碳纳米材料对水合物生成的影响及机理研究

• 作 者: 刘秀彬
• 出 处: 中国石油大学(北京)
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 水合物 多壁碳纳米管 动力学 热力学 气体分离 模型计算

水合物具有许多商业应用的潜力,如天然气储存和运输、CO₂捕集和封存、气体分离、海水淡化、空调系统的冷却介质等,但是由于其生成条件比较苛刻需要低温高压而且生成速率也较慢,这极大地限制了其商业应用。因此需要对其生成过程进行强化,加快生成速率,增大储气量,缓和生成条件。目前有效的促进手段是添加促进剂,主要的传统添加剂为THF、TBAB、SDS,虽说这些促进剂的促进效果明显,但由于都属于化学添加剂,化学添加剂的使用会增加工业废水的处理难度,不利于绿色发展。纳米材料不溶于水,能给水合物生成提供成核晶种,促进水合物生成,因此本文研究了多壁碳纳米管对甲烷水合物的生成动力学的影响。选用了极性强亲水效果好的MWCNT-NH₂和非极性疏水的MWCNT两种多壁碳纳米管进行实验,热力学实验结果表明多壁碳纳米管不会影响水合物的热力学条件。动力学实验发现亲水性MWCNT-NH₂促进效果更好。对比了不同浓度下的促进效果,发现多壁碳纳米管具有一最佳浓度400 ppm,超过或低于这浓度,促进效果都有所减弱。由于多壁碳纳米管碳纳米管孔径高度均匀,比表面积大,表面能过剩,容易发生聚集。同时,还研究了与微量表面活性剂SDS联合使用的效果,发现多壁碳纳米管的加入会削弱SDS的促进效果,相比于纯水促进效果显著。为了从碳管聚集角度说明其对水合过程的促进效果,通过微观显微实验从微观尺度探究了碳纳米颗粒的凝聚行为,发现MWCNT-NH₂比MWCNT分散性好,多壁碳纳米管浓度越大凝聚越严重,SDS的加入会加强多壁碳纳米管在水中的分散稳定性。为了探究多壁碳纳米管对水合法气体分离的影响,还进行了煤层气的分离实验,发现整体分离效果不佳,但多壁碳纳米管的加入也会起到微弱的促进作用。最后在动力学实验的基础上,建立了SDS碳管体系中的甲烷水合物生长动力学模型,运行结果表明该模型能较好地描述实验体系甲烷水合物的动力学生长过程。