[科普中國]-籠形水合物

簡介

一些低分子量氣體和某些易揮發(fā)性液體,如C1-C4輕烴、N2、O2、CO2、H2S、環(huán)氧乙烷、四氫呋喃和鹵代烷烴等在接近冰點溫度和較高壓力的條件下可與水生成一類籠形結(jié)構(gòu)的冰狀晶體,通常稱之為籠形水合物(clathrate hydrates),簡稱水合物。這些能形成水合物的氣體或液體被稱作水合物形成物。在自然界中,自然形成的水合物大多數(shù)存在于大陸永久凍土帶和海底沉積層中,其組成以甲烷為主,與天然氣組成相似,常稱其為天然氣水合物。3

籠形水合物的結(jié)構(gòu)迄今為止,已發(fā)現(xiàn)的水合物晶體結(jié)構(gòu)有結(jié)構(gòu)Ⅰ、結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)H3種。結(jié)構(gòu)Ⅰ和結(jié)構(gòu)Ⅱ水合物晶體都具有大小不同的兩種籠形空腔,結(jié)構(gòu)H則有三種不同的籠形空腔。

結(jié)構(gòu)Ⅰ水合物晶體的基本單位晶格是體心立方結(jié)構(gòu),由46個水分子組成。在它們中間有8個能容納氣體分子的空腔,其中2個小空腔,6個大空腔。小空腔為正五邊形十二面體(512),大空腔為由兩個對置的六邊形和在它們中間排列的12個五邊形構(gòu)成的十四面體(51262)。

結(jié)構(gòu)Ⅱ水合物晶體的基本單位晶格是金剛石型面心立方結(jié)構(gòu),由136個水分子組成。在它們中間有24個能容納氣體分子進入的空腔,其中16個小空腔,8個大空腔。小空腔也是五邊形十二面體(512),但稍有變形。大空腔為為由12個五邊形和4個六邊形構(gòu)成的球形六面體(51264)。

結(jié)構(gòu)H水合物晶體的基本單位晶格是六面體結(jié)構(gòu),由34個水分子組成。其基本單位晶格中有3種不同的空腔:3個512空腔,2個435663空腔和1個51268空腔。435663空腔為由20個水分子構(gòu)成的呈扁球形的十二面體,51268空腔為由36個水分子構(gòu)成的呈橢球形的二十面體。3

水合物分離技術的基本原理水合物分離技術的基本原理是基于水合物晶體中僅含水和水合物形成物，且水合物形成物在晶體中的組成與其在原相中不同。其主要分離步驟包括：（1）混合物中某種（或某些）組分在一定溫度和壓力下形成固體水合物晶體；（2）有效分離出混合物體系中的水合物晶體，然后通過降壓或升溫等方法將其分解為水和水合物形成物。

水合物分離技術可以適用于混和氣體中水合物形成氣含量較低而分離要求較高；或遠低于飽和值，在較高溫度下易降解、變性，且溶液成分復雜、低濃和熱穩(wěn)定性差的溶液，以及采用諸如精餾、萃取等的傳統(tǒng)分離方法難以達到的經(jīng)濟、高效的物系分離。2

展望水合物研究方興未艾，能源開發(fā)亦呼聲愈高。水合物基礎研究的不斷進步推動著水合物應用技術的發(fā)展，應用技術的開發(fā)為工程實踐提供了可能性。天然氣水合物的開發(fā)利用必將對我國能源發(fā)展及經(jīng)濟進步起著重要作用，這無疑是一個寬闊的舞臺。近年來，在國家有關部門的支持下，我國已初步形成一支基礎研究隊伍。2