二氧化硅表面或电场存在下的气体水合物生成分解模拟研究
发布时间：2020-06-03 02:28
【摘要】：自然界富藏着的天然气水合物是一种清洁能源资源,而由此衍生出来的水合技术在气体分离、储存、海水淡化等方面得到应用,因此水合技术的基础研究备受关注。自然界中天然气水合物生成分解环境中含有大量的砂质、粘土等介质,因此水合物的成核生长均会受到这些介质的影响,但介质对水合物成核生长的影响机制尚未有统一认识,研究介质表面对水合物成核生长的影响机制有利于水合技术应用;水合过程主要是主体水分子与客体气体分子形成的晶体物质,电场可影响极性水分子的动力学行为,电场的存在会影响水合过程,因此本文将从分子水平上观测气体水合物生成分解过程轨迹,分析表面或电场的存在对其水合过程的影响,为水合技术的应用提供一定的数据和理论指导。论文以二氧化硅表面以及含3.5 wt%NaCl水溶液模拟水合物成核生成的海洋环境,选用甲烷、二氧化碳、以及甲烷/二氧化碳混合气作为三种客体,同时改变表面和液气相大小,在250 K和50 MPa下利用分子模拟方法研究了二氧化硅表面气体水合物成核生成过程,模拟结果表明二氧化硅表面的存在降低了气体在水中的溶解度,进而对不同气体水合物成核生长产生不同程度的影响。二氧化硅表面使二氧化碳溶解度未能达到其成核所需的临界值(0.06摩尔分数),导致二氧化碳水合物无法成核。在双元体系中尽管二氧化碳溶解度没达到其水合物成核的临界值,但是甲烷水合物成核促使了二氧化碳水合物的成核;同时二氧化碳的存在有益于甲烷溶解于水中。模拟结果表明二氧化硅表面存在一层至少0.3 nm厚度的自由水相,即本文中气体水合物的成核生成没有直接发生在二氧化硅表面,更多开始于液相本体中。论文在水合系统中引入了电场,以甲烷水合物为研究对象,在260 K和10 MPa下利用分子模拟手段评价电场对甲烷水合物生成分解的作用。模拟结果显示电场对甲烷水合物生成和分解均有所影响。恒定电场强度越大,对水分子的电偶极化效应更强,诱使更多水分子沿着电场方向排列而导致甲烷水合物分解更快,电场强度超过1.5 v/nm后,恒定电场促使水合物分解的效果明显;2.0 v/nm恒定电场体系中水合物分解后的水分子沿着电场方向排列形成“类冰”结构。余弦电场作用具有双重性,电场强度超过1.5 v/nm的2.45 GHz余弦电场以及电场强度超过2.0 v/nm的300 GHz余弦电场的存在加快水合物分解,1.0 v/nm以及1.5 v/nm的300 GHz余弦电场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余弦电场的存在均促进水合物生成。
【图文】：
俗称“可燃冰”，是由主体水分子和客体分子在适宜温压条件下形成的一种非化学计量的晶体物质。客体分子占据在由水分子间的氢键连接形成的笼型孔穴中，客体分子与水分子之间的范德华作用力维持笼型结构稳定[1,2]。按水合物的笼型孔穴类型区分，目前水合物晶体结构主要有structure I(sI)型，structure II(sII)型和structure H(sH型，如图 1-1 所示。通常而言，客体分子的尺寸很大程度上影响其水合物晶体结构的类型。尺寸在 0.4~0.55 nm 内的客体分子(如 CH4、C2H6、CO2、H2S 等)形成 sI 型水合物，sI 型水合物晶胞为体心立方结构，含有由 46 个水分子组成的 2 个 512笼和 6 个 51262笼；sII 型水合物晶胞是面心立方结构，由 8 个 512笼和 16 个 51264笼组成，共 136 个水分子，尺寸小于 0.4 nm 的客体分子(如 H2、Ar)可以进入 sII型的 512笼和 51264笼，尺寸在 0.6~0.7nm 内的客体分子(如 C3H8、i-C4H10)只占据 sII 型的 51264笼；客体分子(如 c-C8H16)尺寸在 0.8~0.9 nm 范围时形成 sH 型水合物，sH 型水合物晶胞为简单六方结构，由 3 个 512笼、2 个 435663笼和 1 个 51268笼组成，共 34 个水分子。
1-3 三种典型水合物动力学抑制剂抑制机 Three typical hypothesis mechanisms of hyd学抑制剂种类主要包括：聚酰胺类(PVCap)等)[31-33]、离子液体类(典型有、天然产物类(典型如抗冻蛋白、氨基和模拟研究其抑制机理，提出了多种：1)水合物成核时期抑制剂的扰乱机制剂性能的模拟现象，以及 Sa[41]等都支持扰乱机理，即抑制剂与水分子子之间形成水合物笼的趋势，进而阻理，大多学者倾向该抑制机制，抑制长位点，，从而阻碍水合物进一步的生物抑制剂对水合物生长的影响模拟结
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE319
本文编号：2694149
【图文】：
俗称“可燃冰”，是由主体水分子和客体分子在适宜温压条件下形成的一种非化学计量的晶体物质。客体分子占据在由水分子间的氢键连接形成的笼型孔穴中，客体分子与水分子之间的范德华作用力维持笼型结构稳定[1,2]。按水合物的笼型孔穴类型区分，目前水合物晶体结构主要有structure I(sI)型，structure II(sII)型和structure H(sH型，如图 1-1 所示。通常而言，客体分子的尺寸很大程度上影响其水合物晶体结构的类型。尺寸在 0.4~0.55 nm 内的客体分子(如 CH4、C2H6、CO2、H2S 等)形成 sI 型水合物，sI 型水合物晶胞为体心立方结构，含有由 46 个水分子组成的 2 个 512笼和 6 个 51262笼；sII 型水合物晶胞是面心立方结构，由 8 个 512笼和 16 个 51264笼组成，共 136 个水分子，尺寸小于 0.4 nm 的客体分子(如 H2、Ar)可以进入 sII型的 512笼和 51264笼，尺寸在 0.6~0.7nm 内的客体分子(如 C3H8、i-C4H10)只占据 sII 型的 51264笼；客体分子(如 c-C8H16)尺寸在 0.8~0.9 nm 范围时形成 sH 型水合物，sH 型水合物晶胞为简单六方结构，由 3 个 512笼、2 个 435663笼和 1 个 51268笼组成，共 34 个水分子。
1-3 三种典型水合物动力学抑制剂抑制机 Three typical hypothesis mechanisms of hyd学抑制剂种类主要包括：聚酰胺类(PVCap)等)[31-33]、离子液体类(典型有、天然产物类(典型如抗冻蛋白、氨基和模拟研究其抑制机理，提出了多种：1)水合物成核时期抑制剂的扰乱机制剂性能的模拟现象，以及 Sa[41]等都支持扰乱机理，即抑制剂与水分子子之间形成水合物笼的趋势，进而阻理，大多学者倾向该抑制机制，抑制长位点，，从而阻碍水合物进一步的生物抑制剂对水合物生长的影响模拟结
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE319
【参考文献】
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本文编号：2694149
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