[发明专利]一种基于气体溶剂的气体水合物耦合促进剂及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及气体水合物生成及应用技术领域，具体涉及一种基于气体溶剂的气体水合物耦合促进剂及其应用。

技术背景

气体水合物又称为笼形水合物，是在一定的温度和压力条件下由水分子通过氢键形成笼形主体晶格和被包笼在晶格中的小分子气体（H₂、N₂、CO₂、CH₄等，称为客体分子）结晶而成的一种非化学计量比的笼形冰状晶体化合物。自1810年Davy在实验室合成氯气水合物以来，气体水合物因其独特的物理化学特性已经作为一种全新的技术经广泛应用于水资源、环保、气候、油气储运、石油化工、生化制药等诸多领域。其中典型的例子有：水合物法淡化海水以弥补淡水资源的不足；水合物法分离捕集CO₂等温室气体或CH₄和H₂等清洁燃料气体；水合物法永久性的将温室气体CO₂存于海底以改善全球气候环境；以水合物的形式储存、运输天然气或氢气等清洁能源气体；水合物法溶液提浓；利用水合物的反应热用作制冷剂以及相关方面的储能等。但不管何种应用，都需要具备两个条件：一是水合物能在较为温和的条件下形成，二是气体水合物形成过程具有较高的反应速率和储气能力。对于前者，国内外已经做了大量的研究工作并取得了重要成果，比如专利CN101596393B、CN102603674A、CN101549867A等分别提出了以SDS、THF和TBAB、DTAB季铵盐等添加剂来降低水合物生成条件以促进水合物的形成，但上述专利均未涉及到如何提高气体水合物反应速率的本征问题，实验室研究也证明上述添加剂体系的水合物形成速率仍然难以满足实际应用要求。所以，如何促进水合物快速生成以及提高其储气能力是当前国内外研究亟待解决的关键问题，这也是气体水合物技术在上述应用领域的瓶颈所在。

Englezos等人认为水合物的生长过程包括三个步骤：（1）气体溶解到液相主体；（2）溶解的气体扩散到水合物周围；（3）水合物颗粒表面反应。其中第二、第三步为水合物实际的结晶过程。Skovborg和Rasmussen对上述水合物生成过程进行了简化，并且认为水合物生成速率并非由水合物的结晶过程所控制，而是由气体从气相主体到液相主体的传质所控制，即水合物生成过程是一个传质现象。显而易见，如何提高气体从气相主体到液相主体的传质方式是解决加速气体水合物快速反应以及提高其储气能力的问题的本质所在。因此，探索一种可同时降低水合物生成条件、加速水合物反应速率、提高水合物储气能力的基于气体溶剂和传统气体水合物促进剂的气体水合物耦合促进剂显得尤为迫切和关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于气体溶剂的气体水合物耦合促进剂，解决了当前气体水合物应用技术中反应速率慢、储气能力低的问题。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

本发明气体水合物耦合促进剂，由可溶于水的、可促进气体溶解的气体溶剂和降低水合物生成条件的水合物促进剂耦合而成，所述气体溶剂和水合物促进剂的物质的量的比为21:1~1:6。

所述气体溶剂为可溶于水，或能与水以任意比互溶的气体溶剂。优选为环丁砜或二甲基亚砜。

环丁砜的化学结构如下：

二甲基亚砜化学结构如下：

上述溶剂都具有官能团，特别是官能团，具有很强的氢键破坏力，较低的介电常数和较好的表面活性，可以极大的溶解CO₂、SO₂等气体分子。而这些溶剂又可和水互溶，通过这些溶剂分子的载体作用，极大的增加了气体分子与水分子的接触面积，突破了一般水合物反应体系中气液接触的局限性，可从根本上解决气体水合物反应过程中气体分子从气相到液相的传质局限，极大的提高水合物反应速率。

所述的水合物促进剂包括式（Ⅰ）、式（Ⅱ）所示的化合物：

式（Ⅰ）                          式（Ⅱ）

其中：R选自N或P；R₁、R₂、R₃、R₄选自碳原子数为1~6的烷烃；X选自Br或F、Cl、NO₃；

R₅选自O或C；R₆,R₇、R₈、R₉选自H或碳原子数为1~3的烷烃。