수화물(hydrates) 형태로 고화된 천연가스는 물과 가스로 형성되는 얼음과 같은 결정성 화합물로서, 높은 저장 용량, 낮은 폭발 위험, 그리고 환경 친화성이라는 장점을 가진다. 그러나 수화물의 실용적 응용은 핵생성에 대한 불확실성과 신뢰할 수 있고 경제적인 운전을 위해 요구되는 느린 형성 동역학 때문에 제약을 받아 왔다. 계면활성제 및 아미노산과 같은 동역학적 수화물 촉진제(KHPs, kinetic hydrate promoters)가 수화물 형성 동역학을 향상시키기 위해 연구되어 왔으나, 수화물 형성 시 가스 흡착 속도와 흡착량은 여전히 충분하지 않다. 최근에는 그래파이트 입자(GPs, graphite particles)가 이질적 수화물 핵생성 자리를 제공하고 빠른 수화물 성장에 유리하도록 열 제거를 효율적으로 가능하게 하는 KHP로 제안되었다. 그러나 GP와 기존의 KHP를 병용하여 더 우수한 수화물 형성 동역학을 달성하는 방안은 아직 조사되지 않았다. 본 연구에서는 CH4 수화물 형성 동역학에 대하여 그래파이트 입자(GPs)와 도데실황산나트륨(SDS, sodium dodecyl sulfate)의 상승적(시너지) 촉진 효과를 보고한다. 교반하지 않은 조건에서, GPs 단독 사용은 수화물 형성을 유도하지 못했으나, GPs를 SDS 및 L-트립토판(l-Trp)과 함께 시스템에 추가하면 CH4 수화물 형성 속도가 크게 증가하였다. l-Trp 대신 GPs와 SDS를 병용한 경우, GPs + 수화물 응집체의 자발적 형성과 그 하강(falling)에 의해 질량전달이 향상되어 가장 빠른 동역학을 나타내었다. 교반 조건에서는 GPs의 광범위한 표면적이 풍부한 이질적 핵생성 자리를 제공하였고, 따라서 GPs와 SDS를 병용한 결과는 순수 물 시스템에 비해 수화물 형성 시 CH4 가스 흡착 속도가 350% 증가하였다. GPs와 SDS 사이에서 관찰된 상승 효과는 수화물 핵생성에 대한 에너지 장벽의 감소로 가설을 세웠으며, 이는 수화물 개시 온도 및 표면장(surface tension) 측정 데이터에 의해 뒷받침되었다. 수화물 형성에서 GPs의 역할을 더 규명하고 다른 KHP와의 상승적 촉진 효과를 극대화함으로써, GPs는 수화물의 실용적 응용에 적용될 수 있을 것이다.

클래스레이트 하이드레이트(clathrate hydrates)는 수소 결합으로 이루어진 얼음 같은 결정성 화합물로, 혼합물로부터 CO2를 선택적으로 포집하고 주요 부산물로 깨끗한 물을 생성하므로 탄소 포집 및 저장(carbon capture and sequestration)에 큰 잠재력을 지닌다. 그러나 하이드레이트에서의 CO2 가스 흡착 속도와 흡착량이 실용적 용도에 충분하지 않기 때문에, 적절한 첨가제를 이용해 하이드레이트 형성 동역학을 개선할 필요가 있다. 소수성 아미노산은 환경 친화적인 속도 촉진제로 제안되었으나, 보고된 각 논문에서의 성능은 크게 다르다. 그 이유는 하이드레이트 형성의 동역학이 반응기 종류와 형상, 교반 조건, 온도, 압력, 구동력(driving force), 그리고 아미노산 농도 등 시험 환경의 영향을 크게 받기 때문이다. 본 연구에서는 서로 다른 혼합 속도를 사용하여, 등적/등압(isochoric/isobaric) 및 교반/비교반(stirred/nonstirred) 조건에서 소수성 아미노산이 CO2 하이드레이트 형성을 가속하는 데 미치는 영향을 체계적으로 규명하였다. 그 결과, 국소 CO2 농도의 증가 및 클라트레이트-유사 구조적 물질 정렬(clathrate-like structural ordering)에 의해 약한 소수성 아미노산이 더 효과적임을 확인하였다. 한편 기-액체 계면에서 CO2 하이드레이트 필름이 형성되는 것은 종종 물질전달을 제한하는데, 1 wt % l-트립토판(l-tryptophan)을 첨가하면 계면 확산을 촉진하여 CO2 흡착량이 126배 증가하였다. 비교반 조건에서의 최대 CO2 흡착량은 60 mmol CO2/mol H2O였으며, 최적 l-트립토판 농도는 0.1–1.0 wt %로 도출되었다. 또한 비교반 조건에서 소수성 아미노산을 포함한 다공성 CO2 하이드레이트가 형성될 것이라는 가설을 세웠다: (1) 다공성 하이드레이트가 신속하게 형성되고 (2) 액체 물이 점진적으로 하이드레이트로 전환된다. 아미노산의 환경 친화성 및 과도한 거품을 생성하지 않는 특성은 탄소 포집 및 저장을 위해 하이드레이트를 활용하는 데 있어 매우 바람직하다.