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.

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