本研究由伊朗阿拉克大学工学院化学工程系的Mostafa Keshavarz Moraveji(通讯作者)、Milad Golkaram、Reza Davarnejad以及阿拉克大学理学院生物系的Majid Mahdieh合作完成,成果发表于2013年的《Journal of Molecular Liquids》第184卷(1-3页)。论文题为《生物合成银纳米流体对水中甲烷溶解的影响》,聚焦于纳米材料在天然气水合物(Natural Gas Hydrate, NGH)储存技术中的应用。
天然气水合物(NGH)因其每单位体积可储存150-180倍体积的天然气,被视为极具潜力的能源储存与运输载体。然而,其工业化应用长期受限于缓慢的水合物形成速率。传统方法通过机械搅拌或化学添加剂(如表面活性剂)提升气体溶解度,但效率有限。近年来,纳米技术因其对传热传质过程的调控能力受到关注。本研究创新性地利用生物合成的银纳米颗粒(由螺旋藻Spirulina platensis制备),探究其在降低界面张力、增强甲烷溶解中的作用,旨在为NGH的高效形成提供新策略。
纳米流体制备
采用前期研究中开发的生物合成法(Mahdieh et al., 2012),以螺旋藻为还原剂制备粒径12 nm的银纳米颗粒悬浮液。该方法避免了传统化学合成的毒性问题,具有绿色环保优势。
实验装置与操作
使用高压反应器(图1),容积200 cm³,配备真空泵、甲烷净化系统和压力传感器。实验步骤包括:
数据分析
通过压力降计算甲烷溶解度增强百分比,公式为:
[ \text{增强百分比} = \left( \frac{P{\text{纯水}} - P{\text{纳米流体}}}{P_{\text{纳米流体}}} \right) \times 100\% ]
其中(P)为平衡压力。
温度与压力影响
机制解释
银纳米颗粒通过聚集在气-液界面降低表面张力,促进甲烷分子扩散。低温(3℃)进一步强化了这一效应,因分子动能降低增强了纳米颗粒的界面稳定作用。
研究还指出,纳米颗粒的尺寸效应(12 nm)与界面行为是未来优化方向,需进一步探究颗粒浓度与长期稳定性对工业放大的影响。