Клатрат углекислого газа
![]() | Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( июнь 2012 г. ) |
углекислого газа Гидрат или клатрат углекислого газа представляет собой снегообразное кристаллическое вещество, состоящее из водяного льда и углекислого газа . [1] Обычно это газовый клатрат I типа . [2] Также были получены некоторые экспериментальные доказательства развития метастабильной фазы типа II при температуре, близкой к температуре плавления льда. [3] [4] [5] Клатрат может существовать при температуре ниже 283 К (10 ° C) в диапазоне давлений углекислого газа. CO 2 Гидраты широко изучаются во всем мире из-за их многообещающих перспектив улавливания диоксида углерода из потоков дымовых и топливных газов, необходимых для улавливания до и после сжигания. [6] [7] [8] [9] Вполне вероятно, что это также будет важно на Марсе из-за присутствия углекислого газа и льда при низких температурах.
История
[ редактировать ]Первые свидетельства существования CO 2 гидратов относятся к 1882 году, когда Зигмунт Флорентий Врублевский [10] [11] [12] сообщил об образовании клатрата при изучении угольной кислоты . Он отметил, что газогидрат представляет собой белое вещество, напоминающее снег, и может образоваться при повышении давления выше определенного предела в его H 2 O – CO 2 системе . Он был первым, кто оценил состав гидрата CO 2 , найдя его примерно равным CO 2 ·8H 2 O. Он также упоминает, что «...гидрат образуется только на стенках трубки, где слой воды чрезвычайно тонкая или на свободной поверхности воды... (с французского) » Это уже указывает на важность поверхности, доступной для реакции (т. е. чем больше поверхность, тем лучше). Позднее, в 1894 г., М. П. Виллар установил состав гидрата как CO 2 ·6H 2 O. [13] Три года спустя он опубликовал кривую диссоциации гидрата в диапазоне от 267 до 283 К (от -6 до 10 °C). [14] Тамман и Криге измерили кривую разложения гидрата от 253 К до 230 К в 1925 году. [15] и Frost & Deaton (1946) определили давление диссоциации в диапазоне от 273 до 283 К (от 0 до 10 °C). [16] Такенучи и Кеннеди (1965) измерили кривую разложения от 45 бар до 2 кбар (от 4,5 до 200 МПа ). [17] Гидрат CO 2 отнесен к клатрату типа I фон Штакельбергом и Мюллером (1954). был впервые [18]
Важность
[ редактировать ]Земля
[ редактировать ]
На Земле гидрат CO 2 представляет преимущественно академический интерес. Тим Коллетт из Геологической службы США (USGS) предложил закачивать углекислый газ в подземные клатраты метана , тем самым высвобождая метан и сохраняя углекислый газ. [19] По состоянию на 2009 год ConocoPhillips вместе с Министерством энергетики США работает над испытанием на Северном склоне Аляски по выделению метана таким способом. [20] [19] На первый взгляд кажется, что термодинамические условия там благоприятствуют существованию гидратов, однако, поскольку давление создается морской водой, а не CO 2 , гидрат будет разлагаться. [21] Недавно профессор Правин Линга и его группа в сотрудничестве с ExxonMobil продемонстрировали первые в истории экспериментальные доказательства стабильности гидрата углекислого газа в глубоководных океанических отложениях. [22] [23] [24]
Марс
[ редактировать ]Однако считается, что клатрат CO 2 может иметь существенное значение для планетологии . CO 2 является распространенным летучим веществом на Марсе . Он доминирует в атмосфере покрывает полярные ледяные шапки и большую часть времени . В начале семидесятых годов было высказано предположение о возможном существовании гидратов CO 2 на Марсе. [25] Недавнее рассмотрение температуры и давления реголита , а также теплоизоляционных свойств сухого льда и CO 2 . клатрата [26] предположил, что сухой лед, CO 2 клатрат , жидкий CO 2 и газированные грунтовые воды являются обычными фазами даже при марсианских температурах. [27] [28] [29]
Если CO 2 , как предполагают некоторые авторы, в марсианских полярных шапках присутствуют гидраты [30] [31] [32] [28] тогда полярная шапка потенциально может расплавиться на глубине. Таяние полярной шапки было бы невозможно, если бы она целиком состояла из чистого водяного льда (Меллон и др., 1996). клатрата Это связано с более низкой теплопроводностью , более высокой стабильностью под давлением и более высокой прочностью. [33] по сравнению с чистым водяным льдом.
Остается вопрос о возможном суточном и годовом СО 2 цикле гидрата на Марсе, поскольку наблюдаемые там большие амплитуды температуры вызывают выход и повторный вход в поле устойчивости клатрата на суточной и сезонной основе. Вопрос в том, можно ли каким-либо образом обнаружить осаждающийся на поверхности гидрат газа? OMEGA Спектрометр на борту Mars Express предоставил некоторые данные, которые были использованы командой OMEGA для создания CO 2 и H 2 изображений южной полярной шапки на основе O. Никакого окончательного ответа не было дано относительно образования марсианского клатрата CO 2 . [ нужна ссылка ]
разложение гидрата CO 2 Считается, что играет значительную роль в процессах терраформирования на Марсе, и многие наблюдаемые особенности поверхности частично объясняются им. Например, Musselwhite et al. (2001) утверждали, что марсианские овраги образовались не из жидкой воды, а из жидкого CO 2 , поскольку современный марсианский климат вообще не допускает существования жидкой воды на поверхности. [34] Это особенно актуально в южном полушарии, где встречается большинство овражных структур. Однако вода там может присутствовать в виде льда Ih , гидратов CO 2 или гидратов других газов. [35] [36] Все это при определенных условиях может расплавиться и привести к образованию оврагов. Также может быть жидкая вода на глубине более 2 км под поверхностью (см. геотермические явления на фазовой диаграмме). Считается, что марсианские хаотичные ландшафты образовались в результате таяния подземного льда под воздействием высоких тепловых потоков . [37] Милтон (1974) предположил, что разложение клатрата CO 2 вызывает быстрый отток воды и образование хаотичных ландшафтов. [38] Каброль и др. (1998) предположили, что физическая среда и морфология южных полярных куполов Марса предполагают возможный криовулканизм . [39] Обследованный регион состоял из слоистых отложений мощностью 1,5 км, сезонно покрытых CO 2 инеем. [40] подстилается льдом H 2 O и гидратом CO 2 на глубинах > 10 м. [25] Когда давление и температура поднимаются выше предела устойчивости, клатрат разлагается на лед и газы, что приводит к взрывным извержениям .
еще много примеров возможного значения гидрата CO 2 Можно привести на Марсе. Остаётся неясным одно: действительно ли там возможно образование гидрата? Киффер (2000) предполагает, что у поверхности Марса не может существовать значительного количества клатратов. [41] Стюарт и Ниммо (2002) считают крайне маловероятным присутствие клатрата CO 2 в марсианском реголите в количествах, которые могли бы повлиять на процессы модификации поверхности. [42] Они утверждают, что долгосрочное хранение гидрата CO 2 в земной коре, гипотетически образовавшейся в древнем более теплом климате, ограничено скоростью удаления в современном климате. [42] Бейкер и др. 1991 предполагает, что если не сегодня, то, по крайней мере, в ранней геологической истории Марса клатраты могли сыграть важную роль в изменении климата там. [43] , а также об их физических и структурных свойствах известно не так уж много Поскольку о кинетике образования и разложения гидратов СО 2 , становится ясно, что все вышеперечисленные предположения опираются на крайне неустойчивые основания.
Луны
[ редактировать ]На Энцеладе разложение клатрата углекислого газа является возможным способом объяснения образования газовых шлейфов. [44]
На Европе (Луна) клатрат должен играть важную роль в хранении углекислого газа. В условиях подземного океана Европы клатрат углекислого газа должен тонуть и, следовательно, не проявляться на поверхности. [44]
Фазовая диаграмма
[ редактировать ]
Гидратные структуры стабильны при различных условиях давления и температуры в зависимости от молекулы-гостя. Здесь приведена фазовая диаграмма гидрата CO 2 , связанная с Марсом, в сочетании с диаграммами чистого CO 2 и воды. [46] Гидрат CO 2 имеет две четверные точки: (I-Lw-HV) ( T = 273,1 К; p = 12,56 бар или 1,256 МПа) и (Lw-HV-LHC) ( T = 283,0 К; p = 44,99 бар или 4,499 МПа). ). [47] Сам CO 2 имеет тройную точку при Т = 216,58 К и р = 5,185 бар (518,5 кПа) и критическую точку при Т = 304,2 К и р = 73,858 бар (7,3858 МПа). Темно-серая область (VIH) представляет условия, при которых гидрат CO 2 стабилен вместе с газообразным CO 2 и водяным льдом (ниже 273,15 К). По горизонтальным осям температура указана в кельвинах и градусах Цельсия (внизу и вверху соответственно). На вертикальных дано давление (слева) и предполагаемая глубина марсианского реголита (справа). Горизонтальная пунктирная линия на нулевой глубине представляет средние условия на поверхности Марса. Две изогнутые пунктирные линии показывают две теоретические марсианские геотермы по данным Стюарта и Ниммо (2002) на широте 30° и 70°. [42]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хасан, Хусейн; Зебардаст, Сохейл; Романос, Джимми (08 сентября 2022 г.). «Новый высокостабильный гидрат двуокиси углерода из новой синергической смеси добавок: экспериментальные и теоретические исследования» . Журнал химических и инженерных данных . 67 (9): 2495–2504. doi : 10.1021/acs.jced.2c00239 . ISSN 0021-9568 .
- ^ Слоан, Э. Денди (1998). Клатратные гидраты природных газов (2-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8247-9937-3 . [ нужна страница ]
- ^ Хасан, Хусейн; Зебардаст, Сохейл; Романос, Джимми (08 сентября 2022 г.). «Новый высокостабильный гидрат двуокиси углерода из новой синергической смеси добавок: экспериментальные и теоретические исследования» . Журнал химических и инженерных данных . 67 (9): 2495–2504. doi : 10.1021/acs.jced.2c00239 . ISSN 0021-9568 .
- ^ Флейфель, Фуад; Девлин, Дж. Пол (май 1991 г.). «Эпитаксиальный рост гидрата клатрата углекислого газа: спектроскопические доказательства образования простого гидрата углекислого газа типа II». Журнал физической химии . 95 (9): 3811–3815. дои : 10.1021/j100162a068 .
- ^ Стайкова, Доротея К.; Кухс, Вернер Ф.; Саламатин Андрей Н.; Хансен, Томас (1 сентября 2003 г.). «Образование пористых газовых гидратов из ледяных порошков: дифракционные эксперименты и многостадийная модель». Журнал физической химии Б. 107 (37): 10299–10311. дои : 10.1021/jp027787v .
- ^ Кан, Сон-Пиль; Ли, Хуэн (1 октября 2000 г.). «Извлечение CO 2 из дымовых газов с использованием газового гидрата: термодинамическая проверка посредством измерений фазового равновесия». Экологические науки и технологии . 34 (20): 4397–4400. Бибкод : 2000EnST...34.4397K . дои : 10.1021/es001148l .
- ^ Линга, Правин; Кумар, Раджниш; Энглезос, Питер (19 ноября 2007 г.). «Процесс клатратного гидрата для улавливания диоксида углерода после и перед сжиганием». Журнал опасных материалов . 149 (3): 625–629. дои : 10.1016/j.jhazmat.2007.06.086 . ПМИД 17689007 .
- ^ Бабу, Поннивалаван; Линга, Правин; Кумар, Раджниш; Энглезос, Питер (1 июня 2015 г.). «Обзор процесса разделения газов на основе гидратов (HBGS) для улавливания углекислого газа перед сжиганием». Энергия . 85 : 261–279. дои : 10.1016/j.energy.2015.03.103 .
- ^ Херцог, Ховард; Мелдон, Джерри; Хаттон, Алан (апрель 2009 г.). после сгорания CO 2 Усовершенствованное улавливание (PDF) (отчет).
- ^ Вроблевский, Зигмунт Флорентий (1882). «О соединении угольной кислоты и воды». Comptes Rendus de l’Académie des Sciences (на французском языке). 94 : 212–213.
- ^ Вроблевский, Зигмунт Флорентий (1882). «О составе гидрата угольной кислоты». Comptes Rendus de l’Académie des Sciences (на французском языке). 94 : 254–258.
- ^ Вроблевский, Зигмунт Флорентий (1882). «О законах растворимости угольной кислоты в воде при высоких давлениях» . Comptes Rendus de l’Académie des Sciences (на французском языке). 94 : 1355–1357.
- ^ Виллар, член парламента (1884 г.). «Об углекислом газе и составе газовых гидратов». Comptes Rendus de l’Académie des Sciences (на французском языке). 119 . Париж: 368–371.
- ^ Виллар, член парламента (1897). «Экспериментальное исследование газовых гидратов» . Анналы химии и физики (на французском языке). 11 (7): 289–394.
- ^ Тамманн, Г.; Криге, GJB (1925). «Равновесные давления газовых гидратов». Журнал неорганической и общей химии (на немецком языке). 146 : 179–195. дои : 10.1002/zaac.19251460112 .
- ^ Фрост, Э.М.; Дитон, WM (1946). «Состав газовых гидратов и данные о равновесии». Нефтегазовый журнал . 45 : 170–178.
- ^ Такэнучи, Сукуне; Кеннеди, Джордж К. (1 марта 1965 г.). «Давление диссоциации фазы CO 2 · 5 3/4 H 2 O». Журнал геологии . 73 (2): 383–390. дои : 10.1086/627068 . S2CID 220451948 .
- ^ Штакельберг, М.В.; Мюллер, HR (1954). «Твердые газовые гидраты II. Структура и пространственная химия». Журнал электрохимии, отчеты Общества физической химии Бунзена (на немецком языке). 58 (1): 25–39. дои : 10.1002/bbpc.19540580105 . S2CID 93862670 .
- ^ Jump up to: а б Маршалл, Майкл (26 марта 2009 г.). «Горящий лед может быть зеленым ископаемым топливом» . Новый учёный .
- ^ «Полевые испытания по производству метангидратов» (PDF) . КонокоФиллипс . 1 октября 2008 г. Архивировано из оригинала (PDF) 20 ноября 2008 г.
- ^ Брюэр, Питер Г.; Фридрих, Гернот; Пельтцер, Эдвард Т.; Орр, Франклин М. (7 мая 1999 г.). «Прямые эксперименты по удалению ископаемого топлива CO 2 в океан » (PDF) . Наука . 284 (5416): 943–945. Бибкод : 1999Sci...284..943B . дои : 10.1126/science.284.5416.943 . ПМИД 10320370 . S2CID 43660951 . Архивировано из оригинала (PDF) 19 июля 2020 года.
- ^ «Исследования NUS показывают, что CO2 может храниться ниже дна океана» .
- ^ «Хранение углерода под морским дном может быть возможным, исследование показывает, как это сделать» . Архивировано из оригинала 14 марта 2022 г. Проверено 15 марта 2022 г.
- ^ М. Фахед, Куреши; Чжэн, Цзюньцзе; Хандельвал, Химаншу; Венкатраман, Прадип; Усади, Адам; Тимоти, Баркгольц; Мхадешвар, Ашиш; Линга, Правин (март 2022 г.). «Лабораторная демонстрация устойчивости гидратов CO 2 в глубоководных океанических отложениях». Химико-технологический журнал . 432 : 134290. doi : 10.1016/j.cej.2021.134290 . S2CID 245585287 .
- ^ Jump up to: а б Миллер, Стэнли Л.; Смайт, Уильям Д. (30 октября 1970 г.). «Клатрат углекислого газа в ледяной шапке Марса». Наука . 170 (3957): 531–533. Бибкод : 1970Sci...170..531M . дои : 10.1126/science.170.3957.531 . ПМИД 17799706 . S2CID 27808378 .
- ^ Росс, Рассел Г.; Каргель, Джеффри С. (1998). «Теплопроводность льдов Солнечной системы с особым упором на полярные шапки Марса» . В Шмитте, Б.; де Берг, К.; Фесту, М. (ред.). Льды Солнечной системы . Спрингер. стр. 33–62. дои : 10.1007/978-94-011-5252-5_2 . ISBN 978-94-011-5252-5 .
- ^ Ламберт, Р.Ст.Дж.; Чемберлен, Вирджиния (июнь 1978 г.). «Вечная мерзлота CO 2 и топография Марса». Икар . 34 (3): 568–580. Бибкод : 1978Icar...34..568L . дои : 10.1016/0019-1035(78)90046-5 .
- ^ Jump up to: а б Хоффман, Н. (август 2000 г.). «Белый Марс: новая модель поверхности и атмосферы Марса на основе CO 2 ». Икар . 146 (2): 326–342. Бибкод : 2000Icar..146..326H . дои : 10.1006/icar.2000.6398 .
- ^ Каргель, Дж.С.; Танака, КЛ; Бейкер, VR; Комацу, Г.; Макайил, ДР (март 2000 г.). «Образование и диссоциация клатратных гидратов на Марсе: полярные шапки, северные равнины и высокогорья». Конференция по науке о Луне и планетах : 1891 г. Бибкод : 2000LPI....31.1891K .
- ^ Клиффорд, Стивен М.; Крисп, Дэвид; Фишер, Дэвид А.; Херкенхофф, Кен Э.; Смрекар, Сюзанна Э.; Томас, Питер С.; Винн-Уильямс, Дэвид Д.; Зурек, Ричард В.; Барнс, Джеффри Р.; Биллс, Брюс Г.; Блейк, Эрик В.; Кэлвин, Венди М.; Кэмерон, Джонатан М.; Карр, Майкл Х.; Кристенсен, Филип Р.; Кларк, Бентон С.; Клоу, Гэри Д.; Каттс, Джеймс А.; Даль-Йенсен, Дорте; Дарем, Уильям Б.; Фанале, Фрейзер П.; Фармер, Джек Д.; Забудь, Франсуа; Готто-Адзума, Кумико; Грар, Режан; Хаберле, Роберт М.; Харрисон, Уильям; Харви, Ральф; Ховард, Алан Д.; Ингерсолл, Энди П.; Джеймс, Филип Б.; Каргель, Джеффри С.; Киффер, Хью Х.; Ларсен, Янус; Леппер, Кеннет; Малин, Майкл С.; МакКлиз, Дэниел Дж.; Мюррей, Брюс; Най, Джон Ф.; Пейдж, Дэвид А.; Платт, Стивен Р.; Плаут, Джефф Дж.; Рих, Нильс; Райс, Джеймс В.; Смит, Дэвид Э.; Стокер, Кэрол Р.; Танака, Кеннет Л.; Мосли-Томпсон, Эллен; Торстейнссон, Торстейн; Вуд, Стивен Э.; Зент, Аарон; Зубер, Мария Т.; Джей Звалли, Х. (1 апреля 2000 г.). «Состояние и будущее полярной науки и исследования Марса» . Икар . 144 (2): 210–242. Бибкод : 2000Icar..144..210C . дои : 10.1006/icar.1999.6290 . ПМИД 11543391 . S2CID 878373 .
- ^ Най, Дж. Ф.; Дарем, ВБ; Шенк, ПМ; Мур, Дж. М. (1 апреля 2000 г.). «Нестабильность южной полярной шапки Марса, состоящей из углекислого газа». Икар . 144 (2): 449–455. Бибкод : 2000Icar..144..449N . дои : 10.1006/icar.1999.6306 .
- ^ Якоски, Брюс М.; Хендерсон, Брэдли Г.; Меллон, Майкл Т. (1995). «Хаотическое наклонение и природа марсианского климата». Журнал геофизических исследований: Планеты . 100 (Е1): 1579–1584. Бибкод : 1995JGR...100.1579J . дои : 10.1029/94JE02801 .
- ^ Дарем, Всемирный банк (январь 1998 г.). «Факторы, влияющие на реологические свойства марсианского полярного льда». Полярная наука и исследование Марса . 953 : 8. Бибкод : 1998LPICo.953....8D .
- ^ Масселуайт, Дональд С.; Мошенничество, Тимоти Д.; Лунин, Джонатан И. (2001). «Выброс жидкого CO 2 и образование недавних небольших оврагов на Марсе» . Письма о геофизических исследованиях . 28 (7): 1283–1285. Бибкод : 2001GeoRL..28.1283M . дои : 10.1029/2000GL012496 . S2CID 128618432 .
- ^ Макс, Майкл Д.; Клиффорд, Стивен М. (2001). «Инициирование марсианских каналов оттока: связано с диссоциацией газогидрата?». Письма о геофизических исследованиях . 28 (9): 1787–1790. Бибкод : 2001GeoRL..28.1787M . дои : 10.1029/2000GL011606 . S2CID 129028468 .
- ^ Пелленбарг, Роберт Э.; Макс, Майкл Д.; Клиффорд, Стивен М. (2003). «Гидраты метана и углекислого газа на Марсе: потенциальное происхождение, распространение, обнаружение и последствия для будущего использования ресурсов на месте» . Журнал геофизических исследований: Планеты . 108 (E4): 8042. Бибкод : 2003JGRE..108.8042P . дои : 10.1029/2002JE001901 .
- ^ Маккензи, Дэн; Ниммо, Фрэнсис (январь 1999 г.). «Порождение марсианских наводнений в результате таяния подземного льда над дамбами». Природа . 397 (6716): 231–233. Бибкод : 1999Natur.397..231M . дои : 10.1038/16649 . ПМИД 9930697 . S2CID 4418119 .
- ^ Милтон, ди-джей (15 февраля 1974 г.). «Гидрат углекислого газа и наводнения на Марсе». Наука . 183 (4125): 654–656. Бибкод : 1974Sci...183..654M . дои : 10.1126/science.183.4125.654 . ПМИД 17778840 . S2CID 26421605 .
- ^ Каброл, Северная Каролина; Грин, Э.А.; Ландхейм, Р.; Маккей, CP (март 1998 г.). «Кривулканизм как возможное происхождение блинных куполов в районе места посадки Марса 98: актуальность для реконструкции климата и экзобиологических исследований» (PDF) . Конференция по науке о Луне и планетах (1249): 1249. Бибкод : 1998LPI....29.1249C .
- ^ Томас, П.; Сквайрс, С.; Херкенхофф, К.; Ховард, А.; Мюррей, Б. (1992). «Полярные месторождения Марса». Марс : 767–795. Бибкод : 1992mars.book..767T .
- ^ Киффер, Хью Х. (10 марта 2000 г.). «Клатраты не виноваты». Наука . 287 (5459): 1753б–1753. дои : 10.1126/science.287.5459.1753b . S2CID 129784570 .
- ^ Jump up to: а б с Стюарт, Сара Т.; Ниммо, Фрэнсис (2002). «Особенности поверхностного стока на Марсе: проверка гипотезы образования углекислого газа». Журнал геофизических исследований: Планеты . 107 (Е9): 7–1–7-12. Бибкод : 2002JGRE..107.5069S . CiteSeerX 10.1.1.482.6595 . дои : 10.1029/2000JE001465 .
- ^ Бейкер, VR; Стром, Р.Г.; Гулик, ВК; Каргель, Дж.С.; Комацу, Г. (август 1991 г.). «Древние океаны, ледниковые щиты и гидрологический цикл на Марсе». Природа . 352 (6336): 589–594. Бибкод : 1991Natur.352..589B . дои : 10.1038/352589a0 . S2CID 4321529 .
- ^ Jump up to: а б Сафи, Э.; Томпсон, СП; Эванс, А.; Дэй, SJ; Мюррей, Калифорния; Паркер, Дж. Э.; Бейкер, Арканзас; Оливейра, Дж. М.; ван Лун, Дж. Т. (5 апреля 2017 г.). «Свойства клатратных гидратов CO 2 , образующихся в присутствии растворов MgSO 4 , с последствиями для ледяных лун». Астрономия и астрофизика . 600 : А88. arXiv : 1701.07674 . Бибкод : 2017A&A...600A..88S . дои : 10.1051/0004-6361/201629791 . S2CID 55958467 .
- ^ Слоан, Э. Денди (1998). Клатратные гидраты природных газов (2-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8247-9937-3 . [ нужна страница ]
- ^ Генов, Георгий Йорданов (27 июня 2005 г.). Физические процессы образования и разложения гидрата СО2 в условиях Марса (Диссертация). hdl : 11858/00-1735-0000-0006-B57D-6 . [ нужна страница ]
- ^ Слоан, Э. Денди (1998). Клатратные гидраты природных газов (2-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 978-0-8247-9937-3 . [ нужна страница ]