[發(fā)明專利]用于氣體貯存的包合物

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200980130053.2
• 申請日: 2009-07-07
• 公開（公告）號: CN102119207A
• 公開（公告）日: 2011-07-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 安德魯·庫珀;大衛(wèi)·亞當斯;克里斯托弗·布雷;王偉新
• 申請（專利權(quán)）人: 利物浦大學
• 主分類號: C10L3/00
• 分類號: C10L3/00;F17C11/00;F25J1/00
• 代理公司: 上海旭誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立;高為華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣體水合物(通常被稱作包合物)，包括氣包水乳劑(例如干水(DW))和被包合的外源性氣體，比如像甲烷，天然氣，氫氣或者二氧化碳之類。

背景技術(shù)

天然氣，甲烷和其他氣體是供(比如)車輛系統(tǒng)的能量的重要來源。這些氣體的有成本效益的應(yīng)用和使用在很大程度上取決于有效的，經(jīng)濟的和用戶容易掌握使用的貯存，運輸和釋放的方法。從廢氣流(例如二氧化碳)中對特定氣體高效的捕集也是重要的。

主要是甲烷的天然氣的安全和經(jīng)濟的貯存與運輸是一項重要的社會挑戰(zhàn)。美國能源部已經(jīng)設(shè)定了180v/v(STP)的CH₄貯存容量目標。以氫氣的使用為基礎(chǔ)的技術(shù)(例如在燃料電池中)將來有可能具有越來越多的價值。有成本效益的基于氫氣的應(yīng)用需要貯存氫氣的有效方法。在室溫和常壓下，由于氫氣和甲烷的大體積和反應(yīng)性，所以它們是很難處理的氣體。液化需要昂貴又復(fù)雜的裝置而且處理低溫液體物質(zhì)是困難且危險的。由化學的復(fù)合物就地生產(chǎn)氫氣和甲烷的已知方法對許多工業(yè)用途來說，一般是不令人滿意的。

氣體水合物包括H₂O籠的“主體”集合體，在其中是被捕集的“客體”氣體。氣體水合物具有為氫氣貯存提供安全且對環(huán)境友好的方法的潛力(參見，例如Struzhkin，V.V.；Militzer，B.；Mao，H.K.；Hemley，R.J.Chem.Rev.2007，107，4133)。但是，氫氣嵌入氣體水合物是一個漫長的過程，常常需要幾天或者幾周(參見，例如Strobel，T.A.；Tayor，C.J.；Hester，K.C.；Dec，S.F.；Koh，C.A.；Miller，K.T.；Sloan，E.D.J.Phys.Chem.B?2006，110，17121)。而且，“冷凍”H₂-H₂O包合物結(jié)構(gòu)的時間量程是不可預(yù)知的。氫氣包合作用的動力學連同良好的可再充性的提高對氣體水合物作為用于氫氣貯存的商業(yè)可行性材料的發(fā)展是一個主要的挑戰(zhàn)。

甲烷氣體水合物(MGHs)的使用已經(jīng)引起近期的關(guān)注(參見Sloan，E.D.；Koh，C.A.天然氣的包合物水合物，第三版；(Clathrate?Hydrates?of?Natural?Gases，3^rd?Edition)；CRC?Press：Boca?Raton，2007)。但是，與包合物形成有關(guān)的非常緩慢的形成動力學是在實際氣體貯存中使用MGHs的主要障礙。

天然氣水合物(NGH)是天然能量的重要來源，其也具有氣體貯存和運輸?shù)臐摿Α１热纾惑w積的常規(guī)的甲烷氣體水合物(MGH)能夠產(chǎn)生大約180v/vSTP的甲烷(Sloan，E.D.Nature，2003，426，353-359)。液化天然氣具有高得多的能量密度，但是必須貯存在非常低的溫度下(113K)。已經(jīng)有人建議以水合的形式運輸天然氣是經(jīng)濟上可行的(Sloan，E.D.Nature，2003，426，353-359)。有許多現(xiàn)實的挑戰(zhàn)，諸如非常緩慢地形成包合物和在水合物質(zhì)中存在捕獲的、未反應(yīng)的間隙水。NGH主要是通過在壓力下冷卻天然氣和水的混合物或者通過天然氣與預(yù)先形成的冰的反應(yīng)來合成的。

原則上，大范圍的氣體可以貯存在包合物內(nèi)。主體和客體必須充分地相容(例如在客體的尺寸方面)，可選地在附加的穩(wěn)定劑存在下，以形成一個穩(wěn)定的包合物結(jié)構(gòu)。已知的包合物包括那些包含(作為客體)尤其是H₂，O₂，N₂，CH₄，CO₂，H₂S，Ar，Kr，Xe，He和Ne(參見例如WO-A-2006/131738和Lokshin?K.A.等，Phys.Rev.Lett.2004，93，125503)或者氣體混合物(例如天然氣和空氣)。

在氣體貯存方面的改進大體上滿足需要的同時，還有解決科技和環(huán)境方面的特殊需求。上面提及了氣體貯存的重要性，以及需要氣體的補救解決方案以捕獲不想要的氣體。氣候變化(特別是全球氣候變暖)已經(jīng)促進了對(例如)CO₂螯合的更好的方法的探求。但是包合物結(jié)構(gòu)的形成是不可預(yù)知的且表現(xiàn)為對工業(yè)應(yīng)用的顯著的障礙。

到目前為止，包合物作為氣體貯存方法的可行性受到差的動力學和實際考慮因素的嚴格限制。用來增加包合物形成的動力學的普通方法(比如高壓，有力的機械攪拌，表面活性劑或者微米尺寸的壓碎/篩余的冰粒子)是在實驗室可完成的，但是在實際氣體貯存應(yīng)用中既沒有成本效率又不實用。