[发明专利]一种基于纤维素滤纸的气体水合物促进剂的制备方法及其应用

说明书

本发明属于天然气存储以及气体水合物生成与技术利用领域，涉及一种基于纤维素滤纸的气体水合物促进剂的制备方法及其应用。以纤维素滤纸为原料，利用水的相变使其孔结构更加开放，并通过高温热解调控滤纸表面性质特别是含氧官能团的变化实现气体水合物促进剂的高效制备。所得气体水合物促进剂比表面积大、具备分级多孔结构、表面官能团丰富，能够显著增强气液两相接触及晶体成核进而强化水合物的形成。该方法具有原料廉价易得、制备工艺简便，水合物成核及生长迅速、形成动力学可控、储气密度高、循环性能优异等优点，可广泛应用于天然气储运、二氧化碳封存、气体分离等领域。

技术领域

本发明属于气体水合物生成与利用技术领域，涉及一种基于纤维素滤纸的气体水合物促进剂的制备方法及其应用。

背景技术

天然气作为最清洁的化石燃料在一次能源消费中所占比重越来越高，受限于资源分布的不均匀性，天然气供应、消费的经济性与其存储及运输方式密切相关，液化天然气、压缩天然气等传统的储运方式生产条件苛刻、设备昂贵及安全风险高的缺点限制了其大规模应用，因此，更加安全高效的天然气储运技术亟待开发。

目前，以水合物形式进行天然气储运受到科学界与工业界的广泛关注，气体水合物是水分子与气体分子在热力学有利条件(高压和低温)下形成的笼状结晶固体，理论上1m³的水合物可以储存180m³天然气，能量密度较高；水合物技术还具有生产条件温和、安全性高以及对环境友好等优点，被认为是具有巨大应用前景的储运方式；此外，水合物技术还应用于CO₂封存、气体分离、海水淡化等领域。但是，缓慢的形成动力学是水合物技术大规模应用面临的一大挑战。

目前已经有机械扰动、添加动力学促进剂等多种方法用于增强天然气水合物形成。刘艳军等在“一种天然气水合物快速合成装置”(CN106010698A)中公开了一种通过机械搅拌促进天然气水合物转化的装置，通过提高气液接触面积从而强化水合物的形成。郭荣波等在“一种复合型气体水合物纳米促进剂及其制备方法和应用”(CN109701444A)中公开了一种利用氧化碳纳米管作为分散载体固载金属纳米粒子的复合型纳米促进剂，促进剂为水合物成核提供了更多的位点并且强化了传热传质，水合物形成的诱导时间明显缩短，生长过程显著加速。此外，樊栓狮等在“气体水合物生成促进剂及其制法和应用”(CN102784604A)中公开了一种使用疏水性二氧化硅颗粒与表面活性剂制备的“干水”，在静态体系下实现了水合物的快速形成并且具有较高的储气量。然而，上述方法在促进水合物形成时存在以下缺点：①机械扰动气-水接触面积有限，水合物成核及生长缓慢，并且需要消耗额外的能量不利于规模化生产；②纳米促进剂成本昂贵，大大提高了生产成本；③循环使用性能差，生产经济性低；④促进剂结构物性调整困难，水合物形成动力学不可控。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷提出了一种基于纤维素滤纸的气体水合物促进剂及其制备方法，以及在高效强化水合物成核及生长、提高储气密度中的应用。本发明以纤维素滤纸为原料，利用水的相变使纤维素滤纸的孔结构更加开放，并通过高温热解调控滤纸表面性质特别是含氧官能团的变化；该方法具有原料廉价易得、制备工艺简便，水合物成核及生长迅速、形成动力学可控、储气量高、循环性能优异等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于纤维素滤纸的气体水合物促进剂，所述气体水合物促进剂的比表面积在20.6～254.4m² g^-1，富含孔径为2～20nm的介孔。其以纤维素滤纸为原料，通过水的相变调控孔结构，然后在惰性气氛下进行高温热解得到气体水合物促进剂。制备过程，包括以下步骤：

(1)利用水的相变调控孔结构。将纤维素滤纸在水中浸泡后进行冷冻，然后在-48℃、9pa下进行冷冻干燥48h，得到冻干的纤维素滤纸。