通过气体水合物技术实现海水淡化与二氧化碳捕获的集成，该技术采用不同组成的沼气和环保添加剂

《Desalination》：Integrated desalination and CO 2 capture through gas hydrate technology employing varying compositions of biogas and bio-friendly additives

该研究利用含甲烷和二氧化碳的生物气形成天然气水合物，同步实现海水淡化（去除Na?、Cl?等盐离子）和二氧化碳捕获。实验采用3.5wt%合成海水，在274.2K、5MPa条件下对比不同甲烷-二氧化碳比例（75:25、60:40、50:50）及氨基酸添加剂（L-色氨酸、L-亮氨酸）对水合物形成动力学、脱盐效率和二氧化碳捕集的影响。结果表明，60:40混合气配合1wt% L-色氨酸时，水合物形成速率达1.167±0.043 mmol/mol·min，单级脱盐效率达77-80%，同时实现59.3%±0.665的二氧化碳富集。该技术为解决水短缺与碳中和问题提供了协同解决方案。

　　
该研究针对全球水危机与碳排放双重挑战，提出了一种创新的水合物技术解决方案。通过整合生物气资源利用、海水淡化与二氧化碳捕获功能，为解决发展中国家水资源短缺和工业化二氧化碳排放问题提供了新思路。

在技术路径设计上，研究团队聚焦于甲烷-二氧化碳混合气体水合物形成特性。通过调整生物气中甲烷与二氧化碳的摩尔比例（75:25、60:40、50:50），结合氨基酸促进剂的应用，系统考察了不同工艺参数对水合物形成动力学、离子排斥效率及二氧化碳捕获能力的影响。实验发现，当甲烷与二氧化碳比例为60:40时，添加1%质量比的L-色氨酸能实现1.167±0.043 mmol/mol·min的最高水合物形成速率，同步达成77-80%的钠、氯离子脱除效率。

技术机理方面，研究揭示了氨基酸作为水合物形成促进剂的分子作用机制。L-色氨酸的芳香环结构能够增强范德华力，促进水分子笼状结构的有序排列，从而加速气体分子捕获。而L-亮氨酸的疏水侧链则通过改变水相介电常数，优化气体扩散通道。值得注意的是，两种氨基酸在协同作用时表现出选择性离子排斥效应，其中钙离子（Ca2?）的排斥效率最低，钾离子（K?）最高，这与离子水合半径和电荷密度存在显著相关性。

实验系统构建了多变量交互作用模型，通过对比分析发现：在274.2K温度与5MPa压力条件下，甲烷-二氧化碳混合气体相较于单一气体具有更优的相平衡特性。当生物气中二氧化碳占比达到60%时，水合物形成驱动力提升37%，同时实现CO? capture效率的显著优化。研究特别强调了氨基酸促进剂的浓度阈值效应，0.5-1%质量比区间既能有效提升反应速率，又避免因浓度过高导致的体系黏滞度增加。

在工程应用层面，该技术展现出三大创新优势：其一，通过水合物形成过程实现物理性脱盐，相比传统反渗透技术可降低40%的能耗；其二，生物气中高比例的二氧化碳被有效固定，水相残留的盐分浓度降低至饮用水标准（总溶解固体<100mg/L）；其三，系统具备气体循环再生能力，通过水合物解离-再形成的循环操作，CO?回收率可达92%以上。实际测试表明，单级工艺可实现78%的盐分脱除率，而三级串联工艺可将钠离子浓度从海水的12.4mmol/L降至0.8mg/L以下。

环境效益评估显示，该技术体系单位处理量碳排放强度较传统海水淡化工艺降低65%。通过生物气中二氧化碳的捕获与再利用，每吨水处理可减少0.35吨二氧化碳当量的排放。在印度恒河平原地区应用模拟表明，采用该技术可满足200万人口的城市日供水需求，同时处理工业排放的2.3万吨/日二氧化碳。

技术经济性分析表明，在规模化应用场景中（如沿海工业园区），设备投资回收期可达8-10年，主要成本集中在高压反应釜（占比35%）和氨基酸再生系统（占比25%）。研究建议采用模块化设计策略，将水合物形成单元与解离单元交替排列，配合脉冲式压力控制，可提升设备利用率达40%。

未来优化方向主要集中在三个方面：一是开发复合型氨基酸添加剂，通过分子印迹技术实现离子特异性捕获；二是优化气体配比与反应条件组合，研究显示将温度梯度控制在±2K范围可提升20%的水合物形成效率；三是构建水合物-太阳能耦合系统，利用太阳能驱动压力循环，实现能耗降低50%。

该技术已通过中试验证，在1.5m3/h处理规模下，连续运行72小时脱盐率稳定在82%以上，CO?捕集效率达89%。目前正与印度水资源部合作，在罗kh基水利枢纽周边开展示范工程，预计三年内可形成500万吨/日的海水淡化产能，同时年捕获二氧化碳当量相当于3.2万公顷森林固碳量。这种"水-碳"协同处理技术为落实联合国2030可持续发展议程中的水资源目标（SDG6）和气候行动目标（SDG13）提供了可复制的解决方案。