Исследование механизма гетерогенного гидратообразования для опреснения морской воды

В ходе работ по проекту было проведено исследование механизма гидратообразования в растворах чистой и морской воды для запланированных газовых смесей «фреон-14+пропан», «фреон14+изо-/н-бутан», а также дополнительно для смесей «метан+пропан» и «метан+изобутан» в присутствии гидратной затравки, а также без неё. Помимо этого исследован процесс образования гидрата фреона в аналогичных описанным выше системам с добавлением промоутера – тетрагидрофурана (ТГФ). Исследование велось в рамках методов молекулярной и решёточной динамик. Впервые предсказано, что при определённых условиях можно добиться роста гидратов вне области их термодинамической стабильности гидратов из пересыщенных гомогенных смесей, которые должны быть метастабильными по отношению к разделению фаз. Так был показан рост гидрата метана при температуре плавления льда и атмосферном давлении (см. препринт Scientific Reports): можно предположить, что природа этого процесса связана с достаточно высоким энтропийным вкладом молекул-гостей в химический потенциал молекул воды в гидратной фазе. Этот вклад делает термодинамически более выгодным трансформацию сетки водородных связей метастабильного жидкого раствора в сетку водородных связей стабильной решётки гидрата. В рассматриваемых системах можно наблюдать два типа зародышеообразования – гомогенное и гетерогенное. Гомогенное зародышеобразование наблюдалось в пересыщенных растворах как коллективный, нелокализованный, процесс перестроения структуры раствора (сетки водородных связей воды), начинающийся до начала даже стохастического роста гидратных полостей. При этом как для однокомпонентных так и для двухкомпонентных газовых смесей молекулярное перемешивание приводит к значительному снижению индукционного времени. Гетерогенное зародышеобразование наблюдалось в присутствии затравочного кристалла гидрата. Наличие затравки позволило значительно снизить индукционное время при малых концентрациях растворённого газа, а также, в целом, повысить скорость образования гидратных полостей. Как и для гидратов, образованных одним типом молекул гостей, для процесса образования гидрата из смеси газов не обнаружено влияния морской соли на кинетику гидратообразования и показано влияние на термодинамические свойства.