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生物合成银纳米流体对水中甲烷溶解的影响

期刊:journal of molecular liquidsDOI:10.1016/j.molliq.2013.04.016

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。

学术背景

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。

研究流程

  1. 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。

  2. 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:

    • 预处理:反应器经去离子水清洗后,注入纳米流体或纯水(对照)。
    • 气体饱和:抽真空后注入甲烷至目标压力(10/15/30 bar),初始温度20℃。
    • 溶解平衡:通过冷却系统逐步降温至3℃,监测压力变化至稳态(30-60分钟)。
  3. 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。

主要结果

  1. 温度与压力影响

    • 10 bar压力下(图2):3℃时纳米流体将压力从10 bar降至1.8 bar,而纯水仅降至8 bar,溶解度提升182.32%。
    • 15 bar与30 bar(图3-4):相同温度下溶解度分别提升69.74%和58.39%,显示低压下纳米颗粒效果更显著。
  2. 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。

结论与价值

  1. 科学意义
    首次证实生物合成银纳米流体可大幅提升甲烷溶解度,为NGH形成动力学研究提供了新视角。
  2. 应用潜力
    在10 bar和3℃的优化条件下,溶解度提升超180%,显著优于传统添加剂(如环己二烯仅提升14.63%),为天然气储存技术提供了经济高效的解决方案。

研究亮点

  • 方法创新:结合生物合成纳米技术与水合物研究,开发环保型纳米流体。
  • 性能突破:在低压条件下实现甲烷溶解度的数量级提升,突破工业应用瓶颈。
  • 跨学科价值:融合化学工程、纳米技术与能源科学,推动多学科交叉发展。

其他发现

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。

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