Interacciones interfaciales de metano y arcilla natural reveladas por espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) de giro mágico a alta presión (MAS)
Autores: Ok, Salim; Sheets, Julia M.; Welch, Susan A.; Cole, David R.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
Categoría
Energía
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 13
Citaciones: Sin citaciones
La investigación actual tiene como objetivo ofrecer descripciones fundamentales, desde el nivel molecular hasta el microscópico, del gas metano dentro de minerales de arcilla de origen natural. Se utilizaron montmorillonita de Texas (STx-1), caolinita de Georgia (KGa-2) y montmorillonita de Texas saturada con Ca (Ca-STx-1, Ca-bentonita) como minerales de arcilla modelo en subsuelo para elucidar los comportamientos de nano-confinamiento del gas metano etiquetado con carbono. Se utilizó resonancia magnética nuclear (RMN) de ángulo mágico de alta presión (MAS) para describir las interacciones entre el metano y las arcillas variando la temperatura y la presión. Se adquirieron espectros de C-RMN desacoplados por protones a 28.2 bar a 307 K, 32.6 bar a 346 K, 56.4 bar a 307 K, 65.1 bar a 346 K, 112.7 bar a 307 K y 130.3 bar a 346 K. En el estado puro, no se observó un efecto térmico significativo en el comportamiento del metano. Sin embargo, hubo una variación perceptible en la posición del desplazamiento químico del metano confinado en las mezclas con las arcillas hasta 346 K. Por el contrario, el desplazamiento químico de C-RMN del metano cambió al variar la presión en estado puro y en las mezclas con arcillas, atribuido a la interacción del metano con las superficies de las arcillas o la red de nanoporos de la fase mixta de arcilla-sílice. Se observaron desplazamientos inducidos por presión en las posiciones de los picos de metano: 0.25 ppm (28.2-56.4 bar) y 0.47 ppm (56.4-112.3 bar) a 307 K. Para el metano en una mezcla de montmorillonita, los desplazamientos fueron de 0.32 ppm para el metano similar al de volumen y 0.20 ppm para el metano confinado en condiciones similares. A 346 K, el aumento de presión de 65.1 a 130.3 bar causó desplazamientos que superaron 0.50 ppm, con el metano similar al de volumen mostrando un desplazamiento de 0.64 ppm y el metano confinado un desplazamiento de 0.57 ppm. Solo hubo un pico de metano en C-RMN en la mezcla con caolinita (KGa-2) o Ca-bentonita con un ensanchamiento de línea en comparación con el metano puro. Sin embargo, se observaron dos picos en la mezcla con STx-1, explicados por la imbibición y movilidad del metano en la red de poros.
Descripción
La investigación actual tiene como objetivo ofrecer descripciones fundamentales, desde el nivel molecular hasta el microscópico, del gas metano dentro de minerales de arcilla de origen natural. Se utilizaron montmorillonita de Texas (STx-1), caolinita de Georgia (KGa-2) y montmorillonita de Texas saturada con Ca (Ca-STx-1, Ca-bentonita) como minerales de arcilla modelo en subsuelo para elucidar los comportamientos de nano-confinamiento del gas metano etiquetado con carbono. Se utilizó resonancia magnética nuclear (RMN) de ángulo mágico de alta presión (MAS) para describir las interacciones entre el metano y las arcillas variando la temperatura y la presión. Se adquirieron espectros de C-RMN desacoplados por protones a 28.2 bar a 307 K, 32.6 bar a 346 K, 56.4 bar a 307 K, 65.1 bar a 346 K, 112.7 bar a 307 K y 130.3 bar a 346 K. En el estado puro, no se observó un efecto térmico significativo en el comportamiento del metano. Sin embargo, hubo una variación perceptible en la posición del desplazamiento químico del metano confinado en las mezclas con las arcillas hasta 346 K. Por el contrario, el desplazamiento químico de C-RMN del metano cambió al variar la presión en estado puro y en las mezclas con arcillas, atribuido a la interacción del metano con las superficies de las arcillas o la red de nanoporos de la fase mixta de arcilla-sílice. Se observaron desplazamientos inducidos por presión en las posiciones de los picos de metano: 0.25 ppm (28.2-56.4 bar) y 0.47 ppm (56.4-112.3 bar) a 307 K. Para el metano en una mezcla de montmorillonita, los desplazamientos fueron de 0.32 ppm para el metano similar al de volumen y 0.20 ppm para el metano confinado en condiciones similares. A 346 K, el aumento de presión de 65.1 a 130.3 bar causó desplazamientos que superaron 0.50 ppm, con el metano similar al de volumen mostrando un desplazamiento de 0.64 ppm y el metano confinado un desplazamiento de 0.57 ppm. Solo hubo un pico de metano en C-RMN en la mezcla con caolinita (KGa-2) o Ca-bentonita con un ensanchamiento de línea en comparación con el metano puro. Sin embargo, se observaron dos picos en la mezcla con STx-1, explicados por la imbibición y movilidad del metano en la red de poros.