hydrate de gaz

 

 

hydrate de méthane
Figure 1. Une des cages de l’hydrate de CH4 (atomes d’oxygène de l’eau en rouge, atomes d’hydrogène de l’eau en blanc, atome du carbone du méthane en noir, et atomes d’hydrogène du méthane en vert).

Les hydrates de gaz (communément appelés « hydrates ») sont des structures cristallines, composées d’un réseau tridimensionnel de molécules d’eau pouvant emprisonner dans des sortes de cages moléculaires, et uniquement sous certaines conditions de pression et température, des molécules de gaz comme par exemple le méthane (CH4), le sulfure d’hydrogène (H2S), le dioxyde de carbone (CO2), etc. La Figure 1 montre par exemple une des cages présente dans l’hydrate de méthane.

Bouchon formé par une accumulation d’hydrates de gaz
Figure 2. Bouchon formé par une accumulation d’hydrates de gaz dans une canalisation de transport d’hydrocarbures (source Petrobras)

Les recherches menées sur ces composés ont de nombreuses applications pratiques à fort impact économique dans les domaines du flow-assurance (prévention de la formation d’hydrates de gaz pour assurer la production de gaz ou de pétrole (Figure 2), du captage/stockage du CO2 (traitement et/ou stockage de gaz), de l’environnement (production d’énergie propre, transport et stockage de gaz), de l’énergie (exploitation des dépôts naturels d’hydrates), et de l’industrie du froid (utilisation en tant que nouveaux Matériaux à Changement de Phase (MCP)).

Les hydrates font partie d’une famille plus large de composés d’inclusion appelés « clathrates ». Ce terme, inspiré d’un mot grec signifiant « fermeture » dérive du latin « clathratus ». Ce mot latin était utilisé pour décrire « quelque chose présentant des espaces entre ses éléments » (comme un grillage), faisant penser à une sorte de cage. Les hydrates sont donc des clathrates. Si ces clathrates contiennent des molécules de gaz, il sont appelés « clathrates de gaz », mais il faut savoir qu’il est également possible de former ces structures avec des molécules non gazeuses comme par exemple des petites molécules organiques à l’état liquide dans les conditions ambiantes.

Hydrate de Cyclopentane
Figure 3. Hydrate de Cyclopentane (source Maria Conde)

On peut citer par exemple les hydrates de cylopentane, de tetrahydrofurane, de 1,3, dioxolane, etc. (voir Figure 3 représentant les cages de l’hydrates de cyclopentane). Ces hydrates peuvent être étudiés et caractérisés sur la plateforme CATHY.

Clathrate d’hydroquinone
Figure 4. Un exemple de cage présente dans un clathrate d’hydroquinone – Xenon (molécules d’hydroquinone en bleu, rouge et blanc ; atome de Xenon en vert) (source Maria Conde)

Enfin, il existe d’autres types de clathrates qui ne sont pas constitués de cages de molécules d’eau, mais de molécules organiques. Ces composés sont appelés des « clathrates organiques ». On peut citer par exemple le clathrate formé à partir d’hydroquinone (voir Figure 4). Ces composés peuvent être également étudiés sur la plateforme CATHY.