[논문 리뷰] Investigation of Six Imidazolium-Based Ionic Liquids as Thermo-Kinetic Inhibitors for Methane Hydrate by Molecular Dynamics Simulation

Mohammad Ebrahim Haji Nasrollahebrahim, Bagher Abareshi외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 19.

Methane Hydrates and Related PhenomenaEnvironmental Science참고 문헌 25인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 고전적 분자 동역학 시뮬레이션을 이용해 메탄 수화물 형성에 대해 6종의 이미다졸리움 기반 이온 액체(ILs)의 열역학적·동역학적 억제 성능을 조사한다. [C2OHmim][f2N] 및 [C3(OH)2mim][f2N]는 물과의 강한 수소결합, 수화물 표면으로의 높은 확산성, 물 및 이석질 분자의 흡착 억제 능력으로 인해 메탄올 및 NaCl과 같은 전통적 억제제를 능가하는 뛰어난 억제 성능을 보인다.

ABSTRACT

The thermo-kinetic inhibition mechanism of six imidazolium-based ionic liquids (ILs) on methane clathrate hydrate formation and growth is studied in this work using classical molecular dynamics (MD) simulation. The ionic liquids investigated include 1-(2,3-dihydroxypropyl)-3-methylimidazoliumbis(fluorosulfonyl)imide ([C3(OH)2mim][f2N]), 1-(2-hydroxyethyl)-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide ([C2OHmim][f2N]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([C2mim][BF4]), 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([C4mim][BF4]), 1-butyl-3-methylimidazolium acetate ([C4mim][OAc]) and 1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate ([C2mim][EtSO4]). Simulations showed that [C2OHmim][f2N] and [C3(OH)2mim][f2N] are strongly hydrated compared to other ILs because of hydrogen bonding between OH groups of the cation and water molecules. They also exhibit high diffusion rates towards crystal surface and bond to it through strong intermolecular interactions. As a result, these two ILs are stronger thermo-kinetic inhibitors for formation and growth of methane hydrates compared to other ILs studied in this work as well as conventional inhibitors like methanol and NaCl. The simulations also revealed that cations of [C3(OH)2mim][f2N] and [C2OHmim][f2N] show that the presence of ions near the hydrate crystal causes hindrance for water and guest molecules adsorbing on the hydrate surface, which inhibits the growth of hydrate crystals. In addition, it is shown that [C3(OH)2mim][f2N] and [C2OHmim][f2N] are more likely to inhibit hydrate formation.

연구 동기 및 목표

• 6종의 이moid아졸리움 기반 이온 액체(ILs)가 메탄 클래쓰레이트 수화물 형성과 성장에 미치는 열역학적·동역학적 억제 성능을 평가하기 위해.
• 이러한 ILs가 수화물 핵형성과 결정 성장을 억제하는 분자 수준의 메커니즘을 이해하기 위해.
• 메탄올 및 NaCl과 같은 전통적 억제제와의 성능을 비교하여 ILs의 억제 효율성을 평가하기 위해.
• 수화물 억제 성능을 향상시키는 ILs의 구조적 특징을 규명하기 위해.

제안 방법

• 6종의 이온 액체와 수소 분자 존재 하에서 물 분자와의 상호작용을 모델링하기 위해 고전적 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 사용하였다.
• IL 이온의 수화물 표면으로 향하는 확산을 추적하고, 그들의 흡착 거동을 분석하였다.
• IL 카이온의 하이드록실 기와 물 분자 간의 수소결합 상호작용을 정량화하여 수화 강도를 평가하였다.
• 수화물 표면에서의 물 및 메탄 이격질 분자의 흡착 정도를 모니터링하여 성장 억제 효과를 평가하였다.
• 이온 분포 및 반경 분포 함수를 사용하여 수화물 인터페이스 근처에서 이온의 공간적 배열을 분석하였다.
• 결과는 메탄올 및 NaCl과 같은 전통적 억제제와의 비교를 통해 상대적 성능을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6종의 이moid아졸리움 기반 이온 액체는 분자 수준에서 메탄 수화물의 핵형성 및 성장 동역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 카이온의 사슬에 있는 하이드록실 기는 수화성 향상과 억제 효율 향상에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 IL 이온의 수화물 표면으로 향하는 확산 속도는 그들의 억제 성능과 어떻게 관련되는가?
• RQ4 ILs는 수화물 표면에서의 물 및 메탄 분자의 흡착을 어느 정도 억제하는가?
• RQ5 이 ILs의 억제 효과는 메탄올 및 NaCl과 비교하여 정량적으로 어떻게 다른가?

주요 결과

• [C2OHmim][f2N] 및 [C3(OH)2mim][f2N]는 하이드록실 기와 물 분자 간의 수소결합으로 인해 물과의 수화성이 뛰어나다.
• 이 두 ILs는 연구된 모든 이온 액체 중에서 수화물 결정 표면으로 향하는 확산 속도가 가장 높다.
• [C2OHmim][f2N] 및 [C3(OH)2mim][f2N]의 카이온은 수화물 표면과 강한 분자 간 상호작용을 형성하여 물 및 이격질 분자의 흡착을 효과적으로 차단한다.
• 이러한 ILs가 수화물 표면 근처에 존재함으로써 공간적 장벽과 에너지 장벽이 발생하여 수화물 결정 성장 속도가 감소한다.
• 이 두 ILs는 메탄올 및 NaCl과 같은 전통적 억제제보다 수화물 형성 억제에 더 효과적이다.
• 시뮬레이션 결과는 하이드록실 기를 가진 이moid아졸리움 카이온이 뛰어난 열역학적·동역학적 억제 성능을 위한 핵심 구조적 특징임을 시사한다.