РАВНОВЕСНЫЕ УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И СТАБИЛЬНОСТЬ ГИДРАТОВ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА В ЗАСОЛЕННЫХ ПОРИСТЫХ СРЕДАХ

Л.П. Калачева; И.К. Иванова; А.С. Портнягин; В.К. Иванов; А.Р. Бубнова; К.К. Аргунова

doi:10.6060/rcj.2024684.11

Л.П. Калачева Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» – обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук
И.К. Иванова Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» – обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук
А.С. Портнягин Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» – обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук
В.К. Иванов Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» – обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук
А.Р. Бубнова Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» – обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук
К.К. Аргунова Федеральный исследовательский центр «Якутский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» – обособленное подразделение Институт проблем нефти и газа Сибирского отделения Российской академии наук

DOI: https://doi.org/10.6060/rcj.2024684.11

Ключевые слова: гидраты углекислого газа, кварцевый песок, гидрокарбонат и хлорид натрия, дифференциальный термический анализ, равновесные условия, уравнение Клаузиуса-Клапейрона, энтальпия диссоциации, кинетические параметры разложения гидратов

Аннотация

В настоящее время улавливание и захоронение парниковых газов рассматривается как один из способов борьбы с глобальным потеплением климата. В частности, для разработки технологий захоронения диоксида углерода в гидратном состоянии в геологических формациях необходимо оценить стабильность его гидратов в засоленных пористых средах. Одним из важных термических параметров, определяющих устойчивость гидратов, является энтальпия диссоциации ΔН. В данной работе расчет ΔН проводился по уравнению Клаузиса-Клапейрона на основании равновесных условий гидратообразования углекислого газа в кварцевом песке, засоленном растворами гидрокарбоната и хлорида натрия разных концентраций. Фазовые переходы, происходящие при образовании и разложении гидратов в исследуемых системах, были изучены методом ДТА при начальных давлениях углекислого газа от 2 до 4 МПа. Энтальпии диссоциации гидратов в системах с водой, 0,25 и 2% растворами гидрокарбоната натрия имеют близкие значения, тогда как в системах с хлоридом натрия наблюдается снижение значений ΔН с увеличением концентрации растворов. Кинетическая стабильность гидратов углекислого газа оценена по скорости их разложения. Сравнение стабильности гидратов в пористых средах, содержащих растворы разной химической природы, показало, что гидраты в системах с водой и растворами гидрокарбоната натрия более устойчивы по сравнению с гидратами в системах с хлоридом натрия. Установлено, что во всех изученных системах значения энтальпии диссоциации и скорости разложения гидратов диоксида углерода коррелируют между собой в одинаковых диапазонах температур и давлений. С точки зрения выбора геологических формаций для захоронения углекислого газа, более предпочтительными являются водоносные горизонты с пресными и гидрокарбонатно-натриевыми водами.

Для цитирования:

Калачева Л.П., Иванова И.К., Портнягин А.С., Иванов В.К., Бубнова А.Р., Аргунова К.К. Равновесные условия образования и стабильность гидратов углекислого газа в засоленных пористых средах. Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва). 2024. Т. LXVIII. № 4. С. 88-95. DOI: 10.6060/rcj.2024684.11.

Литература

Filippov S.P., Zhdaneev O.V. Opportunities for the Application of Carbon Dioxide Capture and Storage Technologies in Case of Global Economy Decarbonization (Review). Thermal Engineering. 2022. V. 69. N 9. P. 637-652. DOI: 10.1134/S0040601522090014.

Осипов А.В., Мустаев Р.Н., Монакова А.С., Бондарева Л.И., Данцова К.И. Механизмы и варианты утилизации и захоронения углекислого газа в недрах. Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2022. № 4. С. 40-53. DOI: 10.32454/0016-7762-2022-64-4-40-53.

Корзун А.В., Ступакова А.В., Харитонова Н.А., Пронина Н.В., Макарова Е.Ю., Вайтехович А.П., Осипов К.О., Лопатин А.Ю., Асеева А.В., Карпушин М.Ю., Сауткин Р.С., Перегудов Ю.Д., Большакова М.А., Ситар К.А., Редькин А.С. Применимость природных геологических объектов для хранения, захоронения и утилизации углекислого газа (обзор). Георесурсы. 2023. Т. 25. № 2. С. 22-35. DOI: 10.18599/grs.2023.2.2.

Тептерева Г.А., Пахомов С.И., Четвертнева И.А., Каримов Э.Х., Егоров М.П., Мовсумзаде Э.М., Евстигнеев Э.И., Васильев А.В., Севастьянова М.В., Волошин А.И., Нифантьев Н.Э., Носов В.В., Докичев В.А., Бабаев Э.Р., Роговина С.З., Берлин А.А., Фахреева А.В., Баулин О.А., Колчина Г.Ю., Воронов М.С., Староверов Д.В., Козловский И.А., Козловский Р.А., Тарасова Н.П., Занин А.А., Кривобородов Е.Г., Каримов О.Х., Флид В.Р., Логинова М.Е. Возобновляемые природные сырьевые ресурсы, строение, свойства, перспективы применения. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2021. Т. 64. Вып. 9. С. 4-121. DOI: 10.6060/ivkkt.20216409.6465.

Sun Sh., Zhao J., Yu D. Dissociation enthalpy of methane hydrate in salt solution. Fluid Phase Equilibria. 2018. V. 456. P. 92-97. DOI: 10.1016/j.fluid.2017.10.013.

Sloan E.D., Fleyfel F. Hydrate dissociation enthalpy and guest size. Fluid Phase Equilibria. 1992. V. 76. P. 123-140. DOI: 10.1016/0378-3812(92)85082-J.

Калачева Л.П., Иванова И.К., Портнягин А.С., Иванов В.К., Аргунова К.К., Бубнова А.Р. Оценка возможности захоронения углекислого газа в гидратном состоянии в подмерзлотных водоносных горизонтах Вилюйской синеклизы. Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2023. Т. 18. №. 4. DOI: 10.17353/2070-5379/43_2023.

Воды нефтяных и газовых месторождений СССР: справочник / под ред. Л.М. Зорькина. Москва: Недра. 1989. 382 с.

Ivanova I.K., Kalacheva L.P., Portnyagin A.S., Ivanov V.K., Bubnova A.R., Argunova K.K. Experimental Study of Natural Gas Hydrate Formation in a Porous Medium in the Presence of Aqueous Solutions of Sodium Chloride and Sodium Bicarbonate. Chemistry and Technology of Fuels and Oils. 2023. V. 59. N 4. P. 679-685. DOI: 10.1007/s10553-023-01570-0.

Kalacheva L.P. Ivanova I.K., Portnyagin A.S., Rozhin I.I., Argunova K.K., Nikolaev A.I. Determination of the lower boundaries of the natural gas hydrates stability zone in the subpermafrost horizons of the Yakut arch of the Vilyui syneclise, saturated with bicarbonate-sodium type waters. SOCAR Proc., Special. 2021. N 1. P. 1-11. DOI: 10.5510/ OGP2021SI200549.

Мельников В.П., Нестеров А.Н., Решетников А.М. Диссоциация газовых гидратов при атмосферном давлении. Газовая промышленность. 2006. № S. С. 55-61.

Митрофанов А.В., Мизонов В.Е., Малько М.В., Василевич С.В., Зарубин З.В. Формально-кинетические подходы к описанию термического разложения материалов – проблемы идентификации параметров и интерпретации результатов: краткий обзор. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 7. С. 6-16. DOI: 10.6060/ivkkt.20226507.6579.

Малько М.В., Василевич С.В., Митрофанов А.В., Мизонов В.Е. Новый метод анализа термогравиметрических данных. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2021. Т. 64. Вып. 3. С. 24-32. DOI: 10.6060/ivkkt.20216403.6348.

Skovborg P., Rasmussen P. Comments on: Hydrate dissociation enthalpy and guest size. Fluid Phase Equilibria. 1994. V. 96. P. 223-231. DOI: 10.1016/0378-3812(94)80098-7.

Gilbert K., Bennett P.C., Wolfe W., Zhang T., Romanak K.D. CO2 solubility in aqueous solutions containing Na+, Ca2+, Cl-, SO42- and HCO3-: The effects of electrostricted water and ion hydration thermodynamics. Applied Geochemistry. 2016. V. 67. P. 59-67. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2016.02.002.

Sabil K.M., Witkamp G.J., Peters C.J. Estimations of enthalpies of dissociation of simple and mixed carbon dioxide hydrates from phase equilibrium data. Fluid Phase Equilibria. 2010. V. 290. N 1-2. P. 109-114. DOI: 10.1016/j.fluid.2009.07.006.

Jenkins H. D. B. A simplification of gas clathrate hydrate thermochemistry using the Thermodynamic Difference Rule (TDR). Part 2. General Hydrates. J. Chem. Thermodynamics. 2018. V. 117. P. 236–241. DOI: 10.1016/j.jct.2017.09.017.

Mohammadi A., Manteghian M., Mohammadi A.H. Phase equilibria of semiclathrate hydrates for methane + tetra n-butylammonium chloride (TBAC), carbon dioxide + TBAC, and nitrogen + TBAC aqueous solution systems. Fluid Phase Equilibria. 2014. V. 381. P. 102-107. DOI: 10.1016/j.fluid.2014.08.012.