本研究由胡金涛、陈乃浩、李志、阚静宇等作者共同完成，分别来自齐鲁理工大学（山东科学院）山东分子工程重点实验室、中国石油大学（北京克拉玛依分校）重油加工国家重点实验室以及中国石油大学（北京）重油加工国家重点实验室。该研究发表于《Chemical Engineering Journal》2024年第483卷，文章编号为149137。
天然气水合物（Natural Gas Hydrate, NGH）是一种在适当温度和压力下由水和天然气分子组成的非化学计量结晶化合物，具有储气量大、安全性高等优点，被认为是一种理想的天然气储运技术。然而，水合物生成速率慢、实际储量低等技术瓶颈限制了其商业化应用。甲烷的传质效率是影响水合物形成速率的关键因素之一。传统的水合物生成方法如机械搅拌虽然能够改善气液接触，但其能耗高、效率低，不适用于大规模应用。为此，本研究提出了一种结合往复冲击和多孔材料（如ZIF-8和活性炭）的新方法，旨在解决单一方法导致的传质速率或转化率低的问题。
实验材料包括ZIF-8、100目活性炭、400目活性炭、甲烷气体和去离子水。ZIF-8和去离子水在实验室制备，活性炭购自上海阿拉丁生化科技有限公司，甲烷气体购自德阳特种燃气有限公司。实验装置主要由透明高压蓝宝石电池和高压釜盲电池组成，蓝宝石电池的有效工作体积为48.5 ml，最大工作压力为20 MPa，高压盲管的最大工作压力为40 MPa。整个系统通过传感器测量温度和压力，数据由数据采集系统自动采集。
ZIF-8的制备过程包括将2-甲基咪唑和六水硝酸锌分别溶于甲醇中，混合后搅拌30分钟，离心分离结晶，用甲醇清洗三次，真空干燥后研磨得到ZIF-8。
实验前，多孔材料在373.15 K的真空干燥箱中活化2-3小时。蓝宝石电池用去离子水冲洗并干燥后，加入含多孔材料和冲击器的浆液。系统用甲烷气体吹扫并抽真空三次，去除残留气体。随后，将甲烷气体注入盲电池至一定压力，启动空气浴，等待压力和温度稳定。实验过程中，通过磁力搅拌器以60次/分钟的频率搅拌浆液，待压力稳定1小时后，记录平衡压力和温度。
完成甲烷捕集实验后，将反应器内剩余甲烷气体排出，压力降至常压，水合物完全消失后再次重复实验。多次循环后，将ZIF-8颗粒进行真空干燥，进行XRD和SEM测量，验证其结构稳定性。
通过盲电池向蓝宝石电池注入的气体总量、浆液捕获的甲烷量、单位质量浆体捕获的甲烷量以及甲烷捕获率等数据均通过公式计算得出。
XRD和SEM分析表明，实验室合成的ZIF-8与文献报道一致，且在水合物形成实验后结构未发生变化，说明ZIF-8具有较强的结构稳定性，可以回收利用。
甲烷在含多孔材料的浆液中的溶解度明显高于纯水，其中5 wt% ZIF-8浆液的溶解度最高，100目和400目活性炭浆液的溶解度相近。
在不同初始压力下，往复冲击和多孔材料的协同效应显著提高了甲烷的捕获能力。在初始压力小于5 MPa时，ZIF-8和活性炭颗粒的加入提高了甲烷的捕获率，并缩短了高压下反应的平衡时间。ZIF-8颗粒的整体效果优于活性炭颗粒，尤其是在低压下，ZIF-8能够缓和水合物的形成环境，保持较高的反应速率。在高压下，ZIF-8使水合物块起绒，并在水合物壳上形成空隙，增加了毛细效应，提供了更多的气液固接触点，加速了甲烷气体通过水合物壳的流动。
本研究通过结合往复冲击和多孔材料（ZIF-8和活性炭），显著提高了水合物法甲烷捕集的效率和速率。实验结果表明，ZIF-8颗粒在低压和高压下均表现出优异的甲烷捕获能力，特别是在高压下，ZIF-8能够促进水合物多次成核，缩短反应平衡时间。活性炭颗粒虽然对甲烷捕获有一定的促进作用，但其效果不如ZIF-8稳定。这些发现为天然气捕获提供了新的策略，具有重要的科学和应用价值。
本研究还探讨了不同初始压力下往复冲击和多孔材料对甲烷捕获的协同效应，发现ZIF-8在高压下能够使水合物块起绒，并在水合物壳上形成空隙，增加了毛细效应，提供了更多的气液固接触点，加速了甲烷气体通过水合物壳的流动。这一发现为理解往复冲击与多孔材料之间的协同作用提供了新的视角，有助于进一步优化天然气捕获技术。