【摘要】：自然界富藏著的天然氣水合物是一種清潔能源資源,而由此衍生出來的水合技術(shù)在氣體分離、儲存、海水淡化等方面得到應(yīng)用,因此水合技術(shù)的基礎(chǔ)研究備受關(guān)注。自然界中天然氣水合物生成分解環(huán)境中含有大量的砂質(zhì)、粘土等介質(zhì),因此水合物的成核生長均會受到這些介質(zhì)的影響,但介質(zhì)對水合物成核生長的影響機制尚未有統(tǒng)一認(rèn)識,研究介質(zhì)表面對水合物成核生長的影響機制有利于水合技術(shù)應(yīng)用;水合過程主要是主體水分子與客體氣體分子形成的晶體物質(zhì),電場可影響極性水分子的動力學(xué)行為,電場的存在會影響水合過程,因此本文將從分子水平上觀測氣體水合物生成分解過程軌跡,分析表面或電場的存在對其水合過程的影響,為水合技術(shù)的應(yīng)用提供一定的數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。論文以二氧化硅表面以及含3.5 wt%NaCl水溶液模擬水合物成核生成的海洋環(huán)境,選用甲烷、二氧化碳、以及甲烷/二氧化碳混合氣作為三種客體,同時改變表面和液氣相大小,在250 K和50 MPa下利用分子模擬方法研究了二氧化硅表面氣體水合物成核生成過程,模擬結(jié)果表明二氧化硅表面的存在降低了氣體在水中的溶解度,進而對不同氣體水合物成核生長產(chǎn)生不同程度的影響。二氧化硅表面使二氧化碳溶解度未能達到其成核所需的臨界值(0.06摩爾分?jǐn)?shù)),導(dǎo)致二氧化碳水合物無法成核。在雙元體系中盡管二氧化碳溶解度沒達到其水合物成核的臨界值,但是甲烷水合物成核促使了二氧化碳水合物的成核;同時二氧化碳的存在有益于甲烷溶解于水中。模擬結(jié)果表明二氧化硅表面存在一層至少0.3 nm厚度的自由水相,即本文中氣體水合物的成核生成沒有直接發(fā)生在二氧化硅表面,更多開始于液相本體中。論文在水合系統(tǒng)中引入了電場,以甲烷水合物為研究對象,在260 K和10 MPa下利用分子模擬手段評價電場對甲烷水合物生成分解的作用。模擬結(jié)果顯示電場對甲烷水合物生成和分解均有所影響。恒定電場強度越大,對水分子的電偶極化效應(yīng)更強,誘使更多水分子沿著電場方向排列而導(dǎo)致甲烷水合物分解更快,電場強度超過1.5 v/nm后,恒定電場促使水合物分解的效果明顯;2.0 v/nm恒定電場體系中水合物分解后的水分子沿著電場方向排列形成“類冰”結(jié)構(gòu)。余弦電場作用具有雙重性,電場強度超過1.5 v/nm的2.45 GHz余弦電場以及電場強度超過2.0 v/nm的300 GHz余弦電場的存在加快水合物分解,1.0 v/nm以及1.5 v/nm的300 GHz余弦電場的存在有利于水合物生成。1.0 v/nm、1.5 v/nm以及2.0 v/nm的1 THz余弦電場的存在均促進水合物生成。
【圖文】：

俗稱“可燃冰”，是由主體水分子和客體分子在適宜溫壓條件下形成的一種非化學(xué)計量的晶體物質(zhì)。客體分子占據(jù)在由水分子間的氫鍵連接形成的籠型孔穴中，客體分子與水分子之間的范德華作用力維持籠型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[1,2]。按水合物的籠型孔穴類型區(qū)分，目前水合物晶體結(jié)構(gòu)主要有structure I(sI)型，structure II(sII)型和structure H(sH型，如圖 1-1 所示。通常而言，客體分子的尺寸很大程度上影響其水合物晶體結(jié)構(gòu)的類型。尺寸在 0.4~0.55 nm 內(nèi)的客體分子(如 CH4、C2H6、CO2、H2S 等)形成 sI 型水合物，sI 型水合物晶胞為體心立方結(jié)構(gòu)，含有由 46 個水分子組成的 2 個 512籠和 6 個 51262籠；sII 型水合物晶胞是面心立方結(jié)構(gòu)，由 8 個 512籠和 16 個 51264籠組成，共 136 個水分子，尺寸小于 0.4 nm 的客體分子(如 H2、Ar)可以進入 sII型的 512籠和 51264籠，尺寸在 0.6~0.7nm 內(nèi)的客體分子(如 C3H8、i-C4H10)只占據(jù) sII 型的 51264籠；客體分子(如 c-C8H16)尺寸在 0.8~0.9 nm 范圍時形成 sH 型水合物，sH 型水合物晶胞為簡單六方結(jié)構(gòu)，由 3 個 512籠、2 個 435663籠和 1 個 51268籠組成，共 34 個水分子。

1-3 三種典型水合物動力學(xué)抑制劑抑制機 Three typical hypothesis mechanisms of hyd學(xué)抑制劑種類主要包括：聚酰胺類(PVCap)等)[31-33]、離子液體類(典型有、天然產(chǎn)物類(典型如抗凍蛋白、氨基和模擬研究其抑制機理，提出了多種：1)水合物成核時期抑制劑的擾亂機制劑性能的模擬現(xiàn)象，以及 Sa[41]等都支持?jǐn)_亂機理，即抑制劑與水分子子之間形成水合物籠的趨勢，進而阻理，大多學(xué)者傾向該抑制機制，抑制長位點，，從而阻礙水合物進一步的生物抑制劑對水合物生長的影響模擬結(jié)
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TE319

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

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相關(guān)碩士學(xué)位論文 前3條

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本文編號：2694149