用分子动力学模拟甲烷水合物热激法结合化学试剂法分解

用分子动力学模拟方法研究甲烷水合物的热激法，化学试剂法，以及热激法结合化学试剂法分解，系统研究温度为277K和340K时添加液态水(WTR)和30wt％乙二醇(EG)溶液对水合物分解的影响.模拟显示WTR与水合物表面水分子形成氢键，破坏水合物原有的氢键平衡，造成笼状结构坍塌，水合物分解.EG分子中的羟基与水合物表面水分子形成氢键，从而破坏原有的稳定结构，造成水合物笼状结构被破坏，达到促进水合物分解，释放甲烷气体的效果.比较温度为277K和340K时添加WTR和30wt％EG溶液对水合物分解效果得出EG(340K)> WTR(340K)>EG(277K)>WTR(277K)，热激法结合化学试剂法能更好促进水合物分解.     

用分子动力学模拟甲烷水合物热激法分解

用分子动力学模拟方法研究甲烷水合物热激法分解，系统地研究注入340 K液态水的结构Ⅰ型甲烷水合物的分解机理.模拟显示水合物表层水分子与高温液态水分子接触获得热能，分子运动激烈，摆脱水分子间的氢键束缚，笼状结构被破坏.甲烷分子获得热能从笼中挣脱，向外体系扩散.热能通过分子碰撞从外层传递给内层水分子，水合物逐层分解.对比注入277K液态水体系模拟结果，得出热激法促进水合物分解. 关键词： 甲烷水合物 分子动力学模拟 热激法     

CH4水合物在SDS和CTAB溶液中的生成特性研究

为探究不同促进剂在甲烷水合物生成过程的微观作用机理,选取动力学促进剂十二烷基硫酸钠(SDS)和热力学促进剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为添加剂,采用分子动力学方法研究其对甲烷水合物生成速率的影响.通过分析势能变化、均方位移、径向分布函数、分子簇生长速率,发现质量分数为0.9%SDS、1.2%SDS、1.2%CTAB、1.6%CTAB的溶液均可促进水合物生成.质量分数为1.2%的SDS溶液水合物生长速率最快,且SDS促进效果优于CTAB.通过分析甲烷分子密度分布云图,发现呈阴性的SDS分子头部基团吸附了大量甲烷分子,水分子受挤压向中间聚集;CTAB含氮的头部基团朝向均相溶液,包含在不稳定的水合物笼中,形成半笼型水合物.相比之下,CTAB溶液中水合物含气率更高.     

显微激光拉曼光谱测定甲烷水合物的水合指数

甲烷水合物是由甲烷气体分子与水分子在低温高压下形成的一种笼型结构化合物,广泛存在于海底陆架区和陆地冻土区,被认为是一种潜在的能源资源。在水合物的晶格中,水分子在氢键的作用下形成大小不同的笼子,甲烷分子可分别进入大笼(51262)和小笼(512)中。在自行研制的实验装置上,分别合成了一系列不同体系下的甲烷水合物,包括十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液-甲烷体系、冰粉-甲烷体系以及冰粉-不同粒度砂-甲烷体系。对这些甲烷水合物样品进行了激光拉曼光谱分析,测定了其水合指数,笼占有率等结构参数。结果表明,这些甲烷水合物都为Ⅰ型结构,其水合指数和笼占有率基本不受沉积物粒径大小的影响。在3种体系中生成的水合物,大笼中甲烷分子基本占满,占有率大于97%;小笼中甲烷分子占有率为80%～86%,测得的水合指数为6.05～6.15。     

CO2水合物生长特性的分子动力学模拟

采用分子动力学对CO2水合物生长进行模拟并分析其变化规律,探究了CO2水合物晶体生长的微观过程以及不同温度、压力条件对水合物生长特性的影响机理. CO2水合物的生长是从已有晶胞附近向外扩散并逐具有序性的过程,水分子间逐渐形成四面体氢键与CO2共同形成完整的水合物笼. 另外, CO2水合物生长需要合适的过冷度,在压力为30MPa、温度范围265K至275K,水合物笼型晶胞可正常生成,并且温度越低,生成速率越快;在高温290K和300K时,体系分子运动加剧,水合物笼直接散开. 此外,在温度为270K、不同压力条件下,发现相较温度而言,由于CO2溶解度随压力变化的不明显性,导致CO2水合物增长速度伴随压力的变化相对不敏感.     

罗丹明6G在醇溶液中的荧光频移特性分析

罗丹明6G在甲醇、乙醇、乙二醇溶液中均发出较强的荧光。当醇溶液浓度为33.3%时,基本不存在频移现象。当醇溶液浓度为99.7%时,荧光峰发生蓝移或红移,分析认为该频移是由罗丹明6G和醇类物质分子相互作用(如氢键、静电吸引)导致激发态能量升高、荧光峰蓝移,与醇类物质分子中羟基OH的孤对电子跃迁导致荧光能量降低、荧光峰红移,这两种因素相互竞争的结果,且在高浓度醇溶液中,羟基OH数量越多,红移越明显。     

用激光拉曼光谱研究液态乙醇的水合作用过程

为研究室温下乙醇-水二元混合物内部的分子间缔合情形,测得了不同体积配比溶液的拉曼光谱,发现位于2 800~3 050 cm-1波数区间的C—H伸缩振动频率随乙醇中加入水量的增加整体呈现蓝移趋势,而位于1 048 cm-1附近的CO伸缩振动频率的变化规律却与此相反。分析认为,这种现象主要由溶液内部分子间发生的不同水合作用所致,并据此阐明了液态乙醇的水合作用过程:水分子首先与纯乙醇中的自缔合短链发生氢键缔合作用,形成了含有较多乙醇分子数的乙醇水合团簇,直到溶液中水的体积含量达到50%时,乙醇的水合作用达到暂时饱和;而当水的体积含量继续增加到70%以后,水分子致使原有乙醇水合团簇解离形成较小尺寸的团簇,并与解离点位上的乙醇分子羟基发生进一步水合作用;而后,当水体积含量增至一定程度后,还会导致乙醇分子疏水基CH基团与水分子间形成弱氢键C—H…O。     

笼形水合物的科学与技术研究以及在能源和环境领域中的应用

能源与环境是人们越来越关注的问题,而笼形水合物同时在这两方面展示出了巨大的应用前景:(1)在广阔的海底大陆架中蕴藏着大量的以甲烷为主体的笼型水合物--天然气可燃冰;(2)将大气中日益增多的二氧化碳装入笼型水分子中并沉于海底以降减温室效应;(3)氢气可燃冰作为一种清洁的能源载体具有很高的能量密度、可重复再生、可快速允氢;(4)利用笼形水合物的形成过程,可以有效地分离气体、降低能耗、减轻污染,虽然笼形水合物在工程应用以及科学研究中有着重要的价值,仉其晶体结构,成键机制,温压相图,热化学与力学稳定性,合成与分解的反应动力学,声学弹性,与海底沉积的反应,以及扩散和输运性质等郜有待深入的研究.目前,科学家已经研发或者正在探讨将高压和低温装置与中子衍射技术以及激光光谱、热学测量、超声技术等有机的结合在一起,从而能够进行一系列的实验研究米解决诸多的基本科学问题.高压及低温环境下的中子衍射装置在氢气、甲烷以及二氧化碳气体水合物体系研究中显示了巨大的优势,并且在确定水合物晶体结构,气体分子在水合物笼格中的占据情况,以及气体分子在笼格中的分布状态等方面取得了巨大的进展.     

乙醇水混合物在碳纳米管中的吸附与结构性质

用分子动力学模拟研究乙醇水混合物在碳纳米管中的结构与吸附．在(6,6)到(10,10)碳纳米管内,几乎总是充满乙醇分子,很少有水分子．在更粗的碳纳米管中有一些水分子,管内的乙醇质量分数远远高于体相值．对管内外的分子进行了径向、轴向、角向的密度和取向的分布以及氢键数目的分析．管外第一溶剂化层中分子的角向密度分布指出乙醇分子的甲基和碳壁有最强的作用,被钉扎在碳纳米管的六角形中心位置．基于对这些现象微观机制的理解,推测碳纳米管在甲醇和乙醇中更倾向吸附乙醇,通过对乙醇甲醇混合物与碳纳米管的分子动力学模拟验证了这个预测．     

界面氢键对受限水结构和动态特性的影响

应用反应力场分子动力学方法, 模拟了水限制在全羟基化二氧化硅晶体表面间的弛豫过程, 研究了基底表面与水形成的界面氢键, 及其对受限水结构和动态特性行为的影响. 当基底表面硅醇固定时, 靠近基底表面水分子中的氧原子与基底表面的氢原子形成强氢键, 这使得靠近表面水分子中的氧原子比对应的氢原子更靠近基底表面, 从而水分子的偶极矩远离表面. 当基底表面硅醇可动时, 靠近基底表面水分子与基底表面原子形成两种强氢键, 一种是水分子中的氧原子与表面的氢原子形成的强氢键, 数量较少, 另一种是水分子中的氢原子与表面的氧原子形成的强氢键, 数量较多, 这使得靠近表面水分子中的氢原子比对应的氧原子更靠近表面, 从而水分子的偶极矩指向表面. 在相同几何间距下, 当基底表面硅醇可动时, 表面的活动性使得几何限制作用减弱, 导致了受限水分层现象没有固定表面限制下的明显. 此外, 固定表面比可动表面与水形成的界面氢键作用较强, 数量较多, 导致了可动表面限制下水的运动更为剧烈.     

不同笼占据率Ⅰ型甲烷水合物结构和光学性质的第一性原理研究

本文基于第一性原理计算,对三种不同结构的Ⅰ型甲烷水合物进行弛豫,得到优化后的结构、电子态密度及光学性质,通过对结果的分析揭示不同笼子占据率对水合物的结构和相关性质的影响。这三种结构分别为:(cI)只有一个大笼未被占据;(cII)只有一个小笼未被占据;(cIII)每个笼子都被甲烷分子占据。结果显示,cIII是最稳定的,因为它有完美的晶体结构;cII和cI相对较不稳定,其中cI在缺失一个甲烷分子的情况下,结构出现了较大的变形,这导致它成为三种情况中最不稳定的结构;相反,同样缺失了一个甲烷分子的cII的结构变形就很小。cII和cI的体积变化分别是0.56%和2.1%,cII的电子态密度和能带几乎与cIII的一致,而cI的则与前两者差别很大。计算结果表明,相对于电子转移,质子无序对水合物的介电常数的影响更为主要;甲烷水合物只对紫外光有响应,无论结构和占据率差异如何,甲烷水合物都具有相近的光学性质。本文的结果证明,缺失一个甲烷分子,对cII造成的影响很小,其晶体结构、介电常数和光学性质与cIII的一致,然而同样缺失一个甲烷分子的cI的结构及性质却出现了巨大变化。这些结果可为水合物探测提供有价值的参考。     

甲烷水合物拉曼光谱法研究进展

介绍了甲烷在气相、水合相中的拉曼光谱特征,从水合物生成热力学、生成动力学、分解动力学和分解机理几方面对甲烷水合物实验室拉曼光谱分析和深海拉曼光谱检测的最新进展进行了综述。生成热力学方面重点介绍了基于拉曼光谱技术的水合物生成条件的原位观测、水合物结构的鉴定及水合物孔穴占有率和水合数的求算,生成动力学方面主要介绍了水合物生成过程中孔穴形成随时间的变化关系及水合物形成后流体中甲烷浓度的变化规律等内容。水合物分解方面着重介绍了水合物分解的微观机理、孔穴占有率的变化规律及多孔介质中水合物分解速率表达式。针对目前拉曼光谱法研究水合物存在的问题,对未来的发展方向和重点提出了建议。     

基于Raman光谱技术的瓦斯混合气水合过程定量分析

瓦斯水合物微观晶体结构研究对水合分离技术具有重要理论意义。利用Raman光谱技术对三种含高浓度CO₂瓦斯混合气水合反应过程进行在线观测,并对水合物相Raman光谱图进行分析,获取了瓦斯水合物不同生长阶段大、小孔穴占有率,同时利用van der Waals与Platteeuw热力学统计模型间接获得水合指数等晶体结构信息。结果表明,瓦斯水合物孔穴占有率及水合指数在水合物不同生长阶段未发生较大变化,水合物相中大孔穴几乎被客体分子填满,CO₂与CH₄分子共同占据大孔穴,但CO₂占绝大多数,达到78.58%~94.09%,CH₄分子仅为4.52%~19.12%,这主要是由于两种分子间存在竞争关系且气样中CO₂浓度明显高于CH₄,大孔穴占有率维持在97.70%~98.68%;小孔穴占有率为17.93%~82.41%,占有率普遍偏低,且仅有CH₄分子;随气样中CH₄浓度增加,CH₄在大、小孔穴中的占有率均有所增加,且CH₄分子在大孔穴中的占有率均明显低于在小孔穴中占有率;水合物生长不同阶段水合指数为6.13~7.33,随气样中CH₄浓度的增加,小孔穴占有率有所增加,致使水合指数随之降低;由于瓦斯水合物生长分布不均匀,三种气样对应的不同生长阶段水合指数均呈不规则变化。     

小分子醇对天然气发动机热化学重整的影响

天然气发动机缸内热化学重整技术对于开发新型的满足更严格排放法规的天然气发动机有着重要意义,为了探究不同醇类对缸内热化学重整影响的化学反应动力学机理,本文选取甲醇、乙醇与乙二醇三种小分子醇作为加浓燃料,通过流动反应器实验和CHEMKIN模拟,对三者掺混时重整气的生成量以及甲烷的消耗量进行了对比,并对反应路径进行了分析以判断不同燃料掺混产生差异的原因,通过分组对比探讨了醇类燃料碳链长度与羟基数目对重整效果的影响.通过研究发现,小分子醇的碳链长度相同时,羟基数目增加有利于促进重整过程;羟基数目相同时,碳链长度缩短有利于促进重整过程。     

Density functional theory study of structural stability for gas hydrate

Using the first-principles method based on the density functional theory(DFT),the structures and electronic properties of different gas hydrates(CO_2,CO,CH_4,and H_2) are investigated within the generalized gradient approximation.The structural stability of methane hydrate is studied in this paper.The results show that the carbon dioxide hydrate is more stable than the other three gas hydrates and its binding energy is-2.36 e V,and that the hydrogen hydrate is less stable and the binding energy is-0.36 e V.Water cages experience repulsion from inner gas molecules,which makes the hydrate structure more stable.Comparing the electronic properties of two kinds of water cages,the energy region of the hydrate with methane is low and the peak is close to the left,indicating that the existence of methane increases the stability of the hydrate structure.Comparing the methane molecule in water cages and a single methane molecule,the energy of electron distribution area of the former is low,showing that the filling of methane enhances the stability of hydrate structure.     

Molecular dynamics simulations of PVP kinetic inhibitor in liquid water and hydrate/liquid water systems

The possible effects of PVP (poly(N-vinylpyrrolidone)) on the properties of liquid and water in clathrate hydrate has been investigated using NVT molecular dynamics simulations. A model for a monomer of the PVP polymer is immersed in three systems, liquid water, a unit cell of a hydrate in liquid water with a hydrate former and a third system where some of the liquid water molecules of this last system are replaced by a PVP monomer. Both molecular dynamics simulation and integral equation theory predict hydrogen bonding between the double bonded oxygen in the PVP ring and hydrogens in water. For the composite system, the PVP monomer has a preference for hydrogen bonding to hydrogens from the water molecules at the surface of the hydrate lattice. The simulations indicate that the PVP monomer tends to orient perpendicular to the hydrate surface. For the model systems in this study PVP may form hydrogen bonds with liquid water through the double bonded oxygen in the ring. When a hydrate crystal is immersed in the liquid water phase this hydrogen bonding is shifted towards the hydrate due to a more favourable Coulomb interaction involving hydrogens from more than one water molecule at the hydrate surface. The PVP monomer has a preference for perpendicular orientation with respect to the hydrate surface. A scheme is suggested for the characterization of kinetic hydrate inhibitors based on molecular dynamics simulations and on three basic properties. In addition to the energy between the active groups of the inhibitor and hydrate water another point of focus is the free energy changes in the interactions between the inhibitor and water as the charges are changed from zero to the original model charges. In particular the difference between this integral for the (hydrate water)–(PVP monomer) interaction and the (liquid water)–(PVP inhibitor) interaction should reflect the driving forces in freezing the inhibitor out from the liquid water phase and onto the hydrate surface. The third property in the characterization scheme is the diffusivities of groups connecting to the hydrate crystal, relative to the diffusivities of the hydrate crystal. Results are presented from simulations where a small cavity with a methane model as a guest is immersed in liquid water with free methane molecules at a temperature of 150K. Changes in structure, diffusivities and energy indicate a tendency towards a more solid–like structurde around the cavity.     

Molecular dynamics study on water self-diffusion in aqueous mixtures of methanol,ethylene glycol and glycerol: investigations from the point of view of hydrogen bonding

Molecular dynamics simulations have been performed to investigate the aqueous binary mixtures of alcohols, including methanol, ethylene glycol (EG) and glycerol of molalities ranging from 1 to 5 m at the temperatures of 273, 288 and 298 K, respectively. The primary purpose of this paper is to investigate the mechanism of water self-diffusion in water-alcohol mixtures from the point of view of hydrogen bonding. The effects of temperature and concentration on water self-diffusion coefficient are evaluated quantitatively in this work. Temperature and concentration to some extent affect the hydrogen bonding statistics and dynamics of the binary mixtures. It is shown that the self-diffusion coefficient of water molecules decreases as the concentration increases or the temperature decreases. Moreover, calculations of mean square displacements of water molecules initially with different number n of H-bonds indicate that the water self-diffusion coefficient decreases as n increases. We also studied the aggregation of alcohol molecules by the hydrophobic alkyl groups. The largest cluster size of the alkyl groups clearly increases as the concentration increases, implying the emergence of a closely connected network of water and alcohols. The clusters of water and alcohol that interacted could block the movement of water molecules in binary mixtures. These findings provide insight into the mechanisms of water self-diffusion in aqueous binary mixtures of methanol, EG and glycerol.