NaCl溶液中CO_2置换CH_4水合物的分子动力学模拟

本文采用分子动力学方法,研究NaCl溶液中CO_2置换CH_4水合物的过程。结果表明,模拟开始时,在Na~+、Cl~-离子作用下水合物/溶液相界面处CH_4水合物笼子扭曲形成裂孔,CO_2直接置换CH_4水合物中CH_4,裂孔较大时,CO_2-CH_4分子间发生多次置换;从笼中被置换出的CH_4分子在NaCl溶液中容易聚集成气泡,水合物相和溶液相形成CH_4浓度梯度,水合物开始发生分解;随着较多的CO_2分子进入水合物相中,界面处形成的CH_4-CO_2混合水合物较为稳定,阻碍了进一步置换。     

CH4水合物生长速率影响因素的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟,研究了温度、压力和电解质溶液对CH4水合物生长速率的影响.通过分析势能、均方位移、氢键数量、径向分布函数和四体结构有序参数,表征了CH4水合物的生长动力学.模拟结果表明,降低温度和提高压力可以显著提高CH4水合物的生长速率.当压力恒为15MPa,温度高于290K时,势能升高,CH4水合物晶体发生分解;温度由290K降至260K时,势能降低,CH4水合物持续生长.当温度恒为275K,压力由3MPa增至50MPa时,CH4水合物生长速率提高12%.此外,电解质离子的存在抑制了水合物的生长,电解质溶液浓度由1.5wt%增加到3.5wt%时, CH4水合物生长速率降低25%.     

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。     

CH4-TBAB二元水合物的分解热测定

利用可视化高压流体测试系统研究了甲烷-四丁基溴化氨(TBAB)水合物的分解条件,并根据物相平衡数据应用Clausius-Clapeyron方程计算了该水合物的分解热.结果显示: CH4-TBAB共生水合物的相平衡压力的对数与温度的倒数为线性关系,其相平衡压力远低于甲烷水合物的相平衡压力,甲烷的存在提高了TBAB水合物的生成温度.CH4-TBAB共生水合物的分解热远大于纯TBAB水合物的分解热,而且分解热的数值与TBAB的浓度有关.     

二氧化碳-甲烷混合气体水合物四相区实验研究

以水合物的形式封存CO₂和置换海底的天然气（CH₄）水合物需要对CO₂-CH₄混合水合物的四相平衡状态及数据有清楚的了解。本文通过实验和模型计算对不同组分的CO₂-CH₄混合水合物的较高四相区（Q2）相平衡进行了测定和表述。实验温度范围为273.16～297 15 K,压力范围分为0～10 MPa。四相区的温度压力范围分别是283.51到287.04 K和4.74到8.37 MPa,甲烷的摩尔组份为0～0.225。结果揭示了相平衡温度和压力随着甲烷组分而变化情况以及四相区的范围和临界点,同时还给出了CO₂-CH₄混合气体水合物在四相状态下的融化开始和融化结束点。实验结果与热力学模型计算得出的CO₂-CH₄混合气体水合物相平衡结果进行比较,两者很好吻合,四相平衡区域的存在范围得以明确。     

HCFC141b气体水合物快速生成实验研究

气体水合物生成机理是气体水合物研究领域的一个热点,对气体水合物技术的应用有重要意义。先前实验中作者首次发现铁丝同十二烷基苯磺酸钠水溶液的适当组合可以促使HCFC141b气体水合物快速结晶和生长。本文进一步揭示了十二烷基苯磺酸钠和不同金属丝对HCFC141b气体水合物生成过程的影响机理。作者结合国内外已有的研究成果总结得到了促使气体水合物快速结晶成核和生长的关键因素,并从传热传质角度提出了促进气体水合物快速结晶成核和生长的一些建议。     

CO2水合物在电解质溶液中的相平衡预测

关于二氧化碳水合物基础物性的研究,对二氧化碳置换开采天然气水合物和工业废气二氧化碳的深海埋藏具有重要意义。本文在Van der Waals-Platteeuw理论和Pizter的电解质模型的基础上,考虑了电解质和温度对二氧化碳在水中溶解度的影响,从理论上对水合物相平衡模型进行了修正,提高了预测的精度。本文预测了二氧化碳水合物在NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂的一元及二元溶液体系中的相平衡条件,预测的最大压力误差7.92%,平均压力误差在1%～3%之间。结果表明,本文的理论预测结果和实验数据吻合较好。     

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。     

CO2在气体水合物结构特性的固体核磁共振波谱与拉曼光谱实验研究

天然气水合物是蕴含着巨大能源潜力的非常规能源,2017年和2020年两次我国南海探索性试采的成功,加快了天然气水合物项目的进展。二氧化碳置换开采法,既能开发CH₄,又能封存CO₂。同时水合物法分离烟气中CO₂具有很好的应用前景,而CO₂在气体水合物的微观结构和特性尚不明确,实际应用存在一定的未知影响。为了考察其特性,利用13C固体核磁技术（NMR）和拉曼光谱（Raman）进行CO₂置换CH₄水合物、合成13CO₂-H₂-CP混合水合物实验表征,讨论CO₂在水合物中的定量问题,研究CO₂分子在笼型结构中的分布,探讨CO₂分子在气体水合物中的结构类型和特性。结果表明：（1）利用Raman费米低频共振1 277.5 cm-1峰积分得到CO₂在I型大笼（51262笼）的占有率为0.978 2,CH₄在Ⅰ型小笼（512笼）和大笼（51262笼）的占有率为0.059 3和0.009 5,水合数7.61,Raman费米高频共振1 381.3 m-1峰积分得到CO₂在51262笼的占有率为0.984 3,CH₄在512笼和51262笼的占有率为0.023 7和0.003 3,水合数7.70,CO₂几乎占满了大笼,CO₂气体的加入会导致水合物中,CH₄的大、小笼占有率均大幅度降低,置换后水合数略低于纯甲烷水合物,未标记的CO₂水合物在核磁中较难测出信号,CO₂气体置换后CH₄在小笼的占有率仅0.097 5,大笼占有率为0.317 2,两种方法差异主要原因为核磁的CO₂未出峰。（2）利用拉曼费米低频共振1 273.4 cm-1峰积分得到H₂、CO₂在512笼、CP在51262的占有率分别为0.124 8,0.304 2和0.997 8,水合数9.16;Raman费米高频共振1 380.6 cm-1峰积分得到H₂、CO₂在512笼、CP在51262的占有率分别为0.123 6,0.577 1和0.985 1,水合数7.12。13C标记CO₂分子在水合物中达到较好的固体核磁分辨率,首次确认CO₂在Ⅱ型小笼中的化学位移为124.8 ppm,计算得到CO₂的小笼占有率为0.783 1,CP的大笼占有率为0.971 8,水合数6.70,Raman高频频费米共振峰（1 380.6 cm-1）定量计算与13C NMR结果更接近。（3）对CO₂的13C NMR化学位移进行了归属,并结合Raman与13C NMR的对比分析,为CO₂水合物的13C NMR研究和拉曼定量提供参考。     

碳化铝与水反应合成甲烷水合物的实验研究

 利用自行设计的高压气水合物实验装置,通过碳化铝与水反应成功合成了甲烷水合物。实验结果表明,碳化铝与水反应合成甲烷水合物的方法有效地解决了传统甲烷水合物模拟实验中甲烷气体引入问题;同时,碳化铝与水反应产生的甲烷及沉淀物能较好地模拟海洋环境中水合物形成的自然条件,为实验模拟甲烷水合物研究提供了一种新方法。利用此方法,对甲烷水合物合成与分解温度、压力条件及动力学过程进行了初步研究。     

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%。     

Oxidation of 13C-labeled methane in surface crusts of pig- and cattle slurry

Storage tanks for slurry from animal production constitute important point sources for emission of CH4 into the atmosphere. Recent investigations have demonstrated that surface crust formed on top of animal slurry provides a habitat for CH4 oxidation activity, a finding which may open for new opportunities to reduce greenhouse gas emissions during storage of animal wastes. In this work, 13C-labeled CH4 was used as a tracer to examine the absolute rates of CH4 oxidation and production in intact crust materials, collected from six different pig- and cattle slurry tanks in late autumn. Methane concentrations were generally reduced in the presence of surface crust samples, with the exception of a LECA-based (light expanded clay aggregates) crust from a pig slurry tank. In four samples, CH4 consumption was induced following a 2-4 days lag phase, whereas one cattle slurry crust consumed CH4 immediately and showed a 92% decline in CH4 concentration within the first week. Consumption of 13C-labeled CH4 was paralleled by the production of 13C-labeled CO2, thus providing direct evidence that microbial oxidation of CH4 to CO2 was taking place. Between 23% and 36% of the CH4-13C consumed in the active samples was accounted for in the gas phase CO2 indicating incomplete conversion of CH4 to CO2; however, comparable amounts of 13C was immobilized in the crust samples. Overall, the results showed that significant CH4 oxidation to CO2 in slurry crust samples occurs immediately or is inducible upon exposure to CH4.     

电荷调控下Ti3C2O2和V2CO2吸附CH4的第一性原理计算

本文采用第一性原理计算首先研究了Ti3C2O2和V2CO2与CH4气体分子之间的相互作用,发现Ti3C2O2和V2CO2对CH4的吸附较弱属于物理吸附,不适宜用作探测CH4。在此基础上研究了电荷调控下CH4气体分子与Ti3C2O2和V2CO2之间的相互作用。结果表明：随着体系电荷态的增加,Ti3C2O2和V2CO2对CH4气体分子的吸附作用逐渐增加变为化学吸附。当体系电荷态大于或等于-2时,CH4气体分子在Ti3C2O2和V2CO2表面可以被有效捕获。撤去电荷后,Ti3C2O2、V2CO2与CH4气体分子之间的吸附恢复至物理吸附,CH4气体分子易脱附。因此,通过调控Ti3C2O2和V2CO2的电荷态,可以简单地实现CH4的捕获与释放。Ti3C2O2和V2CO2有望成为CH4探测或捕获材料。     

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.