本研究由Mostafa Keshavarz Moraveji（通讯作者）、Milad Golkaram、Reza Davarnejad（均来自伊朗Arak University化学工程学院）以及Majid Mahdieh（伊朗Arak University生物学院）合作完成，发表于2013年的《Journal of Molecular Liquids》第184卷。论文题为《Biosynthesized silver nanofluid effect on methane dissolution in water》，聚焦纳米流体技术对甲烷水合物形成的促进作用，旨在解决天然气水合物（Natural Gas Hydrates, NGH）工业应用中储存效率低的技术瓶颈。

学术背景

天然气水合物（NGH）因其高储气能力（单位体积可储存150-180倍体积的天然气）被视为潜在能源载体，但其缓慢的形成速率制约了工业应用。传统方法通过机械搅拌或添加表面活性剂（如十二烷基硫酸钠SDS）提升气液接触效率，但存在能耗高或环境污染风险。本研究创新性地采用生物合成的银纳米流体（biosynthesized silver nanofluid），通过降低气液界面张力增强甲烷溶解，为NGH高效形成提供新思路。研究目标包括：（1）验证纳米流体对甲烷溶解的增强效应；（2）探索不同温度（3-20°C）和压力（10-30 bar）下的优化条件。

实验流程

1. 纳米流体制备

采用作者团队前期开发的生物合成法（文献[13]），以螺旋藻（Spirulina platensis）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，符合绿色化学原则。

2. 实验装置与操作

使用定制高压反应釜（图1），核心步骤包括：
- 样品装载：向200 cm³反应釜注入纳米流体，真空泵抽除空气后充入甲烷至目标压力（10/15/30 bar）。
- 平衡阶段：初始温度设为20°C，待压力稳定后记录基线数据。
- 降温溶解：以静态（无搅拌）方式降温至3°C，实时监测压力变化（反映甲烷溶解量）。每组实验重复两次，对比纯水与纳米流体的性能差异。

3. 数据分析

采用公式（1）计算溶解度增强百分比：
[ \%\text{enhancement} = \frac{2(p_i - p_j)}{p_i + p_j} \times 100 ]
其中( p_i )为纯水的平衡压力，( p_j )为纳米流体的平衡压力。该公式量化了纳米颗粒对溶解度的提升效果。

主要结果

1. 温度与压力的协同效应

• 10 bar压力下（图2）：3°C时纳米流体将甲烷压力从10 bar降至1.8 bar，而纯水仅降至8 bar，溶解度提升达182.32%。
  
• 高压条件（图3-4）：15 bar和30 bar下提升率分别为69.74%和58.39%，表明低压环境下纳米颗粒作用更显著。
  

2. 界面张力机制

纳米颗粒在气液界面富集，降低表面能（surface tension）和界面张力（interfacial tension），增大了甲烷分子向水相的迁移驱动力。这一效应在低温（3°C）时尤为突出，因低温下气体溶解度本征增加与纳米颗粒的协同作用。

结论与价值

1. 科学价值：首次证实生物合成银纳米流体可显著提升甲烷溶解度，为NGH形成动力学研究提供了新视角。
   
2. 应用价值：相较于传统表面活性剂（如环糊精仅提升14.63%），纳米流体在10 bar/3°C下实现182.32%的增强，具备工业化潜力。
   
3. 环境友好性：生物合成法避免了化学还原剂的毒性，符合可持续发展需求。

研究亮点

• 方法创新：将生物纳米技术引入天然气水合物领域，开发低能耗、高效率的溶解促进剂。
  
• 数据显著性：182.32%的溶解度提升为同类研究最高记录之一。
  
• 跨学科融合：结合化学工程（高压反应设计）与生物技术（螺旋藻合成纳米颗粒）。
  

其他发现

论文指出银纳米颗粒可能作为水合物成核剂（nucleating agent），类似碘化银（silver iodide）的催化作用，未来可进一步研究其晶体诱导机制。