海洋所提出一個冷泉甲烷水合物的生成動力學(xué)模型
近日,國際化工領(lǐng)域三大頂級期刊之一《Chemical Engineering Science》在線發(fā)表了題為“Experimental study on the cold-seep methane hydrate formation kinetics”的文章,報道了中國科學(xué)院海洋研究所在冷泉水合物生成動力學(xué)方面的最新研究成果,揭示了冷泉甲烷水合物形成的動力學(xué)過程,對深入了解南海冷泉甲烷水合物的形成機(jī)制及水合物資源動態(tài)生成過程的認(rèn)識具有重要意義。
天然氣水合物是氣體(自然界中主要是甲烷)與水分子在高壓低溫條件下形成的結(jié)晶化合物,廣泛分布于自然界的深海冷泉區(qū)。雖然已有實驗室和原位實驗對水合物的形成進(jìn)行了大量研究,但是以前的實驗室內(nèi)實驗主要采用純水或者人工海水,脫離真實的原位環(huán)境;而原位實驗由于技術(shù)的限制無法對水合物形成動力學(xué)過程進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測。因此,目前缺乏對原位冷泉甲烷水合物形成動力學(xué)的詳細(xì)研究。
針對上述問題,中國科學(xué)院海洋研究所張鑫團(tuán)隊從我國南海北部臺西南冷泉區(qū)(Site F)通過保真取樣技術(shù)獲取了原位的冷泉噴口流體(圖1),在實驗室內(nèi)利用該流體及連續(xù)時間序列拉曼光譜技術(shù)進(jìn)行了真實海洋環(huán)境的可控實驗,對冷泉甲烷水合物的生成動力學(xué)過程進(jìn)行了實時的監(jiān)測和觀察。本實驗采用積分時間為10秒的連續(xù)時間序列拉曼光譜,觀測到從溶解態(tài)甲烷向水合物態(tài)甲烷的逐漸轉(zhuǎn)變過程(圖2),從而獲得了冷泉甲烷水合物生成動力學(xué)的詳細(xì)信息。此外,還提出了一種通過連續(xù)時間序列拉曼光譜測定水合物成核時間的新方法,可以將成核時間的確定精度提高至十秒。

圖1 采樣區(qū)域地形圖及照片?

圖2 冷泉甲烷水合物生成的連續(xù)時間序列拉曼光譜
通過對實驗結(jié)果的處理分析,提出了一個冷泉甲烷水合物的生成動力學(xué)模型(圖3),將該動力學(xué)過程分為三個階段:甲烷溶解階段、不穩(wěn)定成核階段、穩(wěn)定生長階段。結(jié)果表明甲烷溶解階段受冷泉流體中鹽類的抑制作用影響,持續(xù)時間較長;而不穩(wěn)定成核階段會出現(xiàn)不定形水合物結(jié)構(gòu),但是時間很短(10秒內(nèi));最后是水合物晶體的穩(wěn)定生長階段。該模型闡明了冷泉甲烷水合物的生成動力學(xué)過程,對理解冷泉環(huán)境中的甲烷水合物形成機(jī)制以及水合物資源富集的動態(tài)過程具有重要意義。

圖3 冷泉甲烷水合物的生成動力學(xué)模型
中國科學(xué)院海洋研究所博士研究生張怡童為文章第一作者,張鑫研究員為文章通訊作者,欒振東正高級工程師、杜增豐副研究員為文章共同作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項等項目聯(lián)合資助。
論文信息及鏈接:
Y. Zhang, Z. Du, S. Xi, L. Ma, Z. Luan, X. Zhang, Experimental study on the cold-seep methane hydrate formation kinetics, Chemical Engineering Science (2024), doi: https://doi.org/10.1016/j.ces. 2024.120144
附件下載:
魯公網(wǎng)安備37020202001323號 | 古鎮(zhèn)口園區(qū)地址:青島市西海岸新區(qū)海軍路88號 南海路園區(qū)地址:青島市市南區(qū)南海路7號 科考船碼頭基地:青島市西海岸新區(qū)長江東路8號 |
郵編:266000 郵件:iocas@qdio.ac.cn 電話:0532-82898611 傳真:0532-82898612 |
