摘 要 甲烷水合物是由甲烷氣體分子與水分子在低溫高壓下形成的一種籠型結構化合物, 廣泛存在于海底陸架區和陸地凍土區, 被認為是一種潛在的能源資源。在水合物的晶格中, 水分子在氫鍵的作用下形成大小不同的籠子, 甲烷分子可分別進入大籠(512 62 ) 和小籠(512 ) 中。在自行研制的實驗裝置上, 分別合成了一系列不同體系下的甲烷水合物, 包括十二烷基硫酸鈉(SDS) 水溶液2甲烷體系、冰粉2甲烷體系以及冰粉2不同粒度砂2甲烷體系。對這些甲烷水合物樣品進行了激光拉曼光譜分析, 測定了其水合指數, 籠占有率等結構參數。結果表明, 這些甲烷水合物都為Ⅰ型結構, 其水合指數和籠占有率基本不受沉積物粒徑大小的影響。在3 種體系中生成的水合物, 大籠中甲烷分子基本占滿, 占有率大于97 %; 小籠中甲烷分子占有率為80 %～86 % , 測得的水合指數為6105～6115 。
顯微激光拉曼光譜(MLRM) 是將入射激光通過顯微鏡聚焦到樣品上, 從而可以在不受周圍物質干擾情況下, 準確獲得所照樣品微區的有關化學成分、晶體結構、分子相互作用以及分子取向等各種拉曼光譜信息, 目前已廣泛用于農產品質量檢驗[1 ] 、地質礦產資源[2-5 ] 、文物鑒[6 ] 、環境污染、物質成分測定[7 ,8 ]等方面。近些年來, 國外學者[9-12 ]已成功地將激光拉曼光譜應用到天然氣水合物的結構分析上, 然而國內在這方面的研究至今尚未見報道。
天然氣水合物是由烴類氣體在一定的溫度和壓力下和水作用生成的一種非化學計量的籠型晶體化合物。形成天然氣水合物的主要成分是甲烷, 因此也稱為甲烷水合物。甲烷水合物的表達式為CH4 ·nH2O , n 值稱為水合指數, 它決定著甲烷水合物的儲氣量。一般來說, 1 體積的水合物可以儲存150～180 體積標準狀態的天然氣[13 ] 。天然氣水合物廣泛地存在于水深300 m 以下的海底沉積物中以及陸地的冰川凍土區, 據估計[14 , 15 ] , 其資源量是煤炭和石油儲量的總和, 因
此, 天然氣水合物被認為是未來人類理想的替代能源之一。
甲烷水合物是低溫高壓下的產物, 在常溫下易分解, 在1 個大氣壓下溫度低于- 80 ℃才能保持穩定[13 ] 。因此, 用激光拉曼光譜測定水合物的關鍵是確保水合物在測定的過程中不會發生分解。本文研制了一套適合拉曼光譜測定水合物的小型裝置, 內部盛滿液氮( - 196 ℃) , 確保在測定的過程中甲烷水合物保持穩定狀態。實驗合成了一系列不同體系的甲烷水合物, 對其拉曼光譜特征進行了研究。