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最新研究：天然气水合物优势晶种繁殖生长模式

  天然气水合物是一种由水分子、气体分子，在适当温度、压力条件下形成的固态晶体化合物，外观似冰。全球范围天然气水合物中蕴藏碳量为传统化石燃料中的至少两倍，对能源、气候、环境变化的影响显著。然而，水合物形成过程控制机理至今尚未被清楚阐释。为此，在过去四十年内出现了近30种模型，从多种不同角度试图阐释水合物形成机理。由于模型众多，带入大量计算参数，反而大大增加形成反应的不确定性，使过程距离主控因素越来越远。  

　　中国科学院西北生态环境资源研究院（简称西北研究院）冻土工程国家重点实验室水合物研究团队，对此问题进行了长期跟踪研究，提出是否可以忽略水合物具体生长过程，摆脱由大量模型引入的众多参数干扰，直接考察成核对最终生成的块状水合物晶体影响作用，最终提出初始成核速率可直接影响最终含气率的新水合物形成思路（图1）。在大量实验室实测结果基础上，建立了“水合物优势晶种繁殖生长”新生长模式（图2），并提出实验系统内部某些特殊结构（如具较低温度的拐角结构）是导致这些优势晶种出现的最佳位置（图3）。结论为工业应用中水合物堵塞位置准确预测、物理法清除管道中水合物堵塞等技术，提供具较高参考价值的理论基础。同时，为冰晶体成核与生长过程、冰晶体物理学、力学特性研究，提供一种新研究视角。  

　　该成果于2021年8月17日以 Superior seedlings propagating growth pattern of hydrates 为题在线发表于中国科学院一区Top期刊（IF=13.27，世界化学工程类143个期刊中排名第四）、欧洲化学学会期刊 Chemical Engineering Journal。西北研究院冻土工程国家重点实验室张鹏副研究员为文章第一作者，吴青柏研究员为文章通讯作者。  

　　该研究获国家重点研发计划（深海关键技术与装备专项）课题三（2017YFC0307303）、国家自然科学基金面上、青年项目（41571072、41601079、 41661103）等联合资助。

文章链接https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131842

图1 甲烷水合物晶体结构在不同体系中成核与生长过程示意图 

图2 水合物晶体在1 wt.% SDS溶液中成核与生长过程 

图3 水合物晶体在去离子水、1 wt.% SDS、0.5 wt.%黏土颗粒、1 wt.%硅胶粉颗粒混合物中成核与生长过程