SDS對甲烷水合物生成動力學和微觀結構的影響

丁家祥，史伶俐，申小冬，梁德青

（1中國科學院天然氣水合物重點實驗室，廣東 廣州 510640；2 廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣東 廣州 510640；3 中國科學院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；4 中國科學院廣州天然氣水合物中心，廣東 廣州 510640；5 中國科學院大學，北京 100049）

SDS對甲烷水合物生成動力學和微觀結構的影響

丁家祥1,2,3,4,5，史伶俐1,2,3,4，申小冬1,2,3,4,5，梁德青1,2,3,4

（1中國科學院天然氣水合物重點實驗室，廣東 廣州 510640；2廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣東 廣州 510640；3中國科學院廣州能源研究所，廣東 廣州 510640；4中國科學院廣州天然氣水合物中心，廣東 廣州 510640；5中國科學院大學，北京 100049）

表面活性劑是促進水合物生成的有效手段之一。在高壓反應釜中研究了十二烷基硫酸鈉（SDS）對水合物生成過程的動力學影響，利用XRD和拉曼光譜探究了SDS存在條件下水合物的微觀結構。宏觀結果表明SDS縮短了誘導時間，加快了水合物生長速率。微觀結果表明SDS沒有影響 sI型水合物的晶型結構，晶面間距與理想sI型水合物及純水甲烷對比誤差在千分之幾。水合物中甲烷在大籠小籠中的拉曼位移分別為2904和2915 cm-1，SDS沒有改變大籠小籠結構。大籠絕對占有率（θL）接近飽和時，SDS可以進一步提高小籠絕對占有率（θS），從微觀角度證明了SDS可以減少水合數，提高儲氣率。

水合物；表面活性劑；儲氣率；動力學；絕對占有率

引 言

天然氣水合物是水與甲烷、乙烷、CO2及 H2S等小分子氣體形成的非化學計量性籠狀晶體物質，故又稱之為籠型水合物[1-2]。最近幾年水合物不僅成為重要的清潔能源，同時也成為氣體儲存和運輸的重要媒介[3]。根據報道1個標準體積的水合物可以釋放180個標準體積的天然氣[2]，與在20 MPa條件下的壓縮天然氣（200 m3·m-3）的能量密度接近[4]。因水合物巨大的儲存密度，水合物技術也被應用于CO2的捕集[5]、儲氫[6]、燃料氣的分離[7]、海水淡化[8]和污水凈化[9]等方面。由于水合物生成過程誘導時間長、生長速率慢的缺點限制了這些技術的發展[10-11]，因此促進水合物生成速度的研究具有十分重要的意義。

添加表面活性劑是一種有效而且經濟的促進水合物生成的手段，在大量表面活性劑中SDS被認為是最佳的水合物促進劑[12]，在適當的濃度下SDS可以將水合物的生長速度提高700%[13]。SDS的親水頭聚集在水的表面能有效降低水的表面張力，減小氣體進入水合物過程中的傳質阻力[14-18]。SDS促進水合物生成的作用機理目前仍然不清楚，比較認同的是 SDS存在條件下生成的水合物表面更加多孔，有利于水合物生長過程中的傳熱和傳質。大量的學者從宏觀的角度分析了 SDS對水合物生成的促進效果[13,15,19-21]，但在微觀方面的研究較為少見。本文從宏觀和微觀兩個角度出發研究了 SDS促進水合物生成的規律，包括誘導時間、水合物生長速率、晶型結構、水合物大籠小籠的絕對占有率，希望能夠從微觀的實驗結果進一步說明部分宏觀規律。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

采用自行設計的水合物動力學實驗系統，包括水浴控溫系統（溫度波動范圍±0.1℃）、高壓反應釜、進氣系統、磁力攪拌系統、數據采集系統。系統中所使用的溫度傳感器為Pt100（量程為-50～50℃，精度為±0.15℃），壓力傳感器量程為 0～15 MPa，精度為滿量程的0.1%，即±1.5 kPa。整個實驗過程中保持磁力攪拌子的轉速恒定不變，圖1為本實驗裝置的示意圖。

1.2 材料

純甲烷氣，廣州粵佳氣體有限公司提供，純度＞99.9%。實驗用水為去離子水，實驗室自制。十二烷基硫酸鈉（SDS），上海麥克林生物有限公司提供，純度＞92.5%。

圖1 水合物生成動力學實驗裝置Fig.1 Schematic of high-pressure hydrate kinetic experimental system

1.3 分析測試儀器

拉曼光譜儀（Raman），LabRAM HR Evolution型，法國HORIBA公司；X射線衍射儀（XRD），X’Pert Pro MPD型，荷蘭PANalytical公司。

1.4 實驗過程

在反應釜內注入實驗溶液，使用真空泵抽真空2 min，然后用實驗氣體反復沖洗3遍，確保排盡空氣，待反應釜內溫度穩定在設定的溫度2.2℃后，注入6 MPa的甲烷氣體，等待溫度壓力穩定后打開磁力攪拌并同時記錄溫度壓力參數。水合物完全生成后停止攪拌，用液氮將反應釜冷卻到-50℃后開釜取樣，冷卻過程是邊冷卻邊降壓，最大程度地確保不會有水合物生成和分解。所取水合物樣品保存于液氮罐中，用于微觀結構分析。

使用拉曼光譜儀在-90℃，常壓條件下測試甲烷在大籠小籠中的拉曼位移峰，激光為523 nm的激光，掃描范圍100～3500 cm-1。使用X射線衍射儀在-90℃，常壓條件下測試了水合物的晶體結構，掃描角度 2θ：5°～80°，掃描步長 0.0167°，入射光波長λ=0.154060 nm (Cu靶)。

2 實驗結果與討論

2.1 動力學實驗結果分析

圖2 (a) 給出了純水甲烷在6 MPa、2.2℃條件下水合物生成過程的壓力溫度變化曲線，其中壓力曲線的第1個突降低點為開始攪拌的瞬間，甲烷氣體溶解在水中。圖2(b)為添加了0.5% SDS體系。純水體系與添加了 SDS的體系相比整個生成過程明顯緩慢，水合物開始生成之后氣體的平均消耗速率為0.31 mmol·min-1，溫度變化不明顯，在很長一段時間內反應釜內的溫度高于體系的溫度。添加SDS的體系內水合物生長速度明顯加快，水合物誘導期結束后出現一個溫度突然升高，壓力突然降低的點，溫度從原來的2.2℃升高到了6℃左右，而純水體系的溫度只上升到了2.4℃。圖3給出了以水合開始生成點為共同起點的不同 SDS濃度下壓力隨時間的變化曲線，可以明顯看出SDS促進了水合物的生長。促進效果隨著SDS濃度的增加而增加，但增加幅度不大。隨著SDS的添加量的增加，氣體消耗量也逐步增加。分別對圖3中的6條曲線在壓力等于5.75、5.25、4.75 MPa時做切線得到斜率，并轉化成瞬時氣體消耗速率，結果在表1中列出。從中發現在SDS濃度為0.5%時，水合物平均生長速度提高15倍以上。

圖2 水合物生成壓力、溫度變化曲線Fig.2 Pressure,temperature and run time curves

圖3 不同SDS濃度下壓力隨時間變化曲線Fig.3 Pressure and run time curves at different concentration of SDS

表1 動力學實驗結果Table 1 Results of kinetic experiment

誘導時間是水合物動力學研究的一個重要因素，特別是對于水合物抑制劑的研究是一個更加重要的指標。誘導時間通常的計算方法是用水合物開始生成的時間減去氣體開始溶解的時間[22-23]。影響誘導時間的因素很多，可以歸納為3類：傳質推動力（過冷度）、傳質阻力、外界的隨機擾動。通過表1給出的動力學實驗結果，可以發現純水體系的誘導時間為22.1 min，添加0.05%、0.1%、0.2%、0.3%和0.5%的SDS后誘導時間減少到11.3、9.1、5.5、4.4和4.2 min，誘導時間的大小具有一定的隨機性，以上結果為多次實驗結果的平均值。總體上反映出SDS的添加縮短了水合物的誘導時間，且縮短程度隨著濃度的增加而增加。綜上分析可以得出SDS的添加增加了氣液間傳質速率，減小了水合物生成的誘導時間，在水合物的生成階段更是表現為對水合物生長速度15倍左右的提高。這種結果無論是對于水合物儲運技術還是水合物法氣體分離都有重要意義。

2.2 XRD實驗結果分析

X射線衍射是研究晶體結構最常用的手段，圖4 給出了純水甲烷、1% SDS甲烷、2% SDS甲烷水合物的衍射譜圖。通過對比明確找到sI水合物的特征峰，證明了實驗樣品中存在大量的水合物，在沒有標準樣的條件下無法對樣品中水合物的含量進行定量分析，但通過對比發現圖4(a) 純水甲烷體系的水合物含量明顯少于圖4(b) 和圖4(c) 中水合物的含量，衍射結果表明添加SDS的體系內所生成的水合物均為sI型。sI型水合物衍射峰最強晶面的面指數分別為（321）、（222）、（320），發現在添加 SDS之后最強峰均超過了冰峰，從微觀的角度證明了添加SDS促進了水合物的生成，增加了樣品中水合物的含量。

圖4 純水甲烷水合物、1% SDS甲烷水合物、2% SDS甲烷水合物X射線衍射圖譜Fig.4 X-Ray diffraction patterns of pure water methane hydrate and methane hydrate formed in presence of 1%SDS or 2% SDS

理想的 sI 型水合物為立方晶系，空間群為Pm3-n，晶胞參數a=1.1877(3) nm，三強線所對應的晶面間距分別為0.3177、0.3432、0.3297 nm[24-25]。根據衍射結果分析所得的純水甲烷水合物與理想sI型水合物的晶面間距的差值在千分之幾，說明測量結果是正確的。表2 給出了衍射圖譜的分析結果，對比發現添加 SDS的甲烷水合物與純水甲烷水合物的面間距之差在千分之幾或萬分之幾，這樣的結果說明 SDS的添加沒有改變甲烷水合物的結構參數。SDS只可能影響氣體進入到水合物的速度，而不能影響水合物的晶型結構。

表2 X射線衍射結果分析Table 2 Analysis of X-ray diffraction patterns

2.3 拉曼光譜實驗結果分析

拉曼光譜是目前研究水合物微觀結構的有利手段之一，基本原理是C—H鍵在不同的環境中的振動頻率有差異，在拉曼光譜中帶來的變化是拉曼位移的不同，具體的使用原理可以從相關文獻中查找[26-27]。由于水合物大籠和小籠對甲烷C—H鍵的限制程度不一樣導致了拉曼位移峰位置的不同。根據文獻中的報道sI型水合物大籠中甲烷的拉曼位移在2905 cm-1左右，小籠對C—H鍵振動頻率限制更大，導致拉曼位移增大，具體的數值在 2915 cm-1左右[28-30]。正是因為這樣的差異才使得拉曼光譜可以應用于水合物結構的測定。

圖5分別給出了純水甲烷、1%SDS甲烷、2%SDS甲烷體系的拉曼光譜圖。經過純水甲烷體系的驗證本實驗測得甲烷在大籠中的拉曼位移為2904 cm-1，在小籠中的拉曼位移為2915 cm-1。通過去卷積的方法可以將兩個重疊峰分為單獨的兩個峰，具體結果如圖5所示，計算出兩個單獨峰的面積可以大致估算出甲烷在大籠和小籠中的比例L/S。根據相關的熱力學方程可以進一步計算出甲烷在大籠和小籠中的絕對占有率，具體計算方法參考相關文獻[31-32]，此處給出簡化后的直接計算式 (1)，其中k=L/3S。

從計算的結果發現，SDS的添加同樣沒有影響甲烷在大籠小籠中拉曼位移峰的位置，與 X射線衍射結果相一致，SDS的添加不改變水合物的籠型結構和晶型結構。但添加SDS的體系L/S的值有所下降，原因可能是θL減小或者是θS增大。結果表明 3組實驗所測得的θL的值均為 0.97，而θS的值依次為 0.88、0.94和 0.96。在實驗的條件下θL達到0.97很難再進一步提高，而θS為0.88仍然可以進一步提高，SDS的添加可以通過減小傳質阻力而增加小籠的絕對占有率。定義實驗壓力與該溫度下水合物相平衡壓力之間的差值為水合物生成過程的驅動力ΔP。結合吳強等[31]的實驗結論可以對SDS促進甲烷水合物的過程做出如下分析：在驅動力小的情況下（4 MPa，2℃，ΔP=0.78 MPa），甲烷會占據大部分的小籠，此時添加 SDS后可以提升甲烷在大籠中的占有率；在驅動力大的情況下（6 MPa，2.2℃，ΔP=2.71 MPa），甲烷會占據幾乎百分之百的大籠（本實驗中為θL=0.97），此時大籠的絕對占有率已無法增加，添加 SDS后會進一步提高甲烷在小籠中的占有率。綜上所述在相同條件下 SDS可以增加或促進甲烷占據大籠和小籠，所表現出來的宏觀結果是水合物的生長速度加快、儲氣量增加、水合數下降。SDS促進水合物的生長對于水合物技術工業化應用具有較大的推動作用。

圖5 甲烷水合物拉曼光譜圖Fig.5 Raman spectra of methane hydrate

未來的工作中需要進一步定量地探究各種促進劑對于水合物生成速率的影響，從傳質傳熱的角度出發，尋找出更加普遍適用的動力學模型，并將其應用于指導水合物儲運以及水合物法氣體分離等技術，推動水合物技術工業化應用的進程。

3 結 論

本文通過X射線衍射和拉曼光譜兩種微觀手段驗證了 SDS對甲烷水合物生成過程的部分宏觀規律，具體得到以下結論。

（1）宏觀上SDS表現為對甲烷水合物生成過程誘導時間的縮短、對甲烷水合物生長速度的加快。6 MPa，2.2℃，SDS濃度為 0.5%時，水合物的生長速度提高了15.2倍。

（2）拉曼和X射線衍射的結果證明了SDS的添加對甲烷水合物晶型和大籠小籠的結構均沒有影響。

（3）在大籠絕對占有率接近飽和時，添加SDS可以促進甲烷進一步占據小籠，其促進效果隨濃度的增加而增加。

符 號 說 明

dhkl——晶面間距，nm

k——比例系數

L/S——大籠小籠中甲烷含量的比值

θhkl——衍射角，(°)

θL——大籠的絕對占有率

θS——小籠的絕對占有率

下角標

hkl——晶面指數

L——sI型水合物大籠

S——sI型水合物小籠

[1]陳光進,孫長宇,馬慶蘭.氣體水合物科學與技術 [M].北京：化學工業出版社,2008.CHEN G J,SUN C Y,MA Q L.Gas Hydrate Science and Technology[M].Beijing：Chemical Industry Press,2008.

[2]SLOAN E D,KOH C.Clathrate Hydrates of Natural Gases[M].3rd ed.New York：CRC Press,2007.

[3]FAN S S,YANG L,WANG Y H,et al.Rapid and high capacity methane storage in clathrate hydrates using surfactant dry solution[J].Chemical Engineering Science,2014,106(6)：53-59.

[4]YANG L,CUI G M,LIU D P,et al.Rapid and repeatable methane storage in clathrate hydrates using gel-supported surfactant dry solution[J].Chemical Engineering Science,2016,146：10-18.

[5]LINGA P,KUMAR R,ENGLEZOS P.The clathrate hydrate process for post and pre-combustion capture of carbon dioxide[J].Journal of Hazardous Materials,2007,149(3)：625-629.

[6]MAO W L,MAO H K,GONCHAROV A F,et al.Hydrogen clusters in clathrate hydrate[J].Science,2002,297(5590)：2247-2249.

[7]KANG S P,LEE H.Recovery of CO2from flue gas using gas hydrate：? thermodynamic verification through phase equilibrium measurements[J].Environmental Science & Technology,2000,34(20)：4397-4400.

[8]NAM P K,HONG S Y,LEE J W,et al.A new apparatus for seawater desalination by gas hydrate process and removal characteristics of dissolved minerals (Na+,Mg2+,Ca2+,K+,B3+)[J].Desalination,2011,274(1)：91-96.

[9]YOON J H,LEE H.Clathrate phase equilibria for the water-phenol-carbon dioxide system[J].AIChE Journal,1997,43(7)：1884-1893.

[10]LI H J,WANG L G.Hydrophobized particles can accelerate nucleation of clathrate hydrates[J].Fuel,2015,140：440-445.

[11]SONG Y M,WANG F,LIU G Q,et al.Promotion effect of carbon nanotubes-doped SDS on methane hydrate formation[J].Energy &Fuels,2017,31(2)：1850-1857.

[12]VELUSWAMY H P,CHEN J Y,LINGA P.Surfactant effect on the kinetics of mixed hydrogen/propane hydrate formation for hydrogen storage as clathrates[J].Chemical Engineering Science,2015,126：488-499.

[13]ZHONG Y,ROGERS R E.Surfactant effects on gas hydrate formation[J].Chemical Engineering Science,2000,55(19)：4175-4187.

[14]WANG F,JIA Z Z,LUO S J,et al.Effects of different anionic surfactants on methane hydrate formation[J].Chemical Engineering Science,2015,137：896-903.

[15]VERRETT J,POSTERARO D,SERVIO P.Surfactant effects on methane solubility and mole fraction during hydrate growth[J].Chemical Engineering Science,2012,84(52)：80-84.

[16]QIN X L,WU Q,ZHANG B Y.Effect of sodium dodecyl sulfate on the process of methane hydrate formation[J].Chemistry,2006,69(7)：519-523.

[17]ZHONG Y,ROGERS R E.Surfactant effects on gas hydrate formation[J].Chemical Engineering Science,2000,55(19)：4175-4187.

[18]李文昭,潘振,馬貴陽,等.表面活性劑吸附對促進甲烷水合物生成效果的影響[J].化工學報,2017,68(4)：1542-1549.LI W Z,PAN Z,MA G Y,et al.Promotion effects of surfactant adsorption on formation of methane hydrates[J].CIESC Journal,2017,68(4)：1542-1549.

[19]LIN W,CHEN G J,SUN C Y,et al.Effect of surfactant on the formation and dissociation kinetic behavior of methane hydrate[J].Chemical Engineering Science,2004,59(21)：4449-4455.

[20]VELUSWAMY H P,ANG W J,ZHAO D,et al.Influence of cationic and non-ionic surfactants on the kinetics of mixed hydrogen/tetrahydrofuran hydrates[J].Chemical Engineering Science,2015,132：202-215.

[21]QIN X L,QIANG W,ZHANG B Y.Effect of sodium dodecyl sulfate on the process of methane hydrate formation[J].Chemistry,2006,69(7)：519-523.

[22]BISHNOI P R,NATARAJAN V.Formation and decomposition of gas hydrates[J].Fluid Phase Equilibria,1996,117(1/2)：168-177.

[23]SKOVBORG P,NG H J,RASMUSSEN P,et al.Measurement of induction times for the formation of methane and ethane gas hydrates[J].Chemical Engineering Science,1993,48(3)：445-453.

[24]YOUSUF M,QADRI S B,KNIES D L,et al.Novel results on structural investigations of natural minerals of clathrate hydrates[J].Applied Physics A,2004,78(6)：925-939.

[25]MICHAEL T,KIRCHNER,ROLAND B,et al.Gas hydrate single-crystal structure analyses[J].Journal of the American Chemical Society,2004,126(30)：9407-9412.

[26]付娟,吳能友,盧海龍,等.激光拉曼光譜在氣體水合物研究中的應用[J].光譜學與光譜分析,2015,2015(11)：2996-3002.FU J,WU N Y,LU H L,et al.Laser Raman spectroscopy and its application in gas hydrate studies[J].Spectroscopy and Spectral Analysis,2015,2015(11)：2996-3002.

[27]劉昌嶺,李承峰,孟慶國.天然氣水合物拉曼光譜研究進展[J].光散射學報,2013,25(4)：329-337.LIU C L,LI C F,MENG Q G.Progress of Raman spectroscopic research on natural gas hydrate[J].Chinese Journal of Light Scattering,2013,25(4)：329-337.

[28]ZHOU X B,LIANG D Q,LIANG S,et al.Recovering CH4from natural gas hydrates with the injection of CO2-N2gas mixtures[J].Energy & Fuels,2015,29(2)：1009-1106.

[29]HONG S Y,JIM J I,KIM J H,et al.Kinetic studies on methane hydrate formation in the presence of kinetic inhibitorviain situRaman spectroscopy[J].Energy & Fuels,2012,26(11)：7045-7050.

[30]ZHANG Q,SHEN X D,ZHOU X B,et al.Inhibition effect study of carboxyl-terminated polyvinyl caprolactam on methane hydrate formation[J].Energy & Fuels,2017,31(1)：839-846.

[31]吳強,趙子琪,劉傳海.SDS影響下煤層氣水合物儲氣特性的Raman光譜分析[J].黑龍江科技大學學報,2016,26(1)：25-30.WU Q,ZHAO Z Q,LIU C H.Study on SDS effect on characteristic of gas storage for CMM hydrateviaRaman spectroscopy[J].Journal of Heilongjiang Institute of Science and Technology,2016,26(1)：25-30.

[32]雷懷彥,官寶聰,劉建輝,等.籠狀水合物拉曼光譜特征與結構水合數的耦合關系[J].現代地質,2005,19(1)：83-88.LEI H Y,GUAN B C,LIU J H,et al.Coupled relationship among hydrate structure,hydration number,and Raman spectrum[J].Geoscience,2005,19(1)：83-88.

date:2017-05-26.

Prof.LIANG Deqing,liangdq@ms.giec.ac.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51376182).

SDS effect on formation kinetics and microstructure of methane hydrate

DING Jiaxiang1,2,3,4,5,SHI Lingli1,2,3,4,SHEN Xiaodong1,2,3,4,5,LIANG Deqing1,2,3,4
(1CAS Key Laboratory of Gas Hydrate,Guangzhou510640,Guangdong,China;2Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development,Guangzhou510640,Guangdong,China;3Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou510640,Guangdong,China;4Guangzhou Center for Gas Hydrate Research,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou510640,Guangdong,China;5University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)

Surfactants is one of the effective methods to promote hydrate formation.The influence of Sodium dodecyl sulfate (SDS) on the formation of hydrate was studied in an autoclave.The microscopic properties for SDS hydrate samples were detected with Raman spectroscopy and powder X-ray diffraction.It was found that the presence of SDS decreased the induction time and enhanced the hydrate growth rate.The microcosmic results showed that the presence of SDS did not change the sI-type hydrate lattice structure and had less impact (a few thousandths) on the crystal spacing compared with ideal sI-type structure and pure methane hydrate.The Raman shift of C—H stretching mode from CH4encapsulated in large and small cages are all 2904 and 2915 cm-1,which illustrate SDS did not change the large and small cages structure.SDS improved the absolute small cages occupancy (θL) as the absolute large cages occupancy (θS) approached saturation,and this is also demonstrated that SDS can reduce hydration number and increase storage capacity.

hydrate; surfactants; storage capacity; kinetics; absolute occupancy

TE 89

A

0438—1157（2017）12—4802—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20170687

2017-05-26收到初稿，2017-07-24收到修改稿。

聯系人：梁德青。

丁家祥（1993—），男，碩士研究生。

國家自然科學基金項目（51376182）。