甲烷水合物的固体核磁共振碳谱与激光拉曼光谱研究

甲烷水合物（CH₄·nH₂O）是主要由甲烷和水分子构成的冰状笼型化合物,在自然界储量巨大．固体核磁共振（NMR）波谱和激光拉曼光谱是在分子水平分析甲烷水合物的重要手段．该文利用低温固体核磁共振碳谱（¹³C NMR）对合成的甲烷水合物结构进行了研究,分别使用¹³C交叉极化（¹³C CP）和高功率质子去偶（¹H HPDEC）2种脉冲程序采集甲烷水合物的¹³C NMR谱图,结合实验结果分析及理论推导可知,使用¹H HPDEC方法得到的¹³C NMR谱图信号更强,更利于定量分析;甲烷气体与冰粉合成的甲烷水合物为I型,其大笼和小笼占有率分别为0.988和0.824,水合数为6.07;甲烷气体与SH2站位沉积物和冰粉合成的甲烷水合物也为I型,其大笼和小笼占有率分别为0.987和0.887,水合数为5.98;SH2站位沉积物使合成的甲烷水合物的小笼占有率提高、水合数降低、水合物饱和度提高．激光拉曼光谱结果证实了上述结果的准确性．该文为甲烷水合物测试提供了重要的方法参考．     

天然气水合物快速合成可视化实验研究

水合物法储运天然气技术在安全、高效储运天然气方面极具应用潜力，其中甲烷水合物合成动力学又对该技术的发展至关重要。为此，实验研究了十二烷基硫酸钠(SDS)浓度以及初始压力、初始温度对四氢呋喃(THF)+SDS组合溶液中甲烷水合物合成动力学的影响规律。研究表明，SDS的加入显著地改善了水合物合成速率和最终气体吸收量，但随着SDS浓度增加动力学促进效果逐渐减弱，即存在动力学效果最佳的SDS浓度。此外，SDS不但加速了水合物的生长，而且随SDS浓度增加水合物的生长模式也由优先气相转变为优先液相。最后发现，甲烷水合物最终气体吸收量随初始压力和初始温度升高而增加，合成速率随初始压力升高而增加随初始温度升高而减小。     

氮气水合物储氢的激光拉曼光谱研究

近年来,笼型水合物储氢已成为储氢研究的热点之一。采用激光拉曼光谱开展了以氮气水合物为载体的储氢实验研究。在较为温和的条件下(15 MPa, -18 ℃),使合成的氮气水合物与氢气发生反应,对反应产物的拉曼光谱分析结果显示,氢气分子进入到水合物的笼型结构中,并且呈现出多分子的笼占有状态;氮气水合物与氢气的反应时间是影响储氢效果的重要因素。研究结果表明,氮气水合物有希望成为一种有效的储氢介质。     

天然流体包裹体中甲烷水合物生成条件原位变温拉曼光谱研究

准确获取流体包裹体中气体水合物的生成条件一直是传统包裹体分析方法面临的一个难题。文章采用原位拉曼光谱技术分析了天然流体包裹体中甲烷水合物的生成条件。并由常温拉曼光谱分析表明,研究流体包裹体的流体组成为CH4-H2O体系。通过三种方法控制实验温度的变化,在第三种方法实验条件下获得了-170 ℃时甲烷水合物与冰的拉曼光谱,逐渐升温原位观测甲烷水合物的消失温度。原位拉曼光谱检测结果表明,研究包裹体中甲烷水合物的生成温度为7.5 ℃。结合CH4-H2O体系水合物形成条件相平衡计算,得到包裹体中甲烷水合物生成时的压力为5.587 3 MPa。研究结果表明,原位拉曼光谱技术是准确获取流体包裹体种气体水合物生成条件的一种有效方法。     

甲烷水合物成核过程的实验研究进展(特邀)

甲烷水合物(可燃冰)作为一种储量巨大、分布广泛的清洁能源而备受关注。围绕甲烷水合物的开采、以固态水合物形式储运天然气和氢气等问题开展基础科学研究,具有重要的科学意义和应用价值。成核过程是甲烷水合物形成的关键第一步,由甲烷、水分子形成团簇并逐渐演化形成水合物的微观过程。然而,由于缺乏在高压环境下研究成核微观过程的有效实验方法,针对成核过程的实验研究进展缓慢。本文首先对气体水合物的结构及其性质进行了回顾;然后,以水合物演化的分子动力学模拟为基础,梳理现有关于水合物演化路径的初步认知;最后,以超快非线性光谱学方法为主,讨论了水合物实验研究的进展和展望。     

甲烷水合物形成促进技术实验研究

实验研究了液态烃(环戊烷和甲基环己烷)对甲烷水合物形成条件的影响,测试结果表明液态烃降低了甲烷水合物的形成压力,并改变了形成水合物的结构。实验研究了促进剂(液态烃和表面活性剂)对水合物形成诱导时间和生长过程的影响,结果表明液态烃和表面活性剂降低了水合物形成的诱导时间,提高了水合物形成速度;而且表面活性剂提高了水合物形成过程中的耗气量,并改变了水合物形成机理。     

NMR研究甲烷水合物在中孔SBA-15内的生成

利用自行研制的高压釜和原位高压核磁共振研究了甲烷水合物在具有孔径均一的中孔SBA-15中的形成过程. 结果发现在静止的状态下,甲烷在中孔SBA-15内与水也能生成甲烷水合物,但其形成所需要的诱导时间比在纯水的条件下要短,SBA-15可促进甲烷水合物的形成;原位高压¹H和¹³C NMR研究表明即使甲烷过量,在一定压力下,SBA-15孔道内的水也不能完全形成甲烷水合物.     

醇类抑制剂对甲烷水合物形成的影响

在本工作中,甲烷水合物的生长动力学是通过甲醇、乙醇、乙二醇三种不同醇类抑制剂存在下的分子动力学模拟研究的.模拟结果发现,三种醇类都可作为甲烷水合物的抑制剂,醇类分子中的亲水性羟基极大地破坏了水合物笼的结构,并且羟基可以与局部的液态水分子形成氢键,从而增加了形成水合物笼型结构的难度,导致甲烷水合物的生长速率降低.对于甲醇分子,甲醇分子的亲水性羟基与水分子形成氢键从而破坏了水分子结构,而亲油性甲基对周围的水分子具有簇效应,两者都会降低水合物生长速率;对于乙二醇和乙醇分子,它们只含有羟基,特别是乙二醇分子含有两个羟基,其对H₂O分子有很强的吸附作用,导致水合物生长速率降低.在抑制效果方面,甲醇分子最优,乙二醇稍微优于乙醇.     

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     

含乙二醇水合物形成条件理论与实验研究

利用可视化高压流体测试装置在0.78～5.17 MPa压力范围内测定了乙二醇水溶液中合成天然气（甲烷、乙烷和丙烷的混合物）水合物的形成条件。根据vanderWaals-Platteeuw的理想溶液等温吸附理论和Moshfeghian-Maddocd的数学模型,给出了含抑制剂体系气体水合物相平衡计算数学模型。计算结果表明该模型可较好地预测含抑制剂（乙二醇）体系的水合物形成条件。     

瓦斯浓度影响下水合物晶体结构Raman光谱特征

在初始温压2 ℃,5 MPa条件下开展了三种瓦斯混合气(CH₄—C₂H₆—N₂,G1=54∶36∶10,G2=67.5∶22.5∶10,G3=81∶9∶10)水合实验,利用可见显微拉曼光谱仪获取水合产物拉曼光谱,通过水合物相中C₂H₆ C—C键伸缩振动特征峰拉曼位移判断水合物晶体结构,利用谱图特征峰分峰拟合方法计算出瓦斯水合物孔穴占有率、水合指数等。研究发现：气样G1和G2水合产物为I型水合物、G3为Ⅱ型,气样中C₂H₆浓度改变导致水合物晶体结构转变;Ⅰ型结构水合物相中CH₄和C₂H₆含量受气样浓度影响较小,G1和G2体系中CH₄含量分别为34.4%和35.7%、C₂H₆含量分别为64.6%和63.9%,而G3体系中CH₄和C₂H₆含量分别为73.5%和22.8%,晶体结构对水合物相客体分子含量控制作用明显;G1~G3体系水合物相大孔穴的CH₄—C₂H₆占有率分别为98%,98%和92%,小孔穴的CH₄占有率分别为80%,60%和84%,N₂由于分压较低且吸附能力较弱其小孔穴占有率不高于5%。     

Using magnetic resonance imaging to monitor CH4 hydrate formation and spontaneous conversion of CH4 hydrate to CO2 hydrate in porous media

Magnetic resonance imaging was used to monitor and quantify methane hydrate formation and exchange in porous media. Conversion of methane hydrate to carbon dioxide hydrate, when exposed to liquid carbon dioxide at 8.27 MPa and ∼4°C, was experimentally demonstrated with MRI data and verified by mass balance calculations of consumed volumes of gases and liquids. No detectable dissociation of the hydrate was measured during the exchange process.     

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。     

不同驱动力下瓦斯水合物生长过程Raman光谱特征

基于煤矿瓦斯(CH₄∶C₂H₆∶N₂=67.5∶22.5∶10)水合物相平衡曲线开展四种驱动力ΔP水合动力学实验,利用可见显微Raman光谱仪获取水合物生长过程光谱图,根据水合物相中C₂H₆ C-C键伸缩振动特征峰Raman位移确定了4组实验中水合物为sⅡ结构。基于van der Waals与Platteeuw模型获取瓦斯水合物生成过程中水合物相气体组分及水合指数变化规律。研究表明： 驱动力的大小影响水合物的稳定性,随着驱动力的增加,CH₄相比C₂H₆逐渐占据更多的孔穴结构,CH₄在水合物相内比例增加,水合物稳定性越强;瓦斯中N₂,CH₄和C₂H₆进入水合物孔穴优先级可以通过分子与水合物孔穴的直径比进行确定,分析认为在sⅡ水合物结构中小孔穴CH₄优先级最高,大孔穴C₂H₆最高;基于瓦斯水合物稳定性,对水合物生长过程客体分子的物质传递规律进行描述,为瓦斯水合物的微观生长提供理论基础。     

Numerical Investigation into the Development Performance of Gas Hydrate by Depressurization Based on Heat Transfer and Entropy Generation Analyses

The purpose of this study is to analyze the dynamic properties of gas hydrate development from a large hydrate simulator through numerical simulation. A mathematical model of heat transfer and entropy production of methane hydrate dissociation by depressurization has been established, and the change behaviors of various heat flows and entropy generations have been evaluated. Simulation results show that most of the heat supplied from outside is assimilated by methane hydrate. The energy loss caused by the fluid production is insignificant in comparison to the heat assimilation of the hydrate reservoir. The entropy generation of gas hydrate can be considered as the entropy flow from the ambient environment to the hydrate particles, and it is favorable from the perspective of efficient hydrate exploitation. On the contrary, the undesirable entropy generations of water, gas and quartz sand are induced by the irreversible heat conduction and thermal convection under notable temperature gradient in the deposit. Although lower production pressure will lead to larger entropy production of the whole system, the irreversible energy loss is always extremely limited when compared with the amount of thermal energy utilized by methane hydrate. The production pressure should be set as low as possible for the purpose of enhancing exploitation efficiency, as the entropy production rate is not sensitive to the energy recovery rate under depressurization.     

Effect of H_3BO_3 on the phase stability and long persistence properties of Sr_(3.96)Al_(14)O_(25):Eu_(0.01)~(2+), Dy_(0.02)~(3+) phosphor

Sr3.96Al14O25:Eu2+ ,Dy3+ long persistent materials with different weights of H3BO3 prepared by the high temperature solid-state reaction method were characterized by X-ray powder diffraction (XRD), scanning electronic microscopy (SEM), photoluminescence spectra (PL), and thermoluminescence (TL). The results of XRD indicate that the 3% addition of H3BO3 favorable for the formation of pure phase Sr4Al14O25 , and SrAl12O19 was generated when there is a low content or high content of H3BO3 . The average grain sizes of samples grow bigger with an increase of H3BO3 . PL spectra show that the emission peak does not shift evidently and the emission intensity changes little, indicating that the different amount of H3BO3 has little influence on the crystal field. The decay characteristics and TL measurement show that H3BO3 affects the afterglow properties of Sr3.96Al14O25 :Eu2+ ,Dy3+ , because the increasing H3BO3 leads to more defects in the Sr4Al14O25 matrix.