電場輔助水合物生成與分解研究進展

何 燕， 高昊然， 巢 昆， 王 飛

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

根據(jù)施加電場強度的不同，本工作將相關研究情況分為3類：強電場(107～109V·m-1),中等電場(104～106V·m-1)和弱電場(10～102V·m-1)，并探討不同電場環(huán)境對水合物生成或分解的作用。

1 強電場強度下水合物研究現(xiàn)狀

由于強電場(107～109V·m-1)的實驗條件苛刻、危險性大，近些年學者們主要進行分子動力學模擬研究，分析強電場條件下水合物分解動力學以及分解后液態(tài)水的記憶效應、熱效應，得出相應的反應規(guī)律及作用機理。

1.1 電場下水的記憶效應模擬研究

對電場下液態(tài)水記憶效應的研究首先由MASSIMILIANO提出。在260～310 K、峰值強度為109V·m-1的脈沖電場的條件下對液態(tài)水進行非平衡分子動力學模擬，研究了系統(tǒng)偶極子和個體偶極子的響應，發(fā)現(xiàn)它們的自相關函數(shù)在較強的電場強度中都表現(xiàn)出較明顯的效應[23]。一旦靜電場被移除，偶極子就會放松，沒有出現(xiàn)記憶或永久的偶極排列，在幾十ps內迅速恢復到了脈沖前的形態(tài)，這說明水在強電場下缺乏記憶效應。與文獻[23]電場的研究結論相近，文獻[24]在2.0 V·m-1電場強度，250 K和6.08 MPa的外部靜電場中對塊狀CH4水合物進行了非平衡分子動力學模擬。結果發(fā)現(xiàn)，當電場強度高于1.2 V·m-1時,強籠形氫鍵網(wǎng)絡才能產(chǎn)生明顯的結構變化。對電離解的RDF分析表明，主晶格轉變?yōu)榉蔷ЫY構，同時CH4分子以“納米氣泡”的形式從坍塌的籠中釋放出來。在離解后電場去除，CH4分子無法再次進入籠狀結構，系統(tǒng)過渡到一個全新的、密度較低的結構，這也說明在強電場下水缺乏記憶效應。……