乳液体系氧化石墨烯界面强化水合物法海水淡化机制研究

The shortage of fresh water is one of the most pressing crises people are facing. Seawater desalination by clathrate hydrate process is a novel desalting technology showing superiorities of low energy consumption and versatility for processing various water. The technology holds great promise to partially solve the severe crisis. This project aims to increase the formation rate of hydrate and enhance the desalination efficiency. The main problems of small interface for hydrate formation, limited mass transfer and hold of concentrated saline will be solved in this study. The project is going to use graphene oxide for increasing the interface between hydrate guests and water, and to enhance the mass transfer improving the reaction rate and desalination efficiency. The project will study the effect of used graphene oxide on the enhancement of emulsion formation, mass transfer, hydrate formation, aggregation, separation, and desalination efficiency in the oil-in-water emulsion system. The structure, compositions, and wettability of graphene oxide will be tailored to figure out the mechanism of the nanomaterials enhancing the hydrate reaction. The main governing factors and the promotion mechanism of the graphene oxide on hydrate formation, aggregation, and separation will also be explored in this proposed project. The implementation of this project will enrich and promote the development of enhanced clathrate hydrate formation theory in emulsion systems, especially for the utilization in desalination. This study will set a solid foundation for developing economical and efficient technologies for desalting seawater. The proposed study will also contribute to the theory and technology of tailoring the formation kinetics of hydrate and has promising academic value and potential application.

淡水资源匮乏是人类面临的生存危机之一，水合物海水淡化是一种新颖的脱盐技术，具有能耗较低、水质适应性广等优点，具有解决水资源短缺危机的潜能。本项目以提高水合物生成速率及脱盐效率为目的，重点解决水合物生成过程界面不足，传质受限及水合物夹液问题。项目拟通过氧化石墨烯增大水包油乳液界面，增强传质进而强化水合物生成，提高生成速率及脱盐效率。研究氧化石墨烯对水包油乳液体系水合物海水淡化过程中的乳化强化，传质增强，水合物生成、聚集、分离，脱盐效率提高的影响；调控氧化石墨烯的结构、成分和亲水特性，阐明纳米材料强化水合物反应机制，揭示氧化石墨烯对水合物生成、聚集、分离过程中的主控因素及氧化石墨烯的促进机理。项目的实施将丰富和发展界面强化乳液体系水合物生成调控理论，及水合物脱盐强化理论，为开发经济高效的海水淡化法以及水合物生长动力学调控奠定理论和实验基础，具有重要的学术价值和广泛应用前景。

水资源短缺是人类面临的最为严峻的挑战之一。水合物法海水淡化被认为是一种极具潜力的新型高效海水淡化技术。水合物是由水分子间氢键作用形成笼型结构内包客体小分子而构成的固体物质，其理论水含量高达85 mol%。因此通过客体小分子与水形成水合物能够将海水中的水富集提纯。然而水合物生成面临生成诱导时间长，动力学缓慢，转化率低等瓶颈问题。本项目针对上述瓶颈，利用氧化石墨烯强化水合物客体/水界面，从而强化传质，改善水合物生成动力学，开发出了一种炭材料强化乳液化的水合物法海水淡化新方法。项目成功制得了氧化石墨烯，并开发了氧化石墨烯的尺寸/厚度筛分方法，精细的调控了氧化石墨烯的结构和成分，获得了具有不同亲水性和乳化能力的氧化石墨烯，其中最小尺寸的氧化石墨烯具有最优异的乳化性能。证实了添加石墨、氧化石墨烯能够显著改善水合物生成动力学，提高脱盐效率。证实了颗粒尺寸、添加量对水合物的转化率、脱盐效率具有显著的影响；氧化石墨烯及石墨被证实具有促进传质、提供异相成核位点和局部快速导热的功能，从传质、传热以及促进反应三个方面强化了水合物的生成。本研究通过系列手段调控获得了结构、成分和亲水特性可控的氧化石墨烯，确定了界面传质和异相成核是氧化石墨烯促进水合物生成的关键，通过外源物质的加入调控了水合物的聚集，以及浓缩盐水与水合物之间的分离，显著的提高了水合物的生成速率，通过利用多级水合物法脱盐，将脱盐效率提高至99.8%。本研究开发的材料制备方法，获得的材料与其水合物促进效果之间的构效关系，以及提出的界面强化的水合物法水处理技术，为未来基于纳米材料增强水合物生成速率的水合物动力学调控提供理论支持，为海水淡化、污水处理以及高附加值金属盐富集回收提供了有效的方法。