蒙脱石、高岭石与膨润土吸附水体系中甲烷水合物形成的对比研究及其地质意义

研究人员针对含天然气水合物沉积岩中黏土组分的关键作用，通过对比蒙脱石（montmorillonite）、高岭石（kaolinite）和膨润土（bentonite）吸附水体系中的甲烷水合物（CS I型）形成行为，揭示了层电荷与阳离子组成对水合物分解温度范围（-20至+20°C）及转化率（0.13-1.0）的调控机制，为天然气水合物资源开发提供理论支撑。

　　

天然气水合物作为未来潜在能源，其形成与稳定机制备受关注。沉积岩中的黏土矿物（clay minerals）是影响水合物赋存的关键因素，但不同黏土类型对水合物形成的调控规律尚不明确。俄罗斯科学院西伯利亚分院化学研究所（NIICh SB RAS）的Andrey Y. Manakov团队在《Journal of Molecular Liquids》发表研究，首次系统对比了蒙脱石（montmorillonite）、高岭石（kaolinite）和膨润土（bentonite）三种典型黏土中甲烷水合物的形成特性。

研究人员采用高压差示扫描量热法（high-pressure DSC）结合氮气吸附孔隙分析技术，在60-110 bar压力范围内精确测定了水合物分解的P-T曲线，并通过水吸附等温线（water adsorption isotherms）和阳离子交换容量（CEC）分析揭示了材料本征特性。

实验结果显示：

1. 分解温度范围差异：蒙脱石中水合物从-20°C开始逐步分解，跨越远低于体相水合物平衡点（bulk hydrate equilibrium）的宽温区；而高岭石和膨润土仅出现-1至+1°C的窄温区分解。
2. 转化率梯度：水-水合物转化率呈高岭石（0.7-1）>蒙脱石（0.45-0.76）>膨润土（0.13-0.20）的显著差异。
3. 结构归因：X射线衍射（XRD）证实蒙脱石的TOT三层结构（tetrahedral-octahedral-tetrahedral）与高岭石TO双层结构（tetrahedral-octahedral）对水分子束缚能存在本质区别。

讨论部分指出：

1. 层电荷效应：蒙脱石层间负电荷（layer charge）需通过Na⁺/Ca²⁺等阳离子补偿，其水合作用显著削弱了水分子的氢键网络构建能力。
2. 孔径分布影响：累计孔隙分布（cumulative pore size distribution）显示蒙脱石52.4 nm与高岭石49.5 nm的最大充水孔径差异，但Gibbs-Thomson方程仅能部分解释分解行为，表明表面化学性质的协同作用不可忽视。

该研究首次建立黏土层电荷-阳离子组成-水合物稳定性的构效关系模型，为天然气水合物储层评估提供了新的理论框架。特别是发现蒙脱石中宽温区分解现象，暗示自然界黏土质沉积层可能通过"缓冲效应"延长水合物稳定存在时间，这对极地和水深区资源勘探具有重要指导价值。