近日,國際化工領(lǐng)域三大頂級期刊之一《Chemical Engineering Science》在線發(fā)表了題為“Experimental study on the cold-seep methane hydrate formation kinetics”的文章,報(bào)道了中國科學(xué)院海洋研究所在冷泉水合物生成動力學(xué)方面的最新研究成果,揭示了冷泉甲烷水合物形成的動力學(xué)過程,對深入了解南海冷泉甲烷水合物的形成機(jī)制及水合物資源動態(tài)生成過程的認(rèn)識具有重要意義。
天然氣水合物是氣體(自然界中主要是甲烷)與水分子在高壓低溫條件下形成的結(jié)晶化合物,廣泛分布于自然界的深海冷泉區(qū)。雖然已有實(shí)驗(yàn)室和原位實(shí)驗(yàn)對水合物的形成進(jìn)行了大量研究,但是以前的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要采用純水或者人工海水,脫離真實(shí)的原位環(huán)境;而原位實(shí)驗(yàn)由于技術(shù)的限制無法對水合物形成動力學(xué)過程進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測。因此,目前缺乏對原位冷泉甲烷水合物形成動力學(xué)的詳細(xì)研究。
針對上述問題,中國科學(xué)院海洋研究所張鑫團(tuán)隊(duì)搭載“科學(xué)”號科考船利用“發(fā)現(xiàn)”號ROV從我國南海北部臺西南冷泉區(qū)(Site F)通過保真取樣技術(shù)獲取了原位的冷泉噴口流體(圖1),在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用該流體及連續(xù)時(shí)間序列拉曼光譜技術(shù)進(jìn)行了真實(shí)海洋環(huán)境的可控實(shí)驗(yàn),對冷泉甲烷水合物的生成動力學(xué)過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)的監(jiān)測和觀察。本實(shí)驗(yàn)采用積分時(shí)間為10秒的連續(xù)時(shí)間序列拉曼光譜,觀測到從溶解態(tài)甲烷向水合物態(tài)甲烷的逐漸轉(zhuǎn)變過程(圖2),從而獲得了冷泉甲烷水合物生成動力學(xué)的詳細(xì)信息。此外,還提出了一種通過連續(xù)時(shí)間序列拉曼光譜測定水合物成核時(shí)間的新方法,可以將成核時(shí)間的確定精度提高至十秒。

圖1 采樣區(qū)域地形圖及照片

圖2 冷泉甲烷水合物生成的連續(xù)時(shí)間序列拉曼光譜
通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理分析,提出了一個(gè)冷泉甲烷水合物的生成動力學(xué)模型(圖3),將該動力學(xué)過程分為三個(gè)階段:甲烷溶解階段、不穩(wěn)定成核階段、穩(wěn)定生長階段。結(jié)果表明甲烷溶解階段受冷泉流體中鹽類的抑制作用影響,持續(xù)時(shí)間較長;而不穩(wěn)定成核階段會出現(xiàn)不定形水合物結(jié)構(gòu),但是時(shí)間很短(10秒內(nèi));最后是水合物晶體的穩(wěn)定生長階段。該模型闡明了冷泉甲烷水合物的生成動力學(xué)過程,對理解冷泉環(huán)境中的甲烷水合物形成機(jī)制以及水合物資源富集的動態(tài)過程具有重要意義。

圖3 冷泉甲烷水合物的生成動力學(xué)模型
中國科學(xué)院海洋研究所博士研究生張怡童為文章第一作者,張鑫研究員為文章通訊作者,欒振東正高級工程師、杜增豐副研究員為文章共同作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等項(xiàng)目聯(lián)合資助。
論文信息及鏈接:
Y. Zhang, Z. Du, S. Xi, L. Ma, Z. Luan, X. Zhang, Experimental study on the cold-seep methane hydrate formation kinetics, Chemical Engineering Science (2024), doi: https://doi.org/10.1016/j.ces. 2024.120144
(本文來源于中國科學(xué)院海洋研究所,“科學(xué)”號信息員封婧改編提供)