环戊烷干乳液促进笼型水合物中甲烷高效存储的动力学机制研究

针对天然气水合物存储技术中形成速率慢、存储容量低的问题，研究人员通过将疏水性二氧化硅纳米颗粒与环戊烷（CP）乳液高速混合制备环戊烷干乳液（CPDE），利用其微滴堆积形成的多通道结构显著提升气液接触效率。实验表明，含2.0 wt% CP的干乳液在4.0 MPa低压条件下实现162.0 cm3·cm?3的高存储容量及7.85 cm3·cm?3·min?1的快速气体吸收速率，为温和条件下天然气水合物工业化存储提供新策略。

　　

研究背景与意义

天然气作为清洁能源，其高效存储技术是产业链的关键瓶颈。笼型水合物（Clathrate Hydrate）因能在低温高压下将160-180倍标准体积的气体分子禁锢于水分子氢键构成的空腔中，被视为极具潜力的存储介质。然而，传统水合物技术面临两大挑战：一是形成速率受限于气-液界面传质效率，二是高压条件（通常需8.0 MPa以上）大幅增加能耗与设备成本。

现有解决方案各有局限：机械搅拌虽能促进成核但能耗高；表面活性剂（如SDS）易导致泡沫污染；热力学促进剂环戊烷（Cyclopentane, CP）虽可降低形成压力至1.85 MPa（274.15 K），但连续液相体系仍存在传质阻力。与此同时，干水（Dry Water）等微滴技术通过构建微通道提升比表面积，却无法兼顾热力学优化。如何整合两者的优势，成为突破技术壁垒的关键。

研究方法与技术路线

浙江理工大学等机构的研究团队创新性地将疏水二氧化硅纳米颗粒（7-15 nm）与CP乳液高速混合，制备出兼具微滴堆积结构与油水两相特性的环戊烷干乳液（CPDE）。通过光学显微镜与低温扫描电镜（Cryo-SEM）表征其形貌，并在4.0-8.0 MPa、274.15 K条件下，采用静态高压反应釜测定不同CP浓度（1.0-5.0 wt%）体系的甲烷消耗动力学，结合气体吸收速率与存储容量评估性能。

研究结果

微形貌特征
CPDE液滴呈现均匀的核壳结构，疏水二氧化硅外壳包裹CP/水乳液内核，直径集中于20-50 μm。高剪切力形成的微滴堆积体产生贯通性微通道，较传统CP乳液比表面积提升3倍。

低压高效存储
含2.0 wt% CP的干乳液在4.0 MPa下表现最优：

• 动力学优势：气体吸收速率达7.85 cm³·cm^?3·min^?1，较干水提升40%；
• 容量突破：存储容量162.0 cm³·cm^?3，接近理论极限（180 cm³·cm^?3）；
• 成核诱导时间缩短至15分钟，仅为纯水体系的1/6。

循环稳定性
经历5次吸/脱附循环后，CPDE存储容量保持初始值的82%，优于干水（65%），但微滴结构因水合物反复生长-分解产生局部塌陷。

结论与展望

该研究通过CPDE的“微通道传质强化+CP热力学协同”机制，首次实现低压（4.0 MPa）条件下甲烷水合物的快速、高密度存储。其意义在于：

1. 技术整合：突破单一促进策略的局限性，为工业化应用提供低能耗解决方案；
2. 机理创新：揭示微滴堆积体与乳液特性的协同作用规律，推动多相界面传质理论发展；
3. 扩展应用：该方法可延伸至CO₂封存或氢能存储领域。

未来需进一步优化纳米颗粒包覆工艺以提升循环稳定性，并探索规模化制备路径。论文发表于《Journal of Molecular Liquids》，为能源存储材料设计提供新范式。