摘要
二氧化碳的过度排放引发全球变暖，危及全人类生存。许多国家在《巴黎协定》后提出了碳中和或净零排放的长期目标。截至2022年5月，127个国家通过纳入国家法律和政策宣誓等方式提出了碳中和目标及气候中和的相关承诺。我国将碳达峰和碳中和作为“十四五”时期的重点工作。 天然气因具有热值高、污染小、储量大、分布广等优点而受到广泛关注。现有天然气的储运方式主要分为气态储运和液态储运两种,均存在天然气泄露的安全隐患。为改善传统天然气运输方式的不足,减少运输过程中天然气的泄漏，水合物技术应运而生。 本文采用了分子动力学方法，研究了 SiO2缝隙、SDS、CTAB、金属纳米颗粒对甲烷水合物的生成和分解过程动力学及热力学特性的影响，以均方位移、扩散系数、径向分布函数、分子簇增长曲线、密度分布云图来表征均相溶液中甲烷水合物的动力学特性;以结合能及热导率变化来表征均相溶液中甲烷水合物的热力学特性。本文主要研究工作如下: (1)研究了甲烷水合物生成的最佳条件和SiO2缝隙内甲烷水合物的生成情况。采用分子动力学方法，研究了温度、压力和SiO2对甲烷水合物动力学及热力学特性的影响。分析发现均相溶液275K、15MPa时最有利于甲烷水合物生长。相比于完整SiO2体系，缺陷SiO2体系内甲烷水合物合成区域较为分散，且分布均匀。采用EMD方法和NEMD方法，计算了均相溶液和SiO2缝隙内均相溶液的热导率变化，两种方法均可得出SiO2缝隙的存在可降低均相溶液热导率。 (2)研究了 SDS分子和CTAB分子对甲烷水合物生成过程的促进机理。结果表明，质量分数为1.2％的SDS溶液中，水合物生成速率最快，均相溶液分子数相同时，SDS分子对水合物生成促进效果更好。质量分数为0.9％SDS溶液中SDS分子对甲烷分子的吸附作用强于质量分数为1.2％的CTAB溶液的CTAB分子对甲烷分子的吸附作用;两种促进剂浓度增加时，SDS分子对甲烷分子的吸附作用弱于CTAB分子。同时考虑生成速率和储气密度时，质量分数为1.2％的SDS溶液和CTAB溶液最有利于水合物的生成和甲烷气体储存。 （3）研究了金属纳米颗粒对甲烷水合物结构变化的影响，包括甲烷水合物的生成和分解过程。采用NEMD方法计算金属纳米颗粒体系的热导率随时间的变化趋势。计算结果表明:0.5nm金属纳米颗粒体系的热导率接近275K的均相溶液热导率;当粒径增大至1.0nm时，热导率升高，不利于甲烷水合物的生成和储存。通过分析结合能和密度分布云图发现，添加0.5nm纳米Cu颗粒有利于甲烷水合物异相成核，而纳米Fe颗粒表面不利于甲烷水合物成核。研究了 2.0nm和3.0nm的金属颗粒对甲烷水合物的分解作用，结果表明:添加金属纳米颗粒可明显加速甲烷水合物的分解;小粒径的金属纳米颗粒更容易破坏水合物结构;相比于金属颗粒的种类，粒径对甲烷水合物结构影响更大。 本文的研究内容可为提高甲烷水合物生成速率和储气密度的研究提供理论支持，为甲烷水合物生成促进剂的选取提供参考，对水合物稳定运输天然气具有重要意义。
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