第六届非常规油气地质评价暨新能源学术研讨会
6th Symposium on Unconventional Oil and Gas Geological Evaluation and New Energy

114 / 2021-06-04 16:27:24

在线红外光谱仪定量监测四氢呋喃水合物生成微观反应动力学过程

在线红外光谱仪，四氢呋喃水合物，微观动力学，定量分析

天然气水合物理论与技术

天然气水合物是一种非常规天然气资源，是未来的替代能源之一。同时，气体水合物相关技术也具有广阔的应用前景，比如天然气的储运、分离气体混合物、二氧化碳海底储存、蓄冷技术等。而在油气输送管道中水合物的形成也会阻碍油气输送，这些都与水合物的生长密切相关。

水合物生成的动力学过程与结晶过程类似，分为成核和生长两阶段。水合物的成核是指形成达到临界尺寸的稳定水合物核的过程， 当晶核达到临界尺寸后，将进入水合物的稳定生长阶段。目前对水合物的微观机理研究及水合物定量计算，主要通过宏观压力、温度、电阻率等间接变量，计算机模拟和理论计算进行研究，缺乏对水合物生长的微观分子活动的直观监测。

本文利用在线红外光谱仪，探究水合物生长动力学过程的溶液中分子吸光度的变化，从而在分子层面、定量地对水合物溶解、诱导、成核、生长的微观机理进行初步探索。同时根据Lambert-Beer 定律，溶液中分子的浓度可以被准确定量分析。

首先利用在线红外光谱仪建立THF浓度与吸光度的标准曲线，确定在0.5mol/L-3.0 mol/L浓度范围内，THF吸光度与其浓度成正比。然后研究2.6 mol/L THF水合物生成过程中，H₂O（1600cm^-1）和THF（1040 cm^-1）特征峰吸光度随温度的变化。温度降低，水分子围绕在THF周围形成分子团簇，吸光度基本保持不变，分子簇的浓度增大到临界尺寸， H₂O和THF特征峰的吸光度急剧降低，同时1070 cm^-1处出现新峰，随后温度骤升，液面出现透明水合物晶体，此时新峰消失，吸光度上升并保持不变。H₂O特征峰在水合物生成前后的显著变化，表明氢键的生成。1070 cm^-1处新峰为THF占据水合物大笼的特征峰，该峰的出现和消失表明溶液中分子团簇的存在。三维红外光谱图能够直观的表明新峰的出现和消失。通过红外吸收峰的位置和吸光度的变化，表明临界晶核的出现，同时可以明确狭义诱导时间，加深对水合物形成机理的理解。