天然气水合物的低温衍射分析

  天然气水合物是在一定的条件下（如温度，压力，气体饱和度等）由天 然气和水形成的类冰的，非化学计量，笼型结晶化合物，因为其遇火即可燃烧， 所以又叫“易燃冰”或“可燃冰”。在 天然气水合物中，水分子通过氢键的结合成多面体笼的骨架结构， 而天然气分子是作为客体分子被包含其中。其化学 式通常表示为M.nH2O , M 为气体分子化学式，通常为甲烷，乙烷，丙烷，丁烷等同系物。

 

  在常温常压下，天然气水合物是不稳定的。其合成和研究需要低温或高压的环境。X射线衍射作为晶体物相的重要研究手段，在天然气水合物的研究中发挥着关键的作用。配备了低温附件（样品室）的衍射仪是此类研究的重要手段。

 

  在本应用报告中，我们使用Bruker D8 ADVANCE 衍射仪测量了天然气水合物的不同相组成，及其分解的动力学。使用TOPAS软件，对天然气水合物样品进行了无标样定量计算。

 

 

仪器和配置

 

  数据采集使用的Bruker D8 ADVANCE 衍射仪。衍射仪配备了MRI高低温样品台（图１）。其变温范围为-190度到340度。低温部分为液氮制冷。控温精度可达±1度。

 

  衍射仪采用聚焦圆几何，光源为2. 2千瓦陶瓷光管。探测器为一维硅阵列探测器（LynxEye), 该配置提供了快的测量速度，高的衍射强度以及好的角度分辨率和准确性。

 

▲图1

 

总结和讨论

 

  图2是1＃样品在-180度的衍射图谱。物相检索（DIFFRAC.EVA)表明其主要物相组成为Ｉ型天然气水合物和冰。图3是2＃样品的在相同温度的衍射图谱。物相检索结果表明其主要物相组成为ＩＩ型天然气水合物和冰。

 

▲图2 1#样品的衍射图谱及物相检索

 

 ▲图3 2#样品的衍射图谱及物相检索

 

  图４是１＃样品在不同温度下的衍射图谱。可以看出，随着温度的提高，I型天然气水合物分解，其衍射强度逐渐降低。在-10度时，衍射图谱只显示冰的衍射信号。表明水合物已经*分解。

 

 ▲图4 1#样品的随温度变化的衍射图谱，显示了水合物的分解过程

 

  图5 显示的是3号样品的TOPAS 无标样定量拟合结果。3号样品中含有I 型水合物，冰和石英。TOPAS 计算表明石英的含量为84%，冰的重量百分比为5.8%，I型水合物的含量约为10%。

 

▲图5 3#样品的TOPAS无标样定量计算

 

  综上所述， 配备了低温样品室和超高速探测器的Bruker D8衍射仪是研究天然气水合物的得力工具。