深海所揭示表面活性剂对甲烷水合物形成过程的影响

天然气水合物的热力学研究关注水合物赋存的温度、压力等环境参数，而动力学研究主要关注水合物形成及分解速率的影响因素。相关的应用基础研究可为天然气水合物的开采、储运提供基础数据和理论支持。 

近期，中国科学院深海科学与工程研究所深海极端环境模拟研究室应用大体积蓝宝石反应釜与熔融毛细硅管实验平台，结合拉曼光谱手段，开展了甲烷水合物的热力学及动力学研究。研究发现，表面活性剂（CTAB）不会改变甲烷水合物的相平衡条件（图1）。在微观尺度（毛细硅管），CTAB对甲烷水合物的生长速率无明显影响；而宏观尺度（蓝宝石反应釜）的实验过程表现出不同的特征。水合物形成初期，它的生长过程与微观实验过程相似，CTAB无明显影响；随着大量水合物的形成，气体传质受阻，CTAB会明显提升水合物的生长速率。对比实验的结果揭示了表面活性剂的作用机理，即通过降低表面张力，增大气液固接触面积，从而提高水合物的生长速率。

结合微观与宏观尺度的实验结果，该研究总结出两阶段水合物生长模式——第一阶段为颗粒分散生长过程、第二阶段为颗粒聚集生长过程（图2）。相关研究成果以Thermodynamic and Kinetic Study of Methane Hydrate Formation in Surfactant Solutions: From Macroscale to Microscale为题，发表在Energy上。

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图1. 甲烷水合物在纯水与表面活性剂溶液中的相平衡条件

图2. 甲烷水合物阶段生长模式