The aim of this thesis is to develop a set of intermolecular potentials that enable the study of nucleation or decomposition of methane hydrates. The potentials are developed for water, methane, and the water-methane pair by fitting to SAPT(DFT) reference energies. The first set of potentials developed differ from recent polarisable models in that they have rank 4 ISA multipoles, rank 3 anisotropic polarisabilities, rank 3 isotropic dispersion, and anisotropic exchange-repulsion terms. These potentials are validated based on the structures and energies of small clusters and second virial coefficients. The potentials are then significantly simplified for use in MD simulations with DL_POLY4. Simplifying the methane potential makes it difficult to fit simultaneously the global minimum dimer and a set of randomly generated dimers used as reference energies. Several methods are tested to account for polarisation in water within the limitations of DL_POLY and it is found that for MD simulations good results can be attained by increasing the charge values to match the multipole moments of a water molecule in a dielectric. Simulations are carried out for liquid water, ice Ih, and methane gas to validate the new models. The models developed are compared in MD simulations with TIP4P/Ice and the United Atom Methane (UAM) model in simulations of sI methane clathrate; both under stable conditions and while undergoing decomposition at different temperatures. It is found that the melting behaviour differs according the methane- and water-methane interactions; the behaviour of methane under clathrate decomposition using either methane model is discussed.

Le CO2 est capté par formation de clathrates hydrates sous l’action d’un promoteur de cristallisation thermodynamique. Les clathrates hydrates sont des composés d’inclusion non stœchiométriques formés de molécules d’eau organisées en réseau de cavités piégeant des molécules de gaz. Ce procédé de captage consiste à piéger de façon sélective le dioxyde de carbone dans les cavités des clathrates hydrates et à le séparer ainsi des autres gaz. Les hydrates mixtes de cyclopentane (CP) + gaz ont été étudiés dans le cadre du projet FUI ACACIA et du projet européen ICAP. Les premières expériences se sont focalisées sur l’étude des équilibres quadri phasiques (gaz CO2/N2, eau liquide, cyclopentane liquide et hydrate). Le cyclopentane est un promoteur thermodynamique qui forme des hydrates mixtes de CO2 + N2 + CP à basse pression et température modérée. La pression d’équilibre des hydrates mixtes est réduite jusqu’à 97% par rapport à la pression d'équilibre initiale des hydrates de gaz. La sélectivité de captage du CO2 dans les hydrates mixtes est augmentée et le volume de gaz stocké est de 40 m3gaz/m3hydrate. Une seconde étude expérimentale, conduite en présence d’une sonde FBRM (Focused Beam Reflectance Measurements) et d’une émulsion stable directe de CP/eau, a montré que la cinétique de cristallisation des hydrates mixtes de CP + CO2 est limitée par la diffusion du gaz à l’interface gaz/liquide. La sonde FBRM permet de détecter parfaitement l’apparition de la nucléation. Le changement de profil de la distribution en longueurs de corde (CLD) est non seulement lié à l’apparition des mécanismes de cristallisation (dont l’agglomération) mais aussi à la disparition des gouttes de CP au profit des hydrates qui cristallisent par un mécanisme à cœur rétrécissant. / CO2 separation and capture by clathrate hydrate crystallization is a non-conventional way of trapping and storing gas molecules from flue gases. Clathrates hydrates are non-stoichiometric ice-like crystalline solids consisting of a combination of water molecules and suitable guest molecules. Mixed hydrates of cyclopentane (CP) + gas have been studied in one national project (FUI ACACIA) and a European program (iCAP). Cyclopentane is an organic additive which forms mixed hydrates of CP + CO2 + N2 at low pressure and moderate temperature. The equilibrium pressure is decreasing up to 97 % (relative to the equilibrium pressure without cyclopentane). CO2 selectivity in hydrates is enhanced and gas storage capacity approaches a roughly constant value of 40 m3gas (STP) /m3hydrate. Crystallization of CP + CO2 mixed hydrates seems limited by gas diffusion through the gas / liquid interface, which gets in the way of the determination of the intrinsic kinetic constants of crystallization. Experimental studies have also been investigated in presence of a Focused Beam Reflectance Measurements (FBRM) probe in stable emulsion of CP in water. FBRM probe can successfully identify hydrate nucleation. The sharp change in the mean chord length and the spread of Chord Length Distribution (CLD) are related to the progressive disappearance of the CP droplets in favor of the CP + CO2 mixed hydrates formation. The change in the mean chord length distribution is not only related to the agglomeration phenomenon of the particles but also to the occurrence of the shrinking core crystallization of the CP droplets.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Darmstadt.

Ce travail de thèse présente les résultats obtenus lors de l'étude des mécanismes élémentaires à l'origine de la forte conduction protonique mesurée dans le cas de clathrates hydrates d'acides forts. Une méthodologie combinant diffusion neutronique, résonance magnétique nucléaire et simulation de dynamique moléculaire "ab-initio" a permis de modéliser les différents processus dynamiques impliqués, se produisant sur des temps allant de la nanoseconde à la femtoseconde. Le modèle proposé explique la forte conduction de ces systèmes aqueux par la délocalisation à longue distance de leurs protons résultant d'un mécanisme de type Grotthuss gouverné par la relaxation des molécules aqueuses environnant les protons en excès. / This work shows the results obtain about the study of elementary mechanisms behind the high protonic conduction of strong acids clathrate hydrate. A method using quasiélastic neutron scattering and pulse field gradient NMR experiments both with DFT molecular dynamic simulations allowed to establish a model which describe the several dynamical processes involve occuring on timescales from nanosecond to femtosecond. The model deduced explain the high conduction property of ionic clathrate hydrate by a delocalization of their protons following a grotthuss type mecanism managed by the relaxation of water molecules around the excess protons.

Cyclopentane hydrate interparticle adhesion force measurements were performed in pure cyclopentane liquid using a micromechanical force apparatus. Cyclopentane hydrate adhesion force measurements were compared to those of cyclic ethers, tetrahydrofuran and ethylene oxide, which were suspected to be cyclic ether-lean and thus contain a second ice phase. This additional ice phase led to an over-prediction of the hydrate interparticle forces by the capillary bridge theory. The adhesion forces obtained for cyclopentane hydrate at atmospheric pressure over a temperature range from 274-279 K were lower than those obtained for the cyclic ethers at similar subcoolings from the formation temperature of the hydrate. The measured cyclopentane interparticle adhesion forces increased linearly with increasing temperature, and are on the same order of magnitude as those predicted by the Camargo and Palermo rheology model.

Capturer le CO2 est devenu un domaine de recherche important en raison principalement des forts effets de serre dont il est jugé responsable. La formation d'hydrate de gaz comme technique de séparation montre un potentiel considérable, d'une part pour sa faisabilité physique et d'autre part pour une consommation énergétique réduite. En bref, les hydrates de gaz (clathrates) sont des composés ″cages″ non-stoechiométriques, cristallins comme la glace et formés par une combinaison de molécules d'eau et de molécules hôtes convenables, à basses températures et pressions élevées. Puisque la pression exigée pour la formation d'hydrate de gaz est généralement forte, il est judicieux d'ajouter du bromure tétra-n-butylique d'ammonium (TBAB) comme promoteur de formation d'hydrate de gaz. En effet, le TBAB permet généralement de réduire la pression exigée et/ou d'augmenter la température de formation aussi que de modifier la sélectivité des cages d'hydrates au profit des molécules de CO2. TBAB participe à la formation des cages par liaisons ″hydrogène″. De tels hydrates sont nommés "semi-clathrate hydrates". Évidemment, des données d'équilibres de phase fiables et précises, des modèles thermodynamiques acceptables, et d'autres études thermodynamiques sont requises pour concevoir des procédés de séparation efficaces utilisant la technologie mentionnée ci-dessus. Dans ce but, des équilibres de phase de clathrate/semi-clathrate hydrates de de divers mélanges avec des gaz contenant CO2 (CO2 + CH4/N2/H2) ont été mesurés, ici, en présence d'eau pure et de solutions aqueuses de TBAB. La partie théorique de la thèse présente un modèle thermodynamique développé avec succès sur la base de la théorie des solutions solides de van der Waals et Platteeuw (vdW-P) associée aux équations modifiées de la détermination des constantes de Langmuir des promoteurs d'hydrates pour la représentation/prédiction des équilibres en présence de ″semi-clathrate hydrates″ de CO2, CH4, et N2. Plusieurs tests de cohérence thermodynamique basés soit sur l'équation de Gibbs-Duhem, soit sur une approche statistique ont été appliqués aux données d'équilibre de phase des systèmes de ″clathrate hydrates″ simples/mélanges afin de statuer sur leur qualité. / CO2 capture has become an important area of research mainly due to its drastic green-house effects. Gas hydrate formation as a separation technique shows tremendous potential, both from a physical feasibility as well as an envisaged lower energy utilization criterion. Briefly, gas (clathrate) hydrates are non-stoichiometric, ice-like crystalline compounds formed through a combination of water and suitably sized guest molecule(s) under low-temperatures and elevated pressures. As the pressure required for gas hydrate formation is generally high, therefore, aqueous solution of tetra-n-butyl ammonium bromide (TBAB) is added to the system as a gas hydrate promoter. TBAB generally reduces the required hydrate formation pressure and/or increases the formation temperature as well as modifies the selectivity of hydrate cages to capture CO2 molecules. TBAB also takes part in the hydrogen-bonded cages. Such hydrates are called "semi-clathrate" hydrates. Evidently, reliable and accurate phase equilibrium data, acceptable thermodynamic models, and other thermodynamic studies should be provided to design efficient separation processes using the aforementioned technology. For this purpose, phase equilibria of clathrate/semi-clathrate hydrates of various gas mixtures containing CO2 (CO2 + CH4/N2/H2) in the presence of pure water and aqueous solutions of TBAB have been measured in this thesis. In the theoretical section of the thesis, a thermodynamic model on the basis of the van der Waals and Platteeuw (vdW-P) solid solution theory along with the modified equations for determination of the Langmuir constants of the hydrate formers has been successfully developed to represent/predict equilibrium conditions of semi-clathrate hydrates of CO2, CH4, and N2. Later, several thermodynamic consistency tests on the basis of Gibbs-Duhem equation as well as a statistical approach have been applied on the phase equilibrium data of the systems of mixed/simple clathrate hydrates to conclude about their quality.

Le CO2 est capté par formation de clathrates hydrates sous l'action d'un promoteur de cristallisation thermodynamique. Les clathrates hydrates sont des composés d'inclusion non stœchiométriques formés de molécules d'eau organisées en réseau de cavités piégeant des molécules de gaz. Ce procédé de captage consiste à piéger de façon sélective le dioxyde de carbone dans les cavités des clathrates hydrates et à le séparer ainsi des autres gaz. Les hydrates mixtes de cyclopentane (CP) + gaz ont été étudiés dans le cadre du projet FUI ACACIA et du projet européen ICAP. Les premières expériences se sont focalisées sur l'étude des équilibres quadri phasiques (gaz CO2/N2, eau liquide, cyclopentane liquide et hydrate). Le cyclopentane est un promoteur thermodynamique qui forme des hydrates mixtes de CO2 + N2 + CP à basse pression et température modérée. La pression d'équilibre des hydrates mixtes est réduite jusqu'à 97% par rapport à la pression d'équilibre initiale des hydrates de gaz. La sélectivité de captage du CO2 dans les hydrates mixtes est augmentée et le volume de gaz stocké est de 40 m3gaz/m3hydrate. Une seconde étude expérimentale, conduite en présence d'une sonde FBRM (Focused Beam Reflectance Measurements) et d'une émulsion stable directe de CP/eau, a montré que la cinétique de cristallisation des hydrates mixtes de CP + CO2 est limitée par la diffusion du gaz à l'interface gaz/liquide. La sonde FBRM permet de détecter parfaitement l'apparition de la nucléation. Le changement de profil de la distribution en longueurs de corde (CLD) est non seulement lié à l'apparition des mécanismes de cristallisation (dont l'agglomération) mais aussi à la disparition des gouttes de CP au profit des hydrates qui cristallisent par un mécanisme à cœur rétrécissant.

Ce travail de thèse présente les résultats obtenus lors de l'étude des mécanismes élémentaires à l'origine de la forte conduction protonique mesurée dans le cas de clathrates hydrates d'acides forts. Une méthodologie combinant diffusion neutronique, résonance magnétique nucléaire et simulation de dynamique moléculaire "ab-initio" a permis de modéliser les différents processus dynamiques impliqués, se produisant sur des temps allant de la nanoseconde à la femtoseconde. Le modèle proposé explique la forte conduction de ces systèmes aqueux par la délocalisation à longue distance de leurs protons résultant d'un mécanisme de type Grotthuss gouverné par la relaxation des molécules aqueuses environnant les protons en excès.

Previously we have suggested the concept of tuning hydrate compositions which makes it possible to increase the gas storage capacity of binary hydrates. Herein, we report for the first time the existence of a critical guest concentration (CGC) and establish the complete tuning pattern that appears to exist in binary hydrates, including the water-soluble hydrate formers (promoters) and water insoluble guests,. The first attempt to verify the new features of clathrate hydrate compositions is executed on the binary hydrate of CH4 + THF and involves a detailed examination of the guest distribution by spectroscopic methods. THF molecules by themselves form sII hydrate from a completely miscible aqueous solution, and in this structure, because of their size, THF molecules occupy only the large 51264 cages. The CGC value appears to depend largely on the chemical nature of the liquid guest component participating in the binary hydrate formation. The present experimental findings on the existence of critical guest concentration and the complete tuning phenomenon can be expected to make a meaningful contribution to both inclusion chemistry and a variety of hydrate-based fields.

In the current work we present a significant advancement in the area of hydrogen storage in clathrates: hydrogen storage from both enclathrated molecular hydrogen as well as storage from the clathrate host lattice. We have investigated the hydrogen storage potential in all of the common clathrate hydrate structures with techniques such as gas evolution, X-ray / neutron diffraction, and NMR / Raman spectroscopy. We have determined that the common clathrate structures may not suffice as H2 storage materials, although these findings will aid in the design and production of enhanced hydrogen storage materials and in the understanding of structure-stability relations of guest-host systems. In view of current storage limitations, we propose a novel chemical – clathrate hybrid hydrogen storage concept that holds great promise for future materials.