57 / 2023-07-04 18:40:37

二氧化硅受限狭缝中甲烷水合物分解及二次生成

天然气水合物,沉积物,分子动力学模拟,分解,二次形成

       从含水合物的沉积物中回收天然气体具有满足未来能源需求的巨大前景，但在水合物开采实现完全地商业化之前，水合物分解及二次形成造成的地质危害、环境问题、管道堵塞和记忆效应仍有待解决。此外，水合物分解过程中残留水合物结构和溶解气体的演变及其在水合物二次生成过程中的作用仍不明确。因此，揭示海底沉积物中天然气水合物的分解及二次生成规律对推动天然气水合物商业化开采至关重要。目前的水合物模拟研究大多停留在水合物分解上，很少考虑多孔介质中不同分解时长下水合物的二次生成问题，而这个过程与水合物“记忆效应”现象又密切相关。此外，多孔介质中水合物分解后的残余结构、纳米气泡随分解时间的演化过程以及它们在水合物二次生成中所发挥的作用也有待探究。

       在本工作中，通过分子动力学模拟研究了甲烷水合物在二氧化硅狭缝和主体水相中的分解过程和二次形成机制。我们的结果表明，在温度升高时，二氧化硅孔隙中的水合物以晶核收缩的方式由外向内逐层分解。此外，由于亲水性二氧化硅表面被证明有利于界面水分子有序结构的形成和稳定存在，因此，与主体水相相比，在二氧化硅纳米缝隙内存在更多的由水合物分解所产生的残余水分子环状结构。在水合物二次生成过程中，发现完整的笼型结构或半笼型结构有利于水合物的二次形成，而与均相甲烷-水过饱和溶液体系相比，长时间分解所产生的较大纳米气泡将不利于触发记忆效应，会延长水合物二次生成的诱导时间。此外，水合物二次生成轨迹由溶液中溶解的甲烷气体浓度和水分子的扩散速率所决定。对于非限制性主体水相体系，水合物笼优先在富含溶解甲烷气的致密溶液中形成。在二氧化硅狭缝内，由于溶解气的高浓度和水分子的适当扩散限制，纳米狭缝的入口处通常是水合物二次生成的最佳位置。此外，与主体水相相比，在二氧化硅纳米狭缝中触发水合物二次成核所需要的溶解甲烷气浓度要更低一些，更利于水合物二次生成。这些发现有利于在分子尺度上更好地理解水合物的分解和二次生成动力学，并为海洋沉积物中水合物的有效开发提供指导。