【Carbon Neutrality論文薦讀】趙予生團隊：CH?水合物分解對降壓置換中CO?水合物封存效率影響的研究

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南方科技大學趙予生教授團隊在Carbon Neutrality上發表了CH?水合物分解對降壓置換中CO?水合物封存效率影響的研究，通過實驗和理論分析，系統研究CO?置換CH?水合物過程中的影響因素及其作用機制，得出純CH?水合物的分解能促進捕獲CO?，提高CH?的回收率和CO?的封存效率，為NGHs的高效開發提供科學依據。

文章亮點

1.結合光學顯微鏡、差示掃描量熱儀（DSC）和拉曼光譜等多種技術手段，對CH?水合物的形成與CO?置換過程進行了深入研究。

2.通過使用不同粒徑的球形硅膠（SG）作為多孔介質，模擬南海沉積物的孔隙結構，研究CH?水合物粒子大小對置換效率的影響。

3.不僅分析了CH?水合物的分解和CO?水合物的形成過程，還通過熱流和壓力變化確定了置換反應過程的時間段，進一步探明置換反應的機理。

內容簡介

隨著全球能源需求的增長和能源結構的轉型，天然氣水合物（NGHs）作為一種潛在的清潔能源，其儲量巨大，但傳統開采方法可能導致地質災害和溫室氣體泄漏。在此背景下，利用CO?置換CH?水合物中的CH?成為一種具有前景的開發策略。研究使用CO?置換NGHs中的CH?，不僅有助于安全高效地開采NGHs，高效回收CH?作為清潔能源，減少了對傳統化石燃料的依賴，降低了碳排放；還能實現CO?的地質封存，減少了大氣中的CO?濃度，有助于緩解全球變暖，具有雙重環境效益。該研究為NGHs的商業化開發提供了科學依據，推動了能源結構的優化和碳中和目標的實現。

圖文導讀

結論一

CH?水合物在SG上形成致密殼層。

CH?水合物在SG（硅膠）孔隙中完全水合轉化后，體積膨脹形成了致密的冰或水合物殼層。光學顯微鏡觀察顯示，SG II顆粒水合后直徑增加了7.9 μm，表明形成了約3.9 μm厚的水合物層。16個CH?水合物層的平均厚度為3.05 μm，與理論計算值一致。水合物殼層的形成使得水合物相與氣相的接觸面積在CO?注入過程中保持不變，這對于研究置換反應的內在動力學至關重要。

圖1. 多孔SG在完全轉化為水合物前后的立體顯微鏡圖像，包括SG II和SG III顆粒。

圖2.水顆粒轉化為水合物顆粒時直徑變化的示意圖。

結論二

純CH?水合物分解促進CO?水合物封存和置換效率。

在CH?-CO?置換過程中，分解的CH?水合物量越多，系統中CH?的分壓越高，但均低于CH?水合物的平衡分壓，從而促進了CO?的封存。純CH?水合物分解提高了CH?的回收率和殘余氣體中CH?的比例。分解過程中形成的半包合物水簇比自由水更易形成完整的CO?水合物結構，進一步降低了所需的CO?分壓。

圖3. 在不同CO?注入量下，系統壓力和溫度隨時間的變化，以及殘余氣體中CH?比例的變化。

圖4. 純CH?水合物分解量對置換效率（R.F.）、完成90%置換所需時間（T90）以及水合物與氣體之間CO?比例差異的影響。

結論三

SG顆粒直徑對置換效率的影響。

使用不同直徑的SG顆粒（SG I、SG II、SG III）進行CH?水合物合成和CH?-CO?置換實驗。較大直徑的水合物顆粒形成時間較長，表明存在擴散障礙，阻礙了CH?從氣相向SG核心的遷移。然而，SG顆粒直徑對氣體中CH?比例、壓力上升速率、置換效率（R.Fr.CH?、S.Fr.CO?）、終端壓力值以及水合物中CO?比例的影響極小。

圖5. 不同SG顆粒直徑下，氣體中CH?比例、壓力波動以及頂層CH?比例的變化。

結論四

置換過程中CH?水合物的分解。

通過DSC（高壓微差示掃描量熱儀）分析置換過程中的熱流和壓力變化，確認了CH?水合物的分解。在CO?注入和CH?釋放階段，觀察到明顯的吸熱峰，對應于CH?水合物的分解。同時，多個小的放熱反應疊加出現，表明CO?水合物的形成。CH?水合物的分解速率超過了CO?水合物的形成速率，導致系統壓力上升。

圖6. CH?-CO?水合物置換實驗中壓力、溫度和熱流隨時間的變化

圖7. 在不同CO?/水比例下，置換過程中的壓力、溫度和熱流變化，以及熱流曲線中的振蕩周期和持續時間。

結論五

不同深度和球形水合物顆粒直徑下的置換效率變化。

Raman光譜分析顯示，在不同位置和不同案例下，純CH?水合物中大籠子與小籠子的峰面積比幾乎相同。置換后，水合物顆粒中心大籠子中CH?被CO?置換的比例與SG中其他位置的比例相近。這表明由于CH?水合物在置換過程中的分解，為CO?的擴散提供了通道，使得不同深度的置換效率相同。因此，水合物顆粒的直徑對置換速率和效率沒有實際影響，整個置換過程屬于反應控制階段。

圖8. 純CH?水合物和置換后CH?-CO?水合物在不同位置和案例下的Raman光譜以及水合物顆粒表面到中心大籠子與小籠子中CH?比例的變化。

總結展望

最后，作者指出未來研究應擴大實驗規模，模擬更接近實際海底條件的環境，以驗證該技術的工業應用潛力。進一步研究不同溫度、壓力和CO?注入速率對置換效率和CO?封存量的影響，優化操作條件以提高經濟效益和環境效益。對CO?-CH?置換技術進行全生命周期環境影響評估，包括溫室氣體減排效果、生態影響及經濟成本等，為技術推廣提供全面依據。推動相關政策的制定和國際合作，促進CO?封存與NGHs開采技術的商業化應用，為實現全球碳中和目標貢獻力量。

原文信息

Investigation on the influence of CH4 hydrate dissociation on depressurization replacement efficiency in CO2 hydrate sequestration

作者：

Jun Liu*, Rongsheng Lin, Zhaoqi Zheng, Hailong Zhang, Jianfeng Gao, Bingyuan Hong, Zhenyuan Yin, Deqing Liang*, Jinlong Zhu & Yusheng Zhao

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-026-00161-2

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-026-00161-2

Cite this article：

Liu, J., Lin, R., Zheng, Z. et al. Investigation on the influence of CH4 hydrate dissociation on depressurization replacement efficiency in CO2 hydrate sequestration. Carb Neutrality 5, 8 (2026). https://doi.org/10.1007/s43979-026-00161-2

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通訊作者信息

劉軍，浙江海洋大學，講師

研究領域

主要從事水合物儲氣、氣體分離以及可燃冰置換開采研究。

個人簡介

劉軍，男，博士后，浙江海洋大學石油化工與環境學院油氣儲運系講師。2019年博士畢業于中國科學院廣州能源研究所工程熱物理專業，主要研究水合物法氣體儲存與氣體分離。2019-2022年在南方科技大學開展博士后研究，主要研究可燃冰開采與海洋二氧化碳封存。2022年入職浙江海洋大學，主講城市燃氣輸配、油氣質量檢測等課程。迄今以第一作者發表論文5篇，其中中科院1區一篇，SCI/EI四篇。第一發明人授權國家專利一項。主持博士后面上項目一項，8萬；參與深圳市天然氣水合物重點實驗室，廣州海洋實驗室深圳分部建設。參與廣州市科技計劃和廣東省促進經濟發展專項資金等項目，共計1500萬以上。曾獲王濤英才獎學金，遼寧省優秀畢業生，中國石油工程設計大賽三等獎兩項。擔任《Applied energy》和《Journal of Natural Gas Science and Engineering 》等期刊審稿人。

聯系方式

E-mail: Junliu@zjou.edu.cn

圖文來源：原文作者

編輯：Carbon Neutrality編輯部

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