基本介紹
- 中文名：甲烷水合物
- 別稱：可燃冰
- 化學式：CH4·xH2O
- 水溶性：可溶
- 密度：0.9 g/cm3
- 外觀：甲烷氣體和水分子形成的籠狀結晶
- 存在環境：低溫高壓的環境
主要性質,形成原因,主要用途,發現歷史,相關問題,製備方法,熱解法,降壓法,置換法,
主要性質
其化學式為CH4·nH2O
“可燃冰”是未來潔淨的新能源。它的主要成分是甲烷分子與水分子。它的形成與海底石油、天然氣的形成過程相仿，而且密切相關。埋于海底地層深處的大量有機質在缺氧環境中，厭氣性細菌把有機質分解，最後形成石油和天然氣(石油氣)。其中許多天然氣又被包進水分子中，在海底的低溫與壓力下又形成“可燃冰”。這是因為天然氣有個特殊性能，它和水可以在溫度2～5攝氏度內結晶，這個結晶就是“可燃冰”。因為主要成分是甲烷，因此也常稱為“甲烷水合物”。在常溫常壓下它會分解成水與甲烷，“可燃冰”可以看成是高度壓縮的固態天然氣。“可燃冰”外表上看它像冰霜，從微觀上看其分子結構就像一個一個“籠子”，由若干水分子組成一個籠子，每個籠子裡“關”一個氣體分子。可燃冰主要分布在東、西太平洋和大西洋西部邊緣，是一種極具發展潛力的新能源，但由於開採困難，海底可燃冰至今仍原封不動地保存在海底和永久凍土層內。
“可燃冰”是深藏於海底的含甲烷的冰。它是由於處於深海之高壓低溫條件下，水分子通過氫鍵緊密締合成三維網狀體，能將海底沉積的古生物遺體所分解的甲烷等氣體分子納入網體中形成水合甲烷。這些水合甲烷就象一個個淡灰色的冰球，故稱可燃冰。這些冰球一旦從海底升到海面就會砰然而逝。
形成原因
可燃冰由海洋板塊活動而成。當海洋板塊下沉時，較古老的海底地殼會下沉到地球內部，海底石油和天然氣便隨板塊的邊緣湧上表面。當接觸到冰冷的海水和在深海壓力下，天然氣與海水產生化學作用，就形成水合物。科學家估計，海底可燃冰分布的範圍約占海洋總面積的10%，相當於4000萬平方公里，是迄今為止海底最具價值的礦產資源，足夠人類使用1000年。
“可燃冰”的形成有三個基本條件：首先溫度不能太高，在零度以上可以生成，0－10℃為宜，最高限是20℃左右，再高就分解了。第二壓力要夠，但也不能太大，零度時，30個大氣壓以上它就可能生成。第三，地底要有氣源。因為，在陸地只有西伯利亞的永久凍土層才具備形成條件和使之保持穩定的固態，而海洋深層300－500米的沉積物中都可能具備這樣的低溫高壓條件。因此，其分布的陸海比例為1∶100。
有天然氣的地方不一定都有“可燃冰”，因為形成“可燃冰”除了壓力主要還在於低溫，所以一般在冰土帶的地方較多。長期以來，有人認為我國的海域緯度較低，不可能存在“可燃冰”；而實際上我國東海、南海都具備生成條件。
主要用途
可燃冰是一種潛在的能源，儲量很大。據國際地質勘探組織估算，地球深海中水合甲烷的蘊藏量足以超過2.84×1021m3，是常規氣體能源儲存量的1000倍。且在這些可燃冰層下面還可能蘊藏著1.135×1020m3的氣體。有專家認為，水合甲烷一旦得到開採，將使人類的燃料使用史延長几個世紀。
隨著研究和勘測調查的深入，世界海洋中發現的可燃冰逐漸增加，1993年海底發現57處，2001年增加到88處。據探查估算，美國東南海岸外的布萊克海嶺，可燃冰資源量多達180億噸，可滿足美國105年的天然氣消耗；日本海及其周圍可燃冰資源可供日本使用100年以上。
據專家估計，全世界石油總儲量在2700億噸到6500億噸之間。按照21世紀的消耗速度，再有50－60年，全世界的石油資源將消耗殆盡。可燃冰的發現，讓陷入能源危機的人類看到新希望。中國的可燃冰主要在南海等海域。
發現歷史
早在1778年英國化學家普得斯特里就著手研究氣體生成的氣體水合物溫度和壓強。1934年，人們在油氣管道和加工設備中發現了冰狀固體堵塞現象，這些固體不是冰，就是人們說的可燃冰。1965年蘇聯科學家預言，天然氣的水合物可能存在海洋底部的地表層中，後來人們終於在北極的海底首次發現了大量的可燃冰。
2007年6月2日，26名中德科學家從香港登上德國科學考察船“太陽號”，開始了對南海42天的綜合地質考察。通過海底電視觀測和海底電視監測抓鬥取樣，首次發現了面積約430平方公里的巨型碳酸鹽岩。
中德科學家一致建議，將該自生碳酸鹽岩區中最典型的一個構造體命名為“九龍甲烷礁”。其中“龍”字代表了中國，“九”代表了多個研究團體的合作。同位素測年分析表明，“九龍甲烷礁”區域的碳酸鹽結殼最早形成於大約4.5萬年前，至今仍在釋放甲烷氣體。
中方首席科學家、廣州海洋地質調查局總工程師黃永樣對此極為興奮，他說，探測證據表明：僅南海北部的可燃冰儲量，就已達到我國陸上石油總量的一半左右；此外，在西沙海槽已初步圈出可燃冰分布面積5242平方公里，其資源估算達4.1萬億立方米。
我國從1993年起成為純石油進口國，預計到2010年，石油淨進口量將增至約1億噸，2020年將增至2億噸左右。因此，查清可燃冰家底及開發可燃冰資源，對我國的後續能源供應和經濟的可持續發展，戰略意義重大。
黃永樣介紹，在未來十年，我國將投入8.1億元對這項新能源的資源量進行勘測，有望到2008年前後摸清可燃冰家底，2015年進行可燃冰試開採。
戰略性與危險性共同打造的“雙刃劍”
迄今，世界上至少有30多個國家和地區在進行可燃凍的研究與調查勘探。
1960年，前蘇聯在西伯利亞發現了第一個可燃冰氣藏，並於1969年投入開發，採氣14年，總採氣50.17億立方米。
美國於1969年開始實施可燃冰調查。1998年，把可燃冰作為國家發展的戰略能源列入國家級長遠計畫，計畫到2015年進行商業性試開採。
日本關注可燃冰是在1992年，2013年，已基本完成周邊海域的可燃冰調查與評價，鑽探了7口探井，圈定了12塊礦集區，並成功取得可燃冰樣本。它的目標是在2010年進行商業性試開採。
但人類要開採埋藏於深海的可燃冰，尚面臨著許多新問題。有學者認為，在導致全球氣候變暖方面，甲烷所起的作用比二氧化碳要大10-20倍。而可燃冰礦藏哪怕受到最小的破壞，都足以導致甲烷氣體的大量泄漏。另外，陸緣海邊的可燃冰開採起來十分困難，一旦出了井噴事故，就會造成海嘯、海底滑坡、海水毒化等災害。由此可見，可燃冰在作為未來新能源的同時，也是一種危險的能源。可燃凍的開發利用就像一柄“雙刃劍”，需要小心對待。
相關問題
海底可燃冰的存在很可能使海床不穩定，常會導致大規模的海底泥流，對海底管道和通訊電纜有嚴重的破壞作用。更嚴重的是，如果地震中海底地層斷裂，游離的氣體和水合甲烷分解產生的氣體就會噴出海面，或在海水錶層及水面上形成許多高度集中的易燃氣泡，這不僅會對過往行船有危險，也會給低空飛行的飛機帶來厄運。有學者認為，近幾個世紀，在位於佛羅里達、百慕達群島和波多黎各之間的百慕達三角區海域發生過的許多船隻和飛機神秘失蹤事件，即所謂百慕達之謎就可能與此有關。
由於可燃冰是在深海處低溫高壓條件下形成的，氫鍵是一種弱作用，冰狀的水合甲烷一出水面就會自動融化分解成氣體，故我們沒有必要在分解水合甲烷上費神，只要用專用設備將這些氣體收集起來就可利用。值得注意的是，可燃冰作為一種新能源雖具有開發套用前景，但甲烷是一種高效的溫室效應氣體，可燃凍的開採如果方法不當，釋放出的甲烷擴散到大氣中，會增強地球的溫室效應，導致地球上永久凍土和兩極冰山融化而使地球變曖。安全合理地開發可燃冰，必須同時考慮環境保護。
可燃冰有望取代煤、石油和天然氣，成為21世紀的新能源。但在繁複的可燃冰開採過程中，一旦出現任何差錯，將引發嚴重的環境災難，成為環保敵人—— 首先，收集海水中的氣體是十分困難的，海底可燃冰屬大面積分布，其分解出來的甲烷很難聚集在某一地區內收集，而且一離開海床便迅速分解，容易發生噴井意外。更重要的是，甲烷的溫室效應比二氧化碳厲害10至20倍，若處理不當發生意外，分解出來的甲烷氣體由海水釋放到大氣層，將使全球溫室效應問題更趨嚴重。 此外，海底開採還可能會破壞地殼穩定平衡，造成大陸架邊緣動盪而引發海底塌方，甚至導致大規模海嘯，帶來災難性後果。現已有證據顯示，過去這類氣體的大規模自然釋放，在某種程度上導致了地球氣候急劇變化。8000年前在北歐造成浩劫的大海嘯，也極有可能是由於這種氣體大量釋放所致。
