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初识可燃冰--4. 可燃冰形成的随机性 精选

已有 4885 次阅读 2022-6-20 09:43 |个人分类:可燃冰科普|系统分类:科普集锦

                                                  作者:陈强

     通过前面三期的介绍,我们已经基本认识了可燃冰、知道他们是由天然气分子和水分子在一定的温度、压力下形成的笼形结构晶体,并且依据水分子笼的结构和组合关系分为三种主要类型。那么这次在可燃冰的形成过程方面,我们再简单聊聊。

     从大的阶段来分,可燃冰形成过程包含结晶-成核-聚集-成藏等主要阶段。物理模拟观测的结果表明,可燃冰结晶成核阶段存在很多变数,从肉眼看不到的晶核出现到肉眼可见的可燃冰聚集的过程没有固定的规律,通常把这种随机性的反应时间称作诱导时间(Induction Time)。通俗来讲,就是即使当温度、压力条件都符合要求,可燃冰形成反应的开始时间仍是随机的。甚至说两次完全一样的实验条件下,合成可燃冰所需的时间也没有太多规律可循。目前其内在的控制因素还不是非常清楚,研究者从物理模拟实验和分子动力学过程进行过探究,初步了解到可燃冰形成的重要结构水分子笼的形成和消亡是非常迅速地,并且形成过程需要克服很多微观层面的作用力。因此随机出现的笼形结构能否在其短暂的生命周期内捕捉天然气分子,并且继续和其他晶核相遇固结存在很多不确定性因素。实验结果也初步证明,如果对静态的反应过程进行外界刺激(搅动、温度压力环境变化、使用促进剂等),可以大幅度缩短可燃冰的形成时间,加快他们的生长速度。

     上面提到了可燃冰的物理模拟实验,这可是研究可燃冰的重要法宝之一。因为在自然环境下寻找、观测可燃冰的技术门槛和资金消耗都异常巨大。因此在实验室中开展仿真模拟显得既经济实惠、又高效有用。一般我们用的模拟实验装置主要由高压反应釜、控温控压系统、供气系统和种类多样的传感器监测系统组成。在实验过程中通常先把水或者含水的沉积物放到反应釜中,然后进行加压降温,确保满足可燃冰的相平衡条件,条件满足后就要开始耐心的等待,等诱导时间结束可燃冰就会形成。当然为了促进生成速度,研究员们也想了一些办法,我们就暂不一一细说了。

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实验室中人工合成的可燃冰





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