天然氣水合物的熱力學(xué)研究關(guān)注水合物賦存的溫度、壓力等環(huán)境參數(shù)，而動(dòng)力學(xué)研究主要關(guān)注水合物形成及分解速率的影響因素。相關(guān)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究可為天然氣水合物的開(kāi)采、儲(chǔ)運(yùn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論支持。

中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所深海極端環(huán)境模擬研究室應(yīng)用大體積藍(lán)寶石反應(yīng)釜與熔融毛細(xì)硅管實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合拉曼光譜手段，開(kāi)展了甲烷水合物的熱力學(xué)及動(dòng)力學(xué)研究。研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑（CTAB）不會(huì)改變甲烷水合物的相平衡條件（圖1）。在微觀尺度（毛細(xì)硅管），CTAB對(duì)甲烷水合物的生長(zhǎng)速率無(wú)明顯影響；而宏觀尺度（藍(lán)寶石反應(yīng)釜）的實(shí)驗(yàn)過(guò)程表現(xiàn)出不同的特征。水合物形成初期，它的生長(zhǎng)過(guò)程與微觀實(shí)驗(yàn)過(guò)程相似，CTAB無(wú)明顯影響；隨著大量水合物的形成，氣體傳質(zhì)受阻，CTAB會(huì)明顯提升水合物的生長(zhǎng)速率。對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果揭示了表面活性劑的作用機(jī)理，即通過(guò)降低表面張力，增大氣液固接觸面積，從而提高水合物的生長(zhǎng)速率。

圖1.甲烷水合物在純水與表面活性劑溶液中的相平衡條件

圖2.甲烷水合物階段生長(zhǎng)模式

結(jié)合微觀與宏觀尺度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該研究總結(jié)出兩階段水合物生長(zhǎng)模式——第一階段為顆粒分散生長(zhǎng)過(guò)程、第二階段為顆粒聚集生長(zhǎng)過(guò)程（圖2）。