Теоретическое и экспериментальное исследование синтеза газовых гидратов в присутствии поверхностно- активных веществ и пористых материалов

C целью подбора потенциалов, которые наиболее точно описывают физические и химические свойства водных систем, содержащих молекулы метана и углекислого газа в рамках методов молекулярной и решёточной динамик были рассмотрены полноатомные молекулярные модели воды: трёхточечные SPC, SPC/E, SPC/Emod (модифицированный вариант потенциала SPC/E, разработанный для более точного описания термодинамических свойств кристаллических фаз воды) и четырёхточечные TIP4P, TIP4P/2005, TIP4P/Ice, а также различные модели газов – полноатомные (OPLSAA, CHARMM, EPM2 для метана и углекислого газа) и одночастичные (сокр. SP), включающие OPLS-UA для метана. Исходя из сравнения полученных результатов между собой, а также сравнения с экспериментальными данными по тепловой зависимости плотности льда Ih и линиями фазового перехода гидрат – лёд гидратов метана и углекислого газа, можно сделать вывод, что набор из трёхточечного потенциала SPC/Emod и простых одноточечных моделей способен дать более достоверные результаты для использования в рамках метода решёточной динамики, несмотря на то, что данные потенциалы являются наиболее простыми среди рассматриваемых. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что набор простых одночастичных потенциалов для описания молекул газа и четырёхточечного потенциала TIP4P/Ice способен дать достоверные результаты моделирования при меньшей затратности вычислительных мощностей. Изучено влияние наночастиц диоксида кремния на формирование гидратных фаз в присутствии СН4/CO2. Теоретический эксперимент проводили методами молекулярной динамики при начальных давлениях в системе 2.4 и 1.2 МПа и температуре 271 K для метановых и диоксид углеродных систем. Полученные результаты показали, что в присутствии наночастиц диоксида кремния время индукции образования гидрата метана уменьшилось на 79%, а количество метана, захваченного в полость гидрата, увеличилось на 55.8% при давлении 2.4 МПа. В присутствии наночастиц диоксида кремния время индукции образования гидрата диоксида кремния уменьшилось на 62%, а количество диоксида углерода, захваченного в полость гидрата, увеличилось на 27.8% при давлении 1.2 Мпа. Методами молекулярной динамики проведены исследования влияния ПАВ (SDS) на формирование гидратов метана/диоксида углерода. Частицы ПАВ (SDS) уменьшают время индукции формирования гидратов и более эффективны в зародышеобразовании гидратов метана, чем для гидратов диоксида углерода, что хорошо согласуются с экспериментальными данными. Получена зависимость величины параметра структурного порядка (F4) в системах метан (диоксид углерода)–вода, метан (диоксид углерода)–вода– SDS от времени моделирования. Теоретический эксперимент проведен методами молекулярной динамики при начальных давлениях в системе 2.0 и 3.0 МПа и температуре 275 K. Полученные результаты показали, что в присутствии 2% SDS время индукции образования гидрата метана уменьшилось на 67%, а количество метана, захваченного в полость гидрата, увеличилось на 54.4% при давлении 3.0 МПа. Показано, что в присутствии 2% SDS время индукции гидрата диоксида углерода уменьшилось на 79%, а количество диоксида углерода, захваченного в полость гидрата, увеличилось на 75.3% при давлении 2.0 МПа. Были проведены экспериментальные исследования по получению гидрата углекислого газа из коллоидного раствора SiO2. при различных концентрациях SiO2 (0 – 0,5%) и добавки SDS (0 – 0,5%). Анализ полученных экспериментальных данных полказад, что практически во всех случаях наилучшие результаты были получены при концентрации SiO2 0,3%, при всех исследуемых концентрациях SDS. Увеличение концентрации SiO2 для текущих условий эксперимента негативно сказывается на процесс гидратообразования. Хотелось бы отметить, что при получении в ультразвуковой ванне коллоидного раствора с концентрацией SiO2 0,5% он хуже стабилизировался. Дело в том, что при этой концентрации начинает возникать перколяция и коагуляция наночастиц. Интересно, что добавление в раствор SDS ухудшает процесс гидратообразования, даже для случая с нулевой концентрацией SiO2. Это связано с тем, что эксперименты проводились с перемешиванием среды, что вызывало пенообразование, что важно учитывать в дальнейших работах. Основываясь на полученных результатах можно сделать вывод, что добавление SDS в текущих опытах в среднем негативно сказывается на образование гидрата. Как уже сказано выше, перемешивание приводит к вспениванию среды, а также это связано с образованием обратных мицелл SDS на гидрофильных частичках SiO2. Наилучший результат был достигнут при концентрации SiO2 0,3% и SDS 0,1%, при котором конверсия коллоидного раствора в воду составила 28,5%. При образовании гидрата происходило повышение температуры в системе. Это связано с выделением тепла в процессе гидратообразования. В опыте с чистой водой (0 % SDS и 0% SiO2) интенсивность выделения тепла составляет 51 Дж/с в момент роста гидрата, при этом скорости процесса гидратообразования 0,12 г/с. Общая выделившаяся за весь процесс энергия составляет 45,2 кДж, то есть за время всего процесса образовалось 105 г гидрата углекислого газа. Лучший результат был получен при концентрации SDS 0,1% и SiO2 0.3%. Интенсивность выделения тепла в момент активного образования гидрата составила 169 Дж/с, а значит скорость образования гидрата составляла 0,42 г/с. При этом за всё время процесса выделилось порядка 48,3 кДж, за время процесса образовалось 112 г гидрата углекислого газа. Полученные в отчетный период (2022 год) результаты представлены в Журнале неорганической химии (Russian Journal of Inorganic Chemistry) и обсуждены на VII Всероссийской научной конференции с элементами школы молодых учёных «Теплофизика и физическая гидродинамика» (4 доклада).