水合物形成促进剂研究进展

添加促进剂是高效制备水合物的研究热点,促进剂及其添加量对水合物生成效果至关重要。本文主要从热力学促进剂和动力学促进剂两大类型进行分析：总结了可溶水相热力学促进剂和不可溶水相热力学促进剂的浓度对水合物形成相平衡的影响;从表面活性剂、纳米粒子和相变材料等添加剂,阐述了动力学促进剂添加量对水合物生成诱导时间、储气量和生成速率等方面的影响。促进剂都存在最佳浓度的添加量,并且不同类型促进剂复配更有利于水合物生成。目前添加促进剂后水合物形成机理的研究大多从宏观现象推测,部分学者通过拉曼光谱、X射线衍射和显微观察探索分析促进剂对水合物形成的微观影响,这方面研究有待于进一步开展。添加量作为水合物形成促进剂的重要指标,研究者应得到水合物形成促进剂的最佳浓度与所研究对象的关联性。     

促进剂体系中二氧化碳水合物常压分解

目前,水合物法捕获二氧化碳时,都会添加不同的形成促进剂。而这些促进剂对后期二氧化碳水合物运输条件、封存条件的影响还未可知,因此本文对比研究了纯冰粉体系、单一促进剂体系和复配体系中CO₂水合物的稳定性,促进剂分别选用0.24g/L十二烷基酸钠（SDS）、0.288g/L四丁基溴化铵（TBAB）、5g/L纳米石墨（GN）及0.33g/L NaCl 4种促进剂。在常压、274.65K条件下利用定压分解方法研究不同体系中CO₂水合物的分解动力学特性。结果表明：单一促进剂体系中CO₂水合物的稳定性由强到弱的顺序为SDS>TBAB>GN≈纯冰粉>NaCl,并且SDS能够延长CO₂水合物分解时间,其平均分解速率相对于纯冰粉体系分别减少了29.6%、15.8%及18.5% 。在复配促进剂体系中TBAB+NaCl中水合物稳定性最强,TBAB占主导作用,NaCl＋GN中水合物稳定性最弱,NaCl占主导作用。此外文章还分析了促进剂体系中CO₂水合物稳定性提高的作用机理,主要与促进剂本身的性质有关。     

添加剂对二氧化碳水合物生成特性的影响

二氧化碳气体是产生温室效应的主要原因,使用水合物法固定二氧化碳于海底有助于减少大气中的二氧化碳气体,减少温室效应,而且对环境不会造成污染,是目前国际上比较热门的研究课题。因此,二氧化碳水合物的生成特性、物理性质以及如何降低其相平衡点和加快生成速率是本课题应当研究的重点。通过试验研究了不同浓度下十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)以及SDS和SDBS复合添加对二氧化碳水合物相平衡点的影响。试验表明:在不同温度下,不同类型不同浓度的溶液下二氧化碳水合物的相平衡点是不同的,即使是同种类型溶液,其最适宜浓度也随温度有所变化。基于试验结果,简单分析了二氧化碳水合物的生成特性,总结了研究二氧化碳水合物特性的一些试验方法。     

二氧化碳水合物动力学促进剂研究进展

利用水合物法捕获二氧化碳是当今世界的研究热点,但其应用受到了水合物的生成条件苛刻、生成速率缓慢等问题的限制,故需要利用特定促进剂来改善水合物法分离气体的性能。本文从动力学促进剂对二氧化碳水合物生成的影响效果和促进机理两个方面的研究进展进行了分析和介绍：在影响效果方面,主要阐述了不同类型动力学促进剂对水合物生成产生不同的影响以及在高浓度时对水合物生成产生的抑制作用,并分别分析了其原因;在促进机理方面,总结了国内外各学者的研究成果,并指出现有各种关于动力学促进剂促进机理的理论存在的不足。此外,还提出了未来关于二氧化碳水合物动力学促进剂的发展方向：一是着重研究动力学促进剂对水合物生成促进效果与其含有基团的关系;二是目前关于动力学促进剂促进水合物生成机理还没有统一定论,这可能是由于目前的研究主要集中在促进剂对水合物外部形态的改变而未探讨促进剂对水合物内部结构的改变,因此促进剂对水合物内部结构的改变上需进一步研究。     

二氧化碳水合物稳定储存的影响因素研究进展

CO₂置换开采天然气水合物以及水合物法气体储运技术是当前科学家们研究的热点,而水合物的稳定性对其长时间储存和长距离运输至关重要。因此必须提高二氧化碳水合物储存能力和寻求水合物高效稳定的储存条件,然而科学家们发现一些促进剂可以使水合物在温和的条件下长时间存储。本文从“自保护”效应的3种机制、温度、压力以及粒径、促进剂和水合物形态这些因素分析了其对二氧化碳水合物稳定性的影响,证明气体水合物普遍在260~270K和0.1~0.4MPa的条件下稳定性较好,并且同种促进剂在冰点上下对水合物稳定性的影响不同,最后指出了水合物稳定性方面今后的研究方向。     

甲烷-四氢呋喃-水体系水合物生成动力学的实验和模型化研究

研究了透明鼓泡塔中含促进剂四氢呋喃（THF）体系中甲烷水合物的生成动力学.分别考察了进气速率、温度、压力、水合物体积分数对甲烷消耗速率的影响.根据Chen-Guo水合物生成机理,采用基础水合物生成反应的量纲1 Gibbs自由焓变-ΔG/RT作为反应的推动力,建立了水合物生成动力学模型,模型中考虑了体系温度、压力和气液接触比表面积的影响.把模型应用于甲烷气体消耗速率的计算,其模型预算结果与实验数据吻合良好,实验结果和反应动力学模型将有助于工业水合反应器的设计和操作条件的设定.     

气体水合物生成微观机理及分析方法研究进展

水合物技术在能源和气候领域有着广阔的应用前景,有望成为应对能源挑战和气候变化的关键技术。但目前该技术存在着水合物生成速率慢、气体消耗量低的缺点,限制了水合物技术的工业化发展。从微观机理的角度,梳理和总结了关于气体水合物生成机制的理论观点,简述了驱动力和气体溶解度在水合物成核过程中的影响,介绍了表面活性剂和纳米粒子对水合物形成的影响机理以及常用的微观分析技术。分析发现,气体水合物的形成机制时至今日仍未有统一定论,对于促进剂作用机理的研究也不够充分,现有的微观分析手段难以捕捉水合物形成过程中的分子行为。这些问题限制了水合物技术向更快、更高效方面发展。探究水合物技术的相关机理,了解各类影响因素的作用原理,探索新的分析手段,将有助于突破水合物技术的瓶颈,为寻找更佳性能的促进剂、更高效地合成水合物探明道路。     

气体水合物生成微观机理及分析方法研究进展

水合物技术在能源和气候领域有着广阔的应用前景,有望成为应对能源挑战和气候变化的关键技术。但目前该技术存在着水合物生成速率慢、气体消耗量低的缺点,限制了水合物技术的工业化发展。从微观机理的角度,梳理和总结了关于气体水合物生成机制的理论观点,简述了驱动力和气体溶解度在水合物成核过程中的影响,介绍了表面活性剂和纳米粒子对水合物形成的影响机理以及常用的微观分析技术。分析发现,气体水合物的形成机制时至今日仍未有统一定论,对于促进剂作用机理的研究也不够充分,现有的微观分析手段难以捕捉水合物形成过程中的分子行为。这些问题限制了水合物技术向更快、更高效方面发展。探究水合物技术的相关机理,了解各类影响因素的作用原理,探索新的分析手段,将有助于突破水合物技术的瓶颈,为寻找更佳性能的促进剂、更高效地合成水合物探明道路。     

动力学水合物促进剂研究进展

动力学水合物促进剂是实现水合物法(NGH)储运天然气技术大规模工业化应用的关键。首先简单介绍了NGH技术与其它常规储气相比时的技术特点和优势,其次从表面活性剂类、氨基酸类、淀粉和聚合物类和纳米流体类等系统调研了动力学水合物促进剂的最新研究进展,最后分析认为氨基酸类促进剂的促进机理及纳米流体颗粒对水合物生成动力学的影响等方面应为日后该领域的研究重点。     

基于化学亲和力模型的水合物生成动力学

水合物生成促进及动力学模型是水合物利用技术的关键问题。本文回顾了水合物生成促进技术的发展，实验研究了氧化石墨烯（GO）与十二烷基硫酸钠（SDS）复配促进剂体系下CO₂水合物的生成动力学，揭示了不同浓度对水合物生成时间、耗气的影响规律。研究结果表明，在GO与SDS复配体系下，CO₂水合物生成速度加快，诱导时间和生成时间缩短，耗气量增大。得出最佳复配浓度为0.005%GO+0.2%SDS，与纯水和单一0.005%GO体系相比，水合物的生成时间分别缩短69.7%和12.2%，耗气量提高11.24%和3.2%。建立了该体系下CO₂水合物生成化学亲和力模型，并从模型角度研究了GO与SDS复配比例、温度和压力对化学亲和力模型参数的影响。利用Matlab对模型编程计算并与实验结果进行了对比分析，吻合很好。通过研究认为，化学亲和力模型可准确预测复配体系水合物的生成。     

含环戊烷体系中二氧化碳水合物形成分解热特性

水合物法分离捕集二氧化碳（CO₂）是实现碳减排的重要技术。然而，受制于气体水合物形成分解微观机理的不明确，水合物形成速度慢及气体消耗量低两个关键问题还未得到解决，气体水合物CO₂分离捕集技术还未得到商业应用。为了揭示气体水合物形成微观机理，本研究利用激光Raman光谱仪对不同实验条件下生成的CO₂水合物进行测试，详细分析了生成的气体水合物的Raman峰，利用低温高压差式扫描量热仪（DSC）对含环戊烷（CP）体系中CO₂水合物形成分解进行热表征。研究发现，恒容条件下，初始压力为2.5MPa时，气体消耗量为0.0187 mol/mol，CO₂的Raman峰出现在1276.3 cm^-1和1379.6 cm^-1；初始压力为5.0MPa时，气体消耗量为0.744mol/mol，CO₂的Raman峰出现在1276.1 cm^-1和1379.6 cm^-1。CO₂水合物形成分解热结果表明，一方面，随着操作温度、压力条件的变化，形成水合物的种类与结构发生改变；另一方面，对于相同初始体系，最终形成的水合物不是单一的，而是多种水合物共存。此研究结果为进一步理清气体水合物形成微观机理提供了理论基础和重要的科学依据。     

纳米粒子对CO2水合物导热性能的影响

试验研究了不同种类（Al₂O₃、Cu、SiO₂）、不同质量分数（0.05%、0.1%、0.15%）及不同粒径（10、30、50 nm）的纳米粒子对CO₂水合物热导率的影响。结果表明温度为-5~5℃时,纯CO₂水合物热导率为0.553~0.5861 W·m^-1·K^-1,具有玻璃体的变化特性。分散剂SDBS的加入,可改善CO₂水合物-纳米粒子体系的导热性能。在相同的质量分数和粒径下,纳米Cu粒子对CO₂水合物热导率的增强作用最好,但综合考虑水合物生成特性和溶液悬浮稳定性,选用纳米Al₂O₃粒子较合适。Al₂O₃粒子粒径越小,水合物热导率越大,15 nm比50 nm纳米粒子体系中CO₂水合物热导率的增长率平均提高了12.7%。此外,CO₂水合物热导率随Al₂O₃粒子质量分数的增大而增大,质量分数由0.05%增加到0.15%时,水合物热导率的增长率由4.2%提高到8.2%。     

水合物法分离二氧化碳的研究现状

介绍了利用水合物法从火力发电厂排放的烟气和从整体煤气化联合循环发电系统（IGCC）合成气中分离二氧化碳（CO₂）的研究及发展现状,包括水合物形成促进剂和添加剂的选择,水合物分离捕集工艺以及成本核算。TBAB和THF在研究中证明能有效地提高水合物形成速度、降低反应压力、提高CO₂的分离捕集效率。在此基础上,提出了不同的分离捕集工艺,这些工艺都是以水合物法分离为主,结合化学吸附法或者膜分离法而展开。通过与传统的化学吸附法的成本核算做比较,发现水合物法分离捕集每吨CO₂的成本约为USD 26,比化学吸附法要便宜约31%,并且随着水合物法研究的进一步深入,水合物法分离捕集CO₂的成本还可能进一步降低,显示了未来的工业应用中有光明的前景。     

撞击流式反应器内水合物法分离沼气中CO2研究

实验考察了撞击流式反应釜内水合物法分离沼气中CO₂的特性。选取纯水和十二烷基硫酸钠（SDS）两个不同的体系，考察了水合物生成过程中压力、温度、撞击强度的影响。实验结果表明在纯水体系和SDS体系下压力的升高均有利于水合物的快速生成，但并不利于沼气中的二氧化碳捕集；实验通过改变撞击流式反应器的撞击强度发现，当撞击强度为0.128时，CO₂分离因子(S.F.)在纯水和SDS两种体系下均达到最大，纯水体系下S.F.的最大值为138.9，SDS体系下S.F.的最大值为64.5；实验结果表明添加剂SDS可以促进水合物的生成，最适宜的浓度为600 mg/L，此时耗气量、CO₂水合率S.Fr.(CO₂)和CH₄水合率S.Fr.(CH₄)达到最大，但SDS对CH₄水合物生成过程的促进作用大于CO₂水合物，反而不利于CO₂的分离，降低CO₂的分离因子。     

Investigation of the hydrate formation process in fine sediments by a binary CO2/N2 gas mixture

To obtain the fundamental data of CO₂/N₂ gas mixture hydrate formation kinetics and CO₂ separation and sequestration mechanisms, the gas hydrate formation process by a binary CO₂/N₂ gas mixture (50:50) in fine sediments (150-250 μm) was investigated in a semibatch vessel at variable temperatures(273, 275, and 277 K)and pressures (5.8-7.8 MPa). During the gas hydrate reaction process, the changes in the gaseous phase composition were determined by gas chromatography. The results indicate that the gas hydrate formation process of the binary CO₂/N₂ gas mixture in fine sediments can be reduced to two stages. Firstly, the dissolved gas containing a large amount of CO₂ formed gas hydrates, and then gaseous N₂ participated in the gas hydrate formation. In the second stage, all the dissolved gas was consumed. Thus, both gaseous CO₂ and N₂ diffused into sediment. The first stage in different experiments lasted for 5-15 h, and >60% of the gas was consumed in this period. The gas consumption rate was greater in the first stage than in the second stage. After the completion of gas hydrate formation, the CO₂ content in the gas hydrate was more than that in the gas phase. This indicates that CO₂ formed hydrate easily than N₂ in the binary mixture. Higher operating pressures and lower temperatures increased the gas consumption rate of the binary gas mixture in gas hydrate formation.     

凹凸棒石体系下CO2水合物生成动力学实验

油气生产、储运及CO₂管道输送的过程中易生成CO₂水合物,添加抑制剂是预防CO₂水合物生成的有效手段。为解决CO₂水合物堵塞问题,本文采用超声波处理后的凹凸棒石作为抑制剂,利用可视化高压反应釜实验装置,在初始条件3 MPa和2℃下,研究了添加浓度为0、0.05mg/mL、0.30mg/mL、0.50mg/mL、0.75mg/mL、1.00mg/mL和1.50 mg/mL的凹凸棒石对CO₂水合物生成动力学的影响。用压力变化法测定了水合物生成诱导时间,用动力学模型计算了水合物生成量,并分析了凹凸棒石影响CO₂水合物生成的微观机理。实验结果表明凹凸棒石能延长CO₂水合物生成诱导时间,浓度为0.75mg/mL时作用效果最佳,较纯水体系CO₂水合物生成诱导时间延长了200%;凹凸棒石能减少CO₂水合物的生成量,浓度为1.5mg/mL时作用效果最佳,与纯水体系相比减少了12.8%。凹凸棒石抑制水合物生成的微观机理主要是由于其独特的选择吸附性以及对传质传热的阻碍。研究表明以凹凸棒石作为CO₂水合物抑制剂效果良好,能有效延长其诱导时间,兼具经济性和环境友好的特点。     

CO2水合物在管道中的生成及堵塞特性

为明确CO₂水合物在管道中的流动及堵塞特性,通过高压可视水合物环路研究了不同持液量下的水合物生成及堵塞特性,研究结果表明：水合物生成诱导时间随着持液量的增大出现非线性变化,呈V形,先减小后增大;管道持液量越大,水合物生成量越少,水合物发生堵塞时的临界体积分数降低,如在持液率86.6%下,堵塞时水合物体积分数为4.32%,持液率为66.7%时,堵塞时水合物体积分数为7.45%。通过可视管路发现当CO₂水合物大量生成后,管道中压降将突然增大,颗粒之间快速聚集生长,流速迅速降低,CO₂水合物快速充满管道使管道发生堵塞,水合物颗粒不断生长及在聚集层处的聚集导致流动阻力的增加是其产生堵塞的根本原因。研究结果可为CO₂水合物浆液流动保障提供技术支撑。