Energy Reviews | 探索微流控技术：研究天然气水合物相变机制
文章题目：A review of the gas hydrate phase transition with a microfluidic approach
关键词：Clathrate hydrate, Microfluidics, Morphology, CO2 sequestration
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970222000116
近日，大连理工大学宋永臣副校长团队在Energy Reviews发表文章“A review of the gas hydrate phase transition with a microfluidic approach”, 文章详细分析了基于微流控技术的天然气水合物研究的现状和发展趋势，涵盖了水合物相变过程、影响机制、生成和分解对开采效率和可持续性的影响；探讨了微流控技术在开采领域的广泛应用、未来发展前景和可能的改进方向。
01 内容简介
1. Introduction （前言）
2. Characteristics of hydrate phase transition （水合物相变特征）
2.1. CH4 hydrates （甲烷水合物）
2.1.1. CH4 hydrate formation （甲烷水合物生成）
2.1.2. CH4 hydrate decomposition （甲烷水合物分解）
2.1.3. CH4 hydrate reformation （甲烷水合物重整）
2.2. CO2 hydrates （二氧化碳水合物）
3. Factors influencing hydrate phase transition processes （影响水合物相变过程的因素）
3.1. Driving force （驱动力）
3.2. Additives （添加剂）
3.3. Guest molecule type and saturation （客体分子类型和饱和度）
4. Extended applications （拓展应用）
4.1. Measuring techniques （测量技术）
4.2. Clogging behaviour （堵塞行为）
5. Limitations and future perspectives （局限性和未来展望）
6. Conclusions （结论）
02 内容亮点
1、天然气水合物作为一种新兴能源引起了人们的极大关注，微流控技术是一种用于直接观察天然气水合物在微通道中行为的新技术；
2、天然气水合物的分布和相变是其开发应用的关键参数，本文分析了基于微流控技术的相关研究进展，包括水合物的相变过程及其影响机理，水合物的生成和分解会直接影响到其开采的效率和可持续性；
3、文章探讨了微流控技术的广泛应用、进一步发展和可能的改进策略，随着对水合物相变机理的深入了解，水合物的商业开发有望很快实现。
03 内容导读
微流控技术可能有助于研究多孔介质中的水合物。通过多孔介质传输的能量转换和流体是自然界中发生的复杂微流体过程；从概念上讲，微流体学的想法是可以用微型设备精确地研究和操纵实现的。微流体可以看作是多孔介质内部流动的几何简化，即多孔介质的二维表示；换句话说，微流体提供了一个透明的相互连接的多孔网络，使得能够对发生在毛孔内的复杂相变过程进行光学可视化。多相流的操纵是微流控系统的另一个优势。如图所示，由于操作简单和新颖，自21世纪初以来，微流体就被用来研究水合物在孔隙中的存在状态，许多研究都集中在水合物相变的直接可视化上。
记忆效应被广泛认为是水合物重整的主要机制。如图所示，在水合物分解期间，水合物晶体变得不稳定，聚集的笼子往往彼此分离并形成水分子簇，只要温度保持在15°C以下，这些水分子就可以留在水合物分解水中。当水合物分解的水被再次用于形成水合物时，剩余的水分子簇与新的客体分子结合，以更快的速度形成水合物。此外，随着分解温度的升高和分解时间的延长，水合物的记忆效应减弱。水合物在多孔介质中的重组会引起水合物的重新分布，从而增加水合物的透明度。如图所示，在降压过程中，流体逆传热方向流动，水合物分解后的多相混合比水合物形成前的多相混合更好，这有利于水合物的形成。
04 重要结论和展望
自21世纪初以来在微观水平上对水合物的形态和动力学的研究取得了长足的进展，这些结果为统一理解水合物的相变和加深对水合物的开采和二氧化碳的封存提供了实验基础和参考。然而，水合物形态变化和相变的内部机制尚不清楚，涉及到许多复杂的过程，如热质传递和流体流动。因此，除了了解水合物相变的基本规律外，还应注意其内在机理：
1、某些添加剂(十二烷基硫酸钠、盐等)会影响水合物的相变，然而这只是考虑了有限数量的添加剂。因此，对促进剂的广泛评估对于提高天然气水合物的形成速度和为笼状化合物的技术应用而形成天然气水合物的总量至关重要。此外，需要对多孔介质中的天然气水合物抑制剂进行评估，以便为防止井筒堵塞和实现水合物开采提供更好的指导；
2、水合物在具有不同润湿性的多孔介质中的形态、分布和相变现象没有明确的描述。一些研究表明，水合物被限制在亲水性玻璃的毛孔中心；然而，需要更多关于不同接触角的颗粒表面的数据；
3、流体流动对水合物分解的影响需要详细研究。流体可以由不同的溶液形成，如纯水、海水和缓蚀剂溶液，因此还可以在流体流动条件下实时监测水合物相变过程中的渗透率；
4、到目前为止，还没有检测到微型模型的内部温度，人们期待着设计一种易于获得温度的微型模型。此外，二维微流控技术也存在局限性，要了解微流体的三维特征，必须将二维微流体与计算机断层扫描或磁共振成像相结合。此外，与真正的砂岩相比微观模型中的颗粒不能移动，因此微观模型并不能完全代表真正的核心。
通讯作者简介：
宋永臣，工程热物理领域专家，大连理工大学原党委常委、副校长，海洋能源利用与节能教育部重点实验室主任、教育部111学科引智基地主任、科技部国际合作基地主任。长期致力于我国海洋天然气水合物（可燃冰）资源开发，以及二氧化碳封存与资源化利用相关理论、方法与应用技术研究。近年来，承担包括国家重点研发计划、国家科技重大专项、国家“973”计划、国家“863”计划、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金仪器专项，科技部国际合作重大项目等国家重大科研项目20余项。发表学术论文400余篇，出版专著1部、译著4部。
引用信息：
Qingbin Liu, Yingying Liu, Jintao Xu, Ying Teng, Zheng Ling, Yi Zhang, Lanlan Jiang, Yongchen Song, "A review of the gas hydrate phase transition with a microfluidic approach", Energy Reviews, 2, 2023, 100011.
Energy Reviews
简介
《Energy Reviews》是由深圳大学主办，联合 Elsevier出版集团创办的一本国际性、跨学科、高质量开放获取 (Open Access) 学术期刊，由谢和平院士担任创刊主编，美国工程院Derek Elsworth院士、中国科学院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大学倪萌教授担任联合主编。发表能源领域前沿方向、最新进展、发展趋势、权威观点等高质量学术文章，构建全球能源一流成果和一流学者的合作交流平台，向公众传播有影响力的能源领域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理论、新方法和新技术; 能源研究的多学科（材料、物理、化学、生物等）交叉融合探索技术; 化石能源低碳利用与CCUS; 氢能、可再生能源与储能先进技术; 新型能源转换方式探索与应用; 能源领域现代信息技术（人工智能，大数据）等相关方向的优质稿件。
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