H2S-H2O-NaCl体系硫化氢在广域温压条件下溶解-扩散过程的拉曼光谱定量研究

The dissolution-diffusion process of hydrogen sulfide in ore-forming fluids and sea water restricts the formation of metal deposits and the evolution of hydrothermal vent biospheres. The fundamental research of hydrogen sulfide has important scientific value. However, due to the toxicity and corrosiveness of H2S, the experimental research is difficult and the basic data is still short. In this project, the high-pressure experimental system of fused silica capillary-high pressure optical cell and Laser Confocal Raman Microspectrometer will be applied to study the dissolution-diffusion process of H2S in pure water (salt solution). The main objectives of this project will be: 1) Developing the method of Raman spectroscopic measurement of H2S concentration dissolved in pure water (salt solution), and providing the experimental equation for the proposer’s Raman Laboratory. 2) Obtaining the new data of the solubility and diffusion coefficients of H2S in pure water (salt solution) in the range of 298-573K and 0.1-100MPa, and verifying the relevant theoretical model. 3) Investigating the Raman spectrum characteristics of H2S hydrate in the system of H2S-H2O-NaCl, and providing the data of the solubility of H2S under the condition of phase equilibrium of pure water (salt solution) and hydrate. 4) Revealing the effects of temperature, pressure and salinity on the dissolution-diffusion process of H2S in water solution. In addition to providing a lot of new data to greatly expand range of temperature and pressure in comparison with previous works, this project will focus on the verification of theoretical models and the comparative study with hydrothermal fluids, inclusions and hydrates.

硫化氢在成矿流体和海水中的溶解-扩散过程广泛约束着金属矿床的形成以及热液喷口生物圈的演化，具有重要的研究价值。然而，由于H2S的高毒性和腐蚀性，相关的高温高压实验难度较大，有关H2S的溶解度和扩散系数等基础数据仍相当欠缺。本项目拟采用熔融毛细硅管高压可视反应腔与拉曼光谱高压实验平台作为主要手段，开展H2S-H2O-NaCl体系H2S溶解-扩散过程的定量研究，为相关研究提供实验依据和约束：1）建立溶解于H2O-NaCl体系的H2S浓度的拉曼检测方法以及经验公式；2）测定298-573K，0.1-100MPa范围内H2S在纯水（盐水）中的溶解度和扩散系数，大幅扩展前人数据的温压范围；3）研究H2S-H2O-NaCl体系水合物的拉曼光谱特征，获取纯水/盐水-水合物相平衡情况下H2S的溶解度数据；4）揭示温度、压力及盐度对H2S溶解-扩散行为的影响，验证理论模型，开展与自然样品的对比研究。

H2S广泛发育于地质流体和油气田之中，其溶解-扩散过程与热液中一些金属元素的迁移和沉淀密切相关，而在含硫油气开采过程中H2S水合物的形成与生长，在一定程度上也受控于H2S的溶解-扩散过程。然而，由于H2S的毒性和腐蚀性特点，关于这方面的研究目前仍然十分薄弱。本项目采用熔融毛细硅管、高压可视反应腔以及显微共聚焦拉曼光谱仪对H2S在H2O-H2S-(NaCl)体系中的溶解-扩散过程以及H2S水合物的相平衡条件进行了研究。实验结果表明，在-300℃和-100MPa范围内，温度和压力对H2S在纯水中的溶解度有重要影响，当压力低于3MPa时，H2S溶解度随温度的升高而降低，当压力高于5MPa时，溶解度会随温度先升高，而后再降低。在盐水体系中，H2S的溶解度与盐度密切相关，同一温度下，随着盐度的增加，H2S溶解度不断降低。对H2S的扩散过程研究表明，温度对H2S的液相扩散系数影响十分显著，两者呈正相关关系，盐度对H2S的扩散具有明显的抑制作用，且随着温度的增加，盐度对扩散的抑制作用越明显。H2S-H2O体系的相平衡条件测定表明，与传统采用高压釜进行相平衡实验的测定方法相比，新方法的压力测量范围不仅更高，测量时间更短，并且可以在线观察水合物的生长与分解过程。这些实验数据及其计算模型的研究，为了解H2S在地质流体中的溶解与扩散过程提供了重要的基础数据，同时对解决H2S引起的天然气输运管线堵塞问题也有重要帮助。项目执行期间，共发表论文8篇。其中SCI第一标注论文5篇，SCI第四标注1篇；中文核心第一标注论文2篇。