[科普中国]-笼形水合物

简介

一些低分子量气体和某些易挥发性液体,如C1-C4轻烃、N2、O2、CO2、H2S、环氧乙烷、四氢呋喃和卤代烷烃等在接近冰点温度和较高压力的条件下可与水生成一类笼形结构的冰状晶体,通常称之为笼形水合物(clathrate hydrates),简称水合物。这些能形成水合物的气体或液体被称作水合物形成物。在自然界中,自然形成的水合物大多数存在于大陆永久冻土带和海底沉积层中,其组成以甲烷为主,与天然气组成相似,常称其为天然气水合物。3

笼形水合物的结构迄今为止,已发现的水合物晶体结构有结构Ⅰ、结构Ⅱ和结构H3种。结构Ⅰ和结构Ⅱ水合物晶体都具有大小不同的两种笼形空腔,结构H则有三种不同的笼形空腔。

结构Ⅰ水合物晶体的基本单位晶格是体心立方结构,由46个水分子组成。在它们中间有8个能容纳气体分子的空腔,其中2个小空腔,6个大空腔。小空腔为正五边形十二面体(512),大空腔为由两个对置的六边形和在它们中间排列的12个五边形构成的十四面体(51262)。

结构Ⅱ水合物晶体的基本单位晶格是金刚石型面心立方结构,由136个水分子组成。在它们中间有24个能容纳气体分子进入的空腔,其中16个小空腔,8个大空腔。小空腔也是五边形十二面体(512),但稍有变形。大空腔为为由12个五边形和4个六边形构成的球形六面体(51264)。

结构H水合物晶体的基本单位晶格是六面体结构,由34个水分子组成。其基本单位晶格中有3种不同的空腔:3个512空腔,2个435663空腔和1个51268空腔。435663空腔为由20个水分子构成的呈扁球形的十二面体,51268空腔为由36个水分子构成的呈椭球形的二十面体。3

水合物分离技术的基本原理水合物分离技术的基本原理是基于水合物晶体中仅含水和水合物形成物，且水合物形成物在晶体中的组成与其在原相中不同。其主要分离步骤包括：（1）混合物中某种（或某些）组分在一定温度和压力下形成固体水合物晶体；（2）有效分离出混合物体系中的水合物晶体，然后通过降压或升温等方法将其分解为水和水合物形成物。

水合物分离技术可以适用于混和气体中水合物形成气含量较低而分离要求较高；或远低于饱和值，在较高温度下易降解、变性，且溶液成分复杂、低浓和热稳定性差的溶液，以及采用诸如精馏、萃取等的传统分离方法难以达到的经济、高效的物系分离。2

展望水合物研究方兴未艾，能源开发亦呼声愈高。水合物基础研究的不断进步推动着水合物应用技术的发展，应用技术的开发为工程实践提供了可能性。天然气水合物的开发利用必将对我国能源发展及经济进步起着重要作用，这无疑是一个宽阔的舞台。近年来，在国家有关部门的支持下，我国已初步形成一支基础研究队伍。2