基本介紹
- 中文名：水合
- 外文名：hydrate
- 拼音：shuǐhé
- 釋義：水與包括細胞物質在內的親水物質
瓦斯水合物生成控制因素,表面活性劑對水合物形成的促進作用,水合物生成模式,水合物的透氣性,甲烷水合物的融化,水合物成核動力學研究現狀,隨機水合物成核與界面成簇模型,雙過程水合物成核模型,水合物成核動力學的發展方向,
瓦斯水合物生成控制因素
在煤層中瓦斯水合物生成的控制因素，並通過實驗觀察分析了瓦斯水合物生成和分解的特性。通過改變表面活性劑種類和濃度，生成實驗已實現於環境溫度為22.7℃時、瓦斯壓力為23.2MPa生成了瓦斯水合物；在實驗中測得甲烷水合物分解速度為2.8 ×10- 2m3/h, 遠小於煤層瓦斯的解吸速度。可見，一般礦井(非高溫)利用瓦斯水合作用防治瓦斯事故在技術上是可行的，但還有大量基礎研究工作要做。
表面活性劑對水合物形成的促進作用
表面活性劑在水溶液中達到臨界膠束濃度後，會顯著改變水合物生成的動力學特徵。水合物生成的難易與氣體在水溶液中的溶解度密切相關，只有溶解在溶液中的氣體過飽和後，才會有水合物生成。由於甲烷在水中的溶解度很小，所以在靜止的純水中，水合物生成的誘導時間長，而且生長速度慢。實驗研究表明，在靜止的純水系統中 (在4.5MPa, 276K條件下)，28h內無水合物生成，而在靜止的含表面活性劑系統中，大約1.5h可生成水合物。表面活性劑對水合物生成有很好的促進作用，一方面在水溶液中表面活性劑將顯著降低溶液的表面張力，同時表面活性劑膠束的存在還將改變溶質和溶劑分子間力，升高被溶解氣體的化學勢而起到增溶作用；另一方面，在純水體系中水合物一般首先在氣-液界面生成，而在表面活性劑水溶液中，水溶液中形成的表面活性劑膠束中溶解有大量的氣體，這樣水合物的生成也同時可以在水溶液內部發生，提高了水合物的生長速度。當向煤體注入的高壓水中含有適量的表面活性劑時，部分活性劑將強烈地吸附在煤體裂隙內表面並以膠束或定向吸附的形式存在。這樣，在煤體內表面的膠束吸附層更易於捕捉瓦斯分子，即活性劑吸附在煤體內表面使瓦斯溶解度增加，從而有利於水合物生成。
水合物生成模式
發現，在可視化鋼製高壓容器中，水合物最先在溶液與甲烷的交界線上生成, 而且快速向上、下擴展生長。通過水合物形成過程觀察發現，各向生長是不均勻的，生長快的部分達到一定質量即向水中下沉，生長所需水分靠水合物層內部孔隙的虹吸作用吸上來的水提供，凸出水面的部位還可以向上生長，加上擠壓和整體膨脹，最終形成不規則形狀。對煤體而言，孔隙結構使瓦斯和水的接觸面大大增加，將降低水合物生成的誘導時間，提高水合物的生長速度。因此，在煤層中水合物會快速生成。
水合物的透氣性
純水體系中水合物的生成可能首先在氣 -液界面發生，而生成的水合物覆蓋在水面上，妨礙了水合物繼續生成。實驗發現，水合物氣-液界面生成後，還會迅速向下生長，表明水合物是非緻密的固態物，取出的水合物外觀類似於家用冰櫃冷凍室生成的白色不透明的冰雪冰, 孔隙發育，不能阻礙高壓氣體的通過。這一點可解除人們對瓦斯水合物在氣 -液交界面附近生成後，水合物帶阻礙瓦斯進入水溶液繼續生成水合物的擔憂。
甲烷水合物的融化
在常溫、常壓條件下分解速度緩慢。例如，直徑8cm、厚3cm的圓柱體甲烷水合物，在標準狀態下完全分解耗時42min, 計算可得分解速度為2.8×10-2 m3/h, 遠小於煤層瓦斯解吸速度。甲烷水合物的這一特性為在開採時可以利用水合作用防止煤與瓦斯突出和采落煤炭中瓦斯大量湧出提供了實驗證據。
水合物成核動力學研究現狀
概述了水合物對石油天然氣工業及環境、氣候、能源等方面的影響。對成核概念作了簡要介紹，主要闡述了成簇成核模型、界面成核模型、隨機水合物成核與界面成簇模型、反應動力學模型、雙過程水合物成核模型等幾種不同的水合物成核微觀機理，並簡單介紹了有關的成核過程關聯式及對水合物成核的測量情況。針對水合物研究中存在的問題，提出了有關水合物成核動力學的發展方向。
隨機水合物成核與界面成簇模型
界面成簇並不是由小分子簇不斷增長到水合物團的有序過程，相反，應該是一些分子簇生長，而另一些衰竭的過程。每一瞬間都有大量的分子簇團不斷在生長、衰竭，而不是一個或幾個分子簇在不斷生長。由於主體分子及客體分子重組的困難，水合物成核過程可能隨著時間的變化帶有很大隨機性。
雙過程水合物成核模型
陳光進和郭天民認為水合物的成核過程中同時進行著以下兩個動力學過程：
( 1) 準化學反應動力學過程：溶於水中的氣體分子與包圍它的水分子形成不穩定的分子簇，分子簇的大小取決於氣體分子的大小，一種分子只能形成一種大小的分子簇，分子簇實際上是一種多面體，締合過程中必然形成空的包腔，稱為連線孔，這也就是水合物中的另外一種與上述分子簇大小不同的空穴。此過程中氣體分子和水絡合生成化學計量型的基礎水合物。
( 2) 吸附動力學過程：基礎水合物中存在空穴，一些氣體小分子吸附於連線孔中，導致整個水合物的非化學計量性。在吸附過程中，溶於水中的氣體小分子，如：Ar、N2、O2、CH4，會進入連線孔中。但這一過程並不一定會發生。由於連線孔孔徑較小，對於較大的氣體大分子，如：C2H6、C3H8、i-C4H10、n-C4H10等，不會進入其中。即使對於較小的氣體分子，也不會占據百分之百的連線孔，因此用Langm uir吸附理論來描述氣體分子填充連線孔的過程較為合理。
水合物成核動力學的發展方向
1、水合物成核機理模型，都是對水合物成核過程的各種假設，成核機理尚需進一步完善。
2、水合物成核速率近似與成核推動力成正比，影響成核變數還包括客體尺寸、組成、表面面積、水的狀態以及攪拌程度等，如何在速率方程中考慮這些變數也是一個難題。
3、成核時間是隨機的，還不能準確預測水合物生成的起始時間。儘管有幾種不同的水合物誘導時間關聯式，但每一關聯式都與裝置有關，並且收斂性差，因此，建立普遍適用的水合物誘導時間關聯式是必要的。
4、一般的水合物動力學模型都是基於反應器中的水合物生成情況建立的，但這些模型都不能套用於管線中的水合物生成情況，需要建立管線中的水合物成核模型。
5、成核方程都是只考慮水合物形成氣的質量傳遞過程，而實際上水合物生成過程中，不僅有質量傳遞，也存在熱量傳遞，需要建立熱、質傳遞下的水合物成核方程。
6、在水合物成核的測量中，臨界直徑尺寸的確定是亟待解決的難點。
7、冰生成水合物需要很長的時間，另外，水分子需要由冰結構重組，以形成水合物結構，造成了成核過程比較困難。冰生成水合物的數據也較少，需要補充冰生成水合物的數據。
8、考察水合物成核數據的復驗性、重複性。
