本研究由伊朗Bojnord大学化学工程系的Abolfazl Mohammadi独立完成，发表于《Petroleum Science and Technology》期刊2017年第35卷第15期（2017年10月25日在线发表）。研究聚焦天然气水合物（Gas Hydrates, GHs）形成动力学领域，重点探究表面活性剂十二烷基硫酸钠（Sodium Dodecyl Sulfate, SDS）与银纳米颗粒（Silver Nanoparticles, SNPs）对甲烷水合物半完成时间（t95%）的影响机制。
学术背景
天然气水合物是由甲烷等气体分子在高压低温条件下被水分子笼形包裹形成的晶体化合物，其单位体积可储存标准状态下180倍体积的天然气，相比液化天然气（LNG）更具安全性。然而，水合物形成速率慢、完成时间长是制约其工业化应用的关键瓶颈。前期研究表明，表面活性剂（如SDS）可通过降低气液界面张力促进气体溶解，而纳米颗粒（如SNPs）能提供成核位点并增强传热，但二者对水合物形成半完成时间（定义为吸收95%总气体消耗量所需时间）的协同效应尚未系统研究。本研究旨在填补这一空白，为优化天然气储存工艺提供数据支持。
研究流程与方法
1. 实验设计与材料制备
- 反应系统：采用有效容积460 cm³的搅拌式高压反应釜，配备温度传感器（精度±0.042 K）和压力传感器（精度±0.004 MPa）。
- 添加剂制备：
- SDS溶液：纯度98%，配置300 ppm与500 ppm两种浓度。
- SNPs悬浮液：通过化学还原法合成（反应式：4Ag⁺ + N₂H₄·H₂O → 4Ag + N₂ + 4H⁺ + H₂O），SEM显示平均粒径20 nm，测试浓度45 µm与90 µm。
2. 实验条件与操作
- 参数范围：温度273.65 K与275.65 K，初始压力5 MPa、5.7 MPa与7 MPa。
- 流程：
- 反应釜预清洗后充入甲烷置换空气。
- 注入100 cm³测试溶液（纯水/SDS/SNPs/混合体系），设定温度并加压至目标值。
- 启动搅拌（25 rpm），实时记录压力-时间数据至稳态。
- 通过Peng-Robinson状态方程计算气体消耗量，确定t95%。
3. 数据分析
- 关键指标：对比不同体系下t95%的缩短幅度，评估添加剂协同效应。
- 创新方法：首次提出以t95%作为水合物形成动力学的核心评价参数，突破传统研究仅关注诱导时间或气体消耗量的局限。
主要结果
单一添加剂效果：
- SDS：500 ppm SDS在273.65 K/7 MPa下将t95%从纯水的8729分钟缩短至75.6分钟（效率提升115倍）。
- SNPs：45 µm SNPs同等条件下t95%为546.3分钟，效果显著弱于SDS。
协同效应：
- SDS+SNPs混合体系（500 ppm SDS + 45 µm SNPs）在273.65 K/5.7 MPa下t95%仅需63.7分钟，较单一添加剂进一步缩短35%以上。
- 浓度依赖性：SNPs浓度从45 µm增至90 µm时，t95%由1337.4分钟降至334.9分钟（275.65 K/7 MPa）。
压力与温度影响：
- 高压（7 MPa）和低温（273.65 K）更有利于缩短t95%，但添加剂作用在低压（5 MPa）下仍显著（纯水体系4天内未形成水合物）。
结论与价值
科学意义：
- 证实SDS通过降低界面张力、SNPs通过提供成核位点与增强传热的协同机制，为水合物动力学理论补充新证据。
- 建立t95%作为量化评价指标的方法学框架，推动研究范式从定性向定量转变。
应用价值：
- 混合添加剂方案可降低天然气水合物储运设备的能耗与时间成本，工业化潜力显著。
- 为纳米流体与表面活性剂的复合应用提供优化配比（如500 ppm SDS + 45 µm SNPs）。
研究亮点
- 创新性发现：首次揭示SDS与SNPs对t95%的协同增强效应，且SDS的贡献占主导地位。
- 方法学突破：开发高精度反应釜系统与t95%计算模型，实现动力学参数的精准捕获。
- 工程指导性：明确压力-温度-添加剂浓度的多维优化区间，可直接指导工艺设计。
其他价值
研究获伊朗国家科学基金会（INSF）资助，实验数据与SEM图像全部公开，支持后续复现与拓展研究。文末附28篇参考文献，涵盖1993-2016年关键文献，系统梳理了该领域的研究脉络。