[发明专利]用于原位拉曼分析的气体水合物生成/分解系统及方法

说明书

本发明提供了用于原位拉曼分析的气体水合物生成/分解系统及方法。可实现气体水合物的生成/分解等动力学实验，并进行原位拉曼表征。该系统包括拉曼光谱仪、由连接管路相连的反应釜系统、温度控制系统、样品预冷系统、控压供气系统、真空系统、快速排气系统和数据采集与处理系统。本系统可以保证水合物在反应釜中进行原位拉曼表征，解决非原位拉曼表征取样困难/样品转移带来的实验误差等问题。

技术领域

本发明属于水合物实验领域，涉及一种用于原位拉曼表征的气体水合物生成/分解系统及方法。尤其涉及一种适用于原位高压气体水合物生成/分解动力学实验研究。

背景技术

气体水合物是在高压低温条件下，主体分子水通过氢键相连形成一系列大小不同的孔穴，尺寸合适的客体分子通过范德华力填充在孔穴之中，形成填充率不同的非化学计量的笼形晶体。根据水合物晶胞结构不同，水合物具有三种结构：分别是Ⅰ型、Ⅱ型、H型。Ⅰ型水合物晶胞是体心立方结构，包含46个水分子，由2个5¹²(SC)孔穴和6个5¹²6²(LC)孔穴组成。Ⅱ型水合物晶胞是面心立方结构，包含136个水分子，由16个5¹²(SC)孔穴和8个5¹²6⁴(LC)孔穴组成。H型水合物晶胞是简单六方体结构，包含34个水分子，3个5¹²(SC)孔穴、2个4³5⁶6³(MC)孔穴和1个5¹²6⁸(LC)孔穴。

在水合物生长动力学中，水合物生长速率对压力、组成等局部环境较为敏感，因此探究不同压力、温度、组成条件下水合物的客体分子填充率及填充效率是探究水合物生长动力学的核心，是指导储能工程应用的前提。在此方面，拉曼光谱仪在对水合物生长过程中的结构分析结果准确，是一种无损的微区测量手段，因此广泛应用于分子层面上对于水合物生长/分解动力学的表征。然而，目前实验室多囿于实验条件限制对水合物的生长进行非原位拉曼表征，如专利号为CN101477086B专利提出一种气体水合物生成取样分析方法及装置，存在取样困难、样品转移难以保障等缺点。而少数适用于水合物原位拉曼表征的装置如CN103278374B专利提出一种原位拉曼分析和水合物表征装置及水合物样品原位拉曼的分析方法，在定量分析时气相峰把水合物5¹²笼的峰覆盖，导致不能分析水合物5¹²笼的缺点。

随着实验研究的深入，为了更好的满足实验要求，提高实验精度，迫切的需要一套适用于原位拉曼表征的水合物综合实验系统，以满足对水合物结构的微观表征。

发明内容

针对已有技术的不足，本发明提供了一种适用于原位拉曼表征的水合物生成/分解的系统及方法。可实现气体水合物的生成/分解等实验，并进行原位拉曼表征。

本发明提出一种用于原位拉曼分析的气体水合物生成/分解系统，包括拉曼光谱仪、反应釜系统、样品预冷系统、控压供气系统、保压系统、真空系统和数据采集与处理系统，反应釜系统放置于拉曼光谱仪的XY操作台上；

所述反应釜系统，包括可视化水合物反应釜、温度传感器和液氮控温部件；反应釜顶面设置有蓝宝石视窗，蓝宝石的拉曼峰位尖细锐利易与气体水合物信号分开，故可避免视窗材料带来的误差。侧面设有液氮进/出气口以供控制温度，温度范围为-196℃-600℃，承压范围为-0.1MPa-10MPa；温度传感器设置在反应釜内的样品台上，反应釜外保护套设有液氮吹扫装置用于温度外循环并防止视窗结霜而信号减弱，外壳中配有液氮吹扫管路以维持反应釜整体低温状态，防止可视窗口结霜阻碍测量。

所述控压供气系统，包括压力调节阀和可形成水合物的气体气瓶，压力调节阀用于开关管路并根据目标压力调节管道压力，提供稳定气体生成初始水合物。