水合物利用技术应用进展

过去的几十年中,对于水合物的研究不单单集中在抑制天然气水合物的生成上,基于水合物的生成利用技术也得到了广泛的研究。基于水合物的生成利用技术是环保和可持续的新技术,利用不同气体生成水合物相平衡条件的差异,可用于气体分离、置换开采。由于水合物具有较高的气体浓度,可用于气体的存储。利用水合物较高的化解潜热,可将其用于蓄冷。本文综述了国内外水合物技术的研究应用现状,分析了水合物技术在气体分离与存储、溶液浓缩分离、蓄冷、二氧化碳（CO₂）置换开采等领域有前景的研究方向。但是其水合反应速率慢、生成压力高、后期分离困难,极大地限制了水合物利用技术的工业应用。展望了水合物技术未来的研究发展方向,开发安全、高效和环保的水合物促进剂,开发高效水合物反应设备,开发连续水合物工艺,以便早日实现工业应用。     

Research progress in hydrate-based technologies and processes in China: A review

Natural gas hydrate (NGH) is considered as an alternative energy resource in the future as it is proven to contain about 2 times carbon resources of those contained in the fossil energy on Earth. Gas hydrate technology is a new technology which can be extensively used in methane production from NGH, gas separation and purification, gas transportation, sea-water desalination, pipeline safety and phase change energy storage, etc. Since the 1980s, the gas hydrate technology has become a research hotspot worldwide because of its relatively economic and environmental friendly characteristics. China is a big energy consuming country with coal as a dominant energy. With the development of the society, energy shortage and environmental pollution are becoming great obstacles to the progress of the country. Therefore, in order to ensure the sustainable development of the society, it is of great significance to develop and utilize NGH and vigorously develop the gas hydrate technology. In this paper, the research advances in hydrate-based processes in China are comprehensively reviewed from different aspects, mainly including gas separation and purification, hydrate formation inhibition, sea-water desalination and methane exploitation from NGH by CH₄-CO₂ replacement. We are trying to show the relevant research in China, and at the same time, summarize the characteristics of the research and put forward the corresponding problems in a technical way.     

太阳能在海水淡化产业中的应用与研究进展

太阳能蒸馏技术与太阳能反渗透技术是太阳能在海水淡化产业中主要的应用形式.从本质上讲,前者是利用太阳能的光热转换,而后者是利用太阳能的光电转换.文章从上述两个方面出发,综述了近几个世纪以来太阳能在海水淡化产业中的应用与研究进展,并对该产业下一步的发展进行了初步展望.     

水合物溶液分离技术研究进展

水合物法溶液分离是一种新兴的分离技术。本文概述了水合物溶液分离技术的基本原理,指出水合物溶液分离技术的优缺点。重点回顾了水合物溶液分离技术在海水淡化、废水处理、果汁浓缩、生化分离等过程中的研究进展：尽管水合物海水淡化已经有工业化的报道,但是水合物生成压力较高,分离过程能耗较大,阻碍了该技术的推广应用;水合物法废水处理仅局限于制浆废水回收方面;水合物果汁浓缩以及生化分离方面的研究表明水合物法对于高附加值产品分离十分有效。分析表明,水合物溶液分离技术在上述应用过程中存在水合物生成压力大、水合物结晶夹带浓缩液等问题,指出未来水合物溶液分离技术的研究方向为寻找更加有效的水合物生成气体以及在高附加值产品分离回收过程中的应用。     

Kinetic investigation of CO2 and N2 clathrate hydrate formation using cyclopentane: Application in desalination

Hydrate-based desalination could be a promising technique for producing fresh water from saline water, as it is an eco-friendly process and suitable for large-scale implementation. To make the hydrate-based desalination technology easily scalable, we looked at using air (or N₂) or CO₂ as a hydrate former, along with cyclopentane (CP). Hydrate former CP helps to reduce the operating conditions, as CP forms hydrate at ambient pressure. However, hydrate formation kinetics due to water-insoluble CP is slow. In this work, the kinetics of hydrate formation in saline water were investigated and compared to identify the utility of CO₂ and N₂ as hydrate formers for desalination work. The addition of CP as a hydrate former should transform the structure of CO₂ hydrate from structure I (sI) to structure II (sII), as CP occupies the large cages (5¹²6⁴) in the gas hydrate. A set of three similar reactors were used for this study to collect data quickly. Furthermore, the triple reactor setup is a unique reactor design mounted on a shaker, and a set of SS-316 balls present inside the horizontal reactor imparts the mixing. Experiments with the CO₂-CP mixture and N₂-CP mixture have been studied in the presence or absence of 3 wt.% NaCl at 274 K and 3 MPa pressure. The gas uptake kinetics, water recovery, and separation efficiency have been investigated.     

气体水合物生成过程强化方法研究现状

气体水合物因其特殊的物理化学特性,已被气体分离、二氧化碳捕集与封存、海水淡化、气体储运等诸多领域学者广泛研究。但气体水合物生成条件较为苛刻、生成速率及储气能力较商业化应用还有较大差距。本工作从气体水合物生成条件、生成速率、储气能力等角度,分别综述了机械强化、外场作用、添加剂等强化方法对气体水合物生成过程的强化原理、技术特征及其研究现状;综合比较分析了各种强化方法的优势及存在的问题;展望了各强化方法的未来发展方向及其适用领域;特别是针对气体水合物法海水淡化的技术特征和关键问题,提出以外电场强化气体水合物法海水淡化过程的新思路。     

Technical and economical aspects of solar desalination with particular emphasis on solar pond powered distillation plants

Desalination remains an important and interesting application for the use of solar radiation as a source of undepletable energy. After almost a decade of research and development including the installation and testing of various smaller pilot systems, our solar desalination technology - among others - is now becoming available on a commercial level.The paper discusses the evolution of the technology both of the desalination and the collector-subsystems as a result of the technical and economical constraints associated with the utilization of solar energy, a highly fluctuating energy source of low surface density.Performance data is presented in particular for the coupling of a selfregulating MSF unit with a solar pond energy collection and storage system, both inhouse developments.The performance and layout data was obtained both from computer simulation and experimental results with a small sized solar pond and desalination subsystem in Switzerland. The economy assessment, which is presented for Middle East climate conditions, clearly demonstrates that solar desalination already becomes competitive for medium sized installation at remote locations. Potential further cost reductions also through upscaling may lead to the use of desalinated water for agricultural applications one day.     

笼型水合物为能源化工带来新机遇

笼型水合物是利用水分子通过氢键作用构建的笼型结构对甲烷等能源气体进行存储和提取,具有高安全性、高储存容量、温和储存条件、环境友好等优点。天然气水合物是传统能源和绿色能源之间的桥梁燃料,已成为世界各国科学家竞相研究开发的热点。本文综述了笼型水合物在能源与环境、流动安全、工程应用三个方面的研究成果,涵盖了固化天然气（SNG）、CO₂捕获和气体分离、蓄冷、海水淡化、汽车燃料以及制氢与储氢等能量转换、能量储存的领域。文章指出大力发展笼型水合物衍生技术,实现提取甲烷同时捕获二氧化碳,有助于实现碳中和的目标。阐述了笼型水合物生成依赖于其自身的热力学相平衡条件、反应过程的动力学性质及传递过程强化,从生成到分解的过程主要包括溶解、成核、生长、晶裂和解吸等一系列步骤,过程的微观机理复杂。展望了利用多尺度方法研究水合物生成的微观结构、界面现象、宏观应用和作用机理,有助于扩展化学工程的原理和知识,对开发能源化工领域新材料新工艺也有裨益,从而促进能源化工的发展。     

海岛地区海水淡化的开发和应用

海水淡化技术是解决海岛普遍存在的淡水资源短缺问题的重要手段。该文介绍了传统海水淡化技术和可再生能源海水淡化技术在我国海岛上的应用情况;以5 m^3/d海岛海水淡化装置作为应用实例进行了分析研究;研究了海岛海水淡化的工艺选择和可再生能源的不稳定性问题;概括了海岛海水淡化的发展趋势;最后提出了海岛海水淡化发展过程中存在的问题及对策建议。     

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。     

Current challenges in hydrate-based desalination: Kinetic and thermodynamic perspective

Water scarcity is becoming a severe problem worldwide due to inadequate freshwater resources and swift population growth. Seawater desalination is one of the vital approaches to meet the demand for freshwater. However, energy and associated costs with conventional seawater desalination techniques are incentivizing non-conventional water desalination processes. Water desalination using gas hydrates formation is one of the emerging non-conventional processes. In this perspective article, recent advances in hydrate-based seawater desalination (HBSD) have been critically analyzed to outline a future path towards a clean and efficient hydrate-based desalination process. It provides a detailed comparison of various processes developed over decades, and measured desalination efficiencies with their process details. Moreover, the current challenges, limitations, and future perspectives of hydrate-based desalination are also discussed. The study also recapitulates the thermodynamics and kinetics aspects of the hydrate-based desalination process. In addition, various factors controlling the desalination efficiencies, such as control of the separation of hydrate crystals, salt deposition on hydrate particles, and hydrate morphology, were thoroughly investigated with their proposed process designs. The kinetics of hydrate formation is also assessed, with the possibility of a zero-induction regime and its consequent impact on hydrate morphology. The current capabilities of the thermodynamics models (Gibbs energy minimization + electrolyte equation of state) were discussed using various commercially available software. Additionally, the role of hydrate promotors is also discussed, which can reduce the higher cost associated with the hydrate-based desalination process.     

海洋能海水淡化研究进展

海洋能海水淡化作为一种重要的可再生能源海水淡化技术,具有非常广阔的应用前景.本文介绍了海洋能海水淡化技术的主要种类及其国内外研究情况;通过比较各种海洋能海水淡化的特点,分析了该技术难以商业化的原因;并为海洋能海水淡化的研究及其发展方向提出相关建议.     

反渗透海水淡化技术研究进展

反渗透海水淡化技术以其特有的优点得到了越来越广泛的应用,近几十年来我国对该技术的研究取得了较大发展。该文综述了反渗透海水淡化技术的发展过程及应用状况,重点介绍了反渗透膜、预处理技术、能量回收技术、反渗透系统优化设计等方面的技术进步及存在的问题,根据该技术研究及应用现状,提出了我国反渗透海水淡化技术未来发展的看法。     

页岩气废水处理技术研究进展

页岩气作为经济价值巨大、资源前景广阔的替代性能源,在近20年来发展迅速,其生产过程中产生页岩气废水的处理受到了广泛关注。页岩气废水水质复杂,通常具有高浓度总溶解固体和有机化合物复杂且含量高的特点,尤其是高浓度总溶解固体对处理技术提出了挑战。在介绍页岩气废水水质特点和处理方式的基础上,本文对近年来出现的页岩气废水处理技术进行总结,包括预处理技术、有机物处理技术和脱盐技术;指出页岩气废水处理的关键在于脱盐,重点论述了热技术和膜技术在页岩气废水脱盐方面的应用,展望了膜技术潜在的利用价值;提出了页岩气废水处理的技术组合。研究特征有机污染物的降解、驯化耐盐菌或接种嗜盐菌、降低热技术的成本、增强膜的抗污染性、开发强化的膜技术,是页岩气废水处理的研究方向。     

水合物法提纯沼气技术研究进展

沼气是一种重要的可再生能源,对沼气进行充分高值利用对于缓解我国能源需求和环境压力具有重要意义。沼气在高值利用前必须进行脱碳提纯处理,本文介绍了一种可用于沼气提纯的新技术--水合物分离技术。介绍了水合物分离技术的基本理论,调研总结了水合物法提纯沼气和可用于沼气体系（CH₄/CO₂）的水合物分离技术研究进展,包括相平衡研究、热力学促进剂、动力学促进剂、机械强化、外场强化、添加多孔介质/纳米流体等和采用油/水乳液促进技术,并对各种水合物分离促进技术进行了分析：相平衡研究为水合物法提纯沼气提供了理论基础;合理地选用热力学和动力学促进剂能够有效改善气体水合物相平衡条件,促进水合物生成,增加储气效果和提高分离效率;机械强化及外场作用通过强化水合反应过程的传质传热效果促进水合物生成;添加多孔介质和纳米流体等能够增大气液接触面积,对水合过程发挥促进作用;采用油/水乳液不但能够强化气液接触,而且微乳状态下的水合物具有很好的流动性,具有良好工业应用前景。最后对水合物法提纯沼气技术进行了展望,水合物提纯沼气研究虽处在起步阶段,但随着研究的不断深入,该技术凭借操作条件温和,对原料气要求低,并且具有操作简单灵活、安全性高、环保无污染等优点,必将在我国沼气产业发展过程中发挥作用。     

海水淡化装置的船上应用及发展

总结了船用海水淡化装置的几种主要类型及其发展动向,概述了几种蒸馏式和电渗析船用海水淡化装置的工作原理和性能特点。对船用反渗透海水淡化装置的工艺进行了较详细的介绍和分析,并指出了其在船舶上广阔的应用前景。     

水合物形态学研究进展

水合物技术在气体分离、气体储存、海水淡化、蓄冷等领域有巨大的应用潜力。研究水合物的生长方式和形态特征在提高水合物储气量、降低水合物开采风险和防止水合物管道堵塞等方面有重要意义。本文从分子尺度的水合物晶格结构、毫米尺度的水合物晶体形态学和厘米尺度的水合物宏观生长形态学三个方面系统回顾了水合物形态学研究进展：总结了不同客体分子生成的不同类型水合物的不同晶格结构;从笼型水合物和半笼型水合物两个方面,阐述了过冷度、液相组成对水合物晶体形态学的影响;从金属表面传热、相界面传质、晶核加入以及促进剂的使用四个方面,介绍了水合物生长形态学的生长方式及其机理。本文总结了形态学研究对水合物技术工业化应用的积极作用并为水合物形态学研究的进一步发展提供参考。     

笼形水合物及水合物技术现状及展望

简要介绍了笼形水合物概念及水合物研究史。阐述了水合物的3种晶体结构以及客体分子对晶体结构的影响，讨论了密度、热导率等物性，评述了水合物生成条件和生成机理方面的研究成果。着重介绍了水合物技术在水溶液浓缩和海水淡化、气体混合物分离、气体储运、近临界和超临界萃取、生物蛋白酶提取等主要领域中的应用状况。     

膜蒸馏技术研究及应用进展

膜蒸馏作为一种新型分离技术,具有操作温度低、设备简单、脱盐率高等特点,在海水淡化、苦咸水脱盐、果汁浓缩等过程具有良好的应用前景。本文简述了膜蒸馏的工作原理、特点和膜材料的制备方法,指出当前膜材料的研究方向。综述了直接接触式、气隙式、真空式和气扫式4种基本膜蒸馏形式和几种改进的膜蒸馏形式的传热传质原理、研究现状和发展方向。重点介绍了可再生能源以及工业低温余热驱动膜蒸馏的技术特点、研究现状和应用,包括太阳能光伏/光热驱动膜蒸馏技术、太阳能热泵耦合驱动膜蒸馏技术、太阳池膜蒸馏技术、地热能梯级利用驱动膜蒸馏技术和低温余热驱动膜蒸馏技术等,并指出其发展方向。最后,探讨了膜蒸馏技术亟待研究和解决的问题,为该技术的进一步发展提供参考。