二氧化碳置换甲烷水合物的动力学机理研究

天然气水合物是潜在的储量巨大的新型洁净优质资源，安全高效的开采技术是其利用的关键。利用二氧化碳置换开采天然气水合物，集洁净能源生产与温室气体埋藏于一体，具有重要的战略意义。通过研究在不同温度、压力和盐度等条件下，二氧化碳-甲烷混合气体水合物的形成特性、不同气体分子在水合物笼中的填充形态及占有，建立形成动力学计算模型，确定二氧化碳-甲烷混合气体水合物的形成机理和稳定性；研究二氧化碳置换甲烷水合物的动力学过程，利用拉曼光谱仪、红外光谱仪、CT成像仪等测量置换过程中二氧化碳和甲烷分子在水合物的不同笼中的分布、二氧化碳分子在甲烷水合物中的扩散及质量传递特性，阐明置换发生的动力学机制，建立置换动力学模型；利用分子动力学模拟研究二氧化碳置换开采甲烷水合物的过程，建立分子动力学模型，揭示二氧化碳置换开采甲烷水合物的微观过程，阐明置换机理。为水合物的开采和二氧化碳封存技术的发展提供实验参考数据和理论支持。

二氧化碳置换开采天然气水合物集温室气体处理和水合物开发于一体，是一种潜在的天然气水合物开采方法。本项目研究了二氧化碳-甲烷水合物形成特性，对二氧化碳置换水合物中甲烷气体开展了研究，利用X射线衍射仪和拉曼光谱仪研究了水合物分解和置换的微观动力学过程；利用分子动力学理论，对CH4-CO2混合气体水合物微观生长进行了模拟，比较了气态和液态CO2、CO2-N2混合气体置换甲烷水合物的分子动力学过程，分析了置换机理。研究表明：置换温度的上升会提高置换速率；在二氧化碳为气体的情况下，气体置换压力的上升不会对置换速率产生明显改变；少量氮气的加入显著降低了水合物的置换速率但置换效率会随之提高；在I型水合物中甲烷-二氧化碳的置换反应过程不会引起晶体结构的改变；在水合物大笼和小笼中的甲烷分子均可以被二氧化碳分子所置换，但水合物大笼中甲烷被置换的趋势更加明显。气体分子在水合物中的扩散速度是控制置换过程的关键因素。本项目研究结果将为天然气水合物资源开发技术提供新的方法。项目已发表论文15篇，其中SCI收录13篇，EI收录1篇。录用论文3篇（1篇SCI，2篇EI)。