigua en gel (blau) i conversió total i parcial d’aigua en hidrat (verd i morat) per a una mostra saturada. A continuació es donen més detalls.
Referència: 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.
