Predicción del comportamiento de hidratos de gas utilizando simulación molecular

Abstract

Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2018/19). Directores: Jose Manuel Míguez Díaz, Paula Gómez Álvarez. La energía libre interfacial entre un sólido y un fluido (𝛾𝑐𝑓) es un parámetro muy relevante en fenómenos como la nucleación o el crecimiento de cristales. Sin embargo, no existen apenas datos reales para esta propiedad para interfases sólido-fluido debido a la gran dificultad que implica medir esta propiedad desde el punto de vista experimental. Así, habitualmente se emplea la técnica de simulación molecular para estudiar esta interfase cristal-fluido donde existen un par de técnicas propuestas recientemente, como el método del Mold Integration (MI), cuya eficacia ya ha sido probada en la interfase hielo-agua. En este Trabajo Fin de Máster se ha aplicado esta novedosa técnica MI para el cálculo de la energía interfacial del hidrato CO2 – agua a 400bar y 287 K. La estructura sólida que presentan los hidratos de CO2 bajo estas condiciones termodinámicas, conocida como SI, está por formada no sólo por moléculas de agua, a diferencia del hielo, sino también por moléculas de CO2 que ocupan las cavidades generadas en esta red cristalina. El agua fue modelizada con el modelo TIP4P/Ice y el CO2 por el modelo TraPPE en las simulaciones llevadas a cabo para la realización de este trabajo. La combinación de estos modelos se había mostrado como la más eficaz para describir el equilibrio termodinámico de la coexistencia trifásica de hidrato CO2 – H2O líquido – CO2 líquido a las mismas condiciones termodinámicas, tal y como se mostró en un trabajo previo desarrollado por el mismo grupo de investigación (FILICO). El resultado de tensión interfacial (𝛾ℎ𝑤) obtenido fue de 26.5 ± 0.3 mJ/m2 muy cercano a los valores experimentales encontrados en bibliografía 30 ± 1 mJ/m2. A nuestro conocimiento, es la primera vez que se calcula la tensión interfacial de un hidrato mediante simulación molecular lo que pone de manifiesto la dificultad que entraña este trabajo y la eficacia de la técnica Mold Integration para el cálculo de la tensión interfacial sólido-fluido.