氣體水合物是一種由水分子(主體)和氣體分子(如甲烷、乙烷、二氧化碳等客體)組成的籠形晶體化合物,廣泛存在於大陸邊緣的海底和永久凍土地帶,是一種潛在的能源。當它在海底油氣管道中形成,則會堵塞管道、影響生產,因此研究其形成機制有助於在天然氣水合物開採過程中,為避免二次水合物形成從而保障海底油氣管道的安全輸運提供基礎理論支撐。
前人研究表明,在相同的溫壓條件下(氣體水合物和冰的穩定區),氣體水合物比冰更容易形成,而且不同氣體分子對水合物結構的穩定性有顯著影響。因此,不同氣體分子在水合物形成過程中的作用值得深入研究。
中國科學院地質與地球物理研究所油氣資源研究重點實驗室博士後張正財與加拿大卡爾加裡大學教授Peter G. Kusalik和中科院地球與行星物理重點實驗室研究員郭光軍合作,利用分子動力學模擬對7種氣體水溶液的性質及其與水合物臨界成核的關係進行了研究。模擬結果顯示:隨著溶液濃度的增大,氣體分子水合殼(圖1)變得越來越有序,系統總熵也隨之降低,這些變化使得氣體水溶液升高自由能,有利於擇機跨越能壘而觸發水合物成核結晶(圖2)。更為重要的是:在相同的溫壓條件下,溶解於水中的不同氣體分子具有共同的臨界自擴散係數(圖3),只要低於這個臨界值,水合物就會迅速形成。
該研究通過氣體分子自擴散係數,將溶液性質與水合物成核聯繫了起來,為水合物成核研究的實驗、模擬工作提供了一個合適的觀測量和新的研究思路。
研究成果以快訊形式發表於Physical Chemistry Chemical Physics。
論文信息:Zhang Z C, Kusalik P G, Guo G J. Bridging solution properties to gas hydrate nucleation through guest dynamics[J]. Physical Chemistry Chemical Physics, 2018, 20(38):24535-24538)
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圖1 甲烷水合殼的結構。紅色為氧原子,白色為氫原子,灰色棍為氫鍵
圖2 隨著溶液中氣體分子濃度(xg)的增大,體系總熵降低,自由能增加,氣體分子的擴散係數趨近於一個臨界值
圖3 溶液中氣體分子的擴散係數隨溶液中氣體分子濃度變化而變化。綠色虛線箭頭是不同氣體分子形成水合物的臨界濃度,綠色實線是臨界擴散係數