科研进展

Chemical Engineering Journal│最新研究:天然气水合物优势晶种繁殖生长模式

发表日期:2021-08-31来源:

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  天然气水合物是一种由水分子、气体分子,在适当温度、压力条件下形成的固态晶体化合物,外观似冰。全球范围天然气水合物中蕴藏碳量为传统化石燃料中的至少两倍,对能源、气候、环境变化的影响显著。然而,水合物形成过程控制机理至今尚未被清楚阐释。为此,在过去四十年内出现了近30种模型,从多种不同角度试图阐释水合物形成机理。由于模型众多,带入大量计算参数,反而大大增加形成反应的不确定性,使过程距离主控因素越来越远。  

  中国科学院西北生态环境资源研究院(简称西北研究院)冻土工程国家重点实验室水合物研究团队,对此问题进行了长期跟踪研究,提出是否可以忽略水合物具体生长过程,摆脱由大量模型引入的众多参数干扰,直接考察成核对最终生成的块状水合物晶体影响作用,最终提出初始成核速率可直接影响最终含气率的新水合物形成思路(图1)。在大量实验室实测结果基础上,建立了“水合物优势晶种繁殖生长”新生长模式(图2),并提出实验系统内部某些特殊结构(如具较低温度的拐角结构)是导致这些优势晶种出现的最佳位置(图3)。结论为工业应用中水合物堵塞位置准确预测、物理法清除管道中水合物堵塞等技术,提供具较高参考价值的理论基础。同时,为冰晶体成核与生长过程、冰晶体物理学、力学特性研究,提供一种新研究视角。  

  该成果于2021817日以 Superior seedlings propagating growth pattern of hydrates 为题在线发表于中国科学院一区Top期刊(IF=13.27,世界化学工程类143个期刊中排名第四)、欧洲化学学会期刊 Chemical Engineering Journal。西北研究院冻土工程国家重点实验室张鹏副研究员为文章第一作者,吴青柏研究员为文章通讯作者。  

  该研究获国家重点研发计划(深海关键技术与装备专项)课题三(2017YFC0307303)、国家自然科学基金面上、青年项目(4157107241601079 41661103)等联合资助。

  链接

1 甲烷水合物晶体结构在不同体系中成核与生长过程示意图 

2 水合物晶体在1 wt.% SDS溶液中成核与生长过程 

3 水合物晶体在去离子水、1 wt.% SDS0.5 wt.%黏土颗粒、1 wt.%硅胶粉颗粒混合物中成核与生长过程 

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