论文摘要
水合物的生成和分解在宏观上涉及气、液、固三相,在微观上涉及主客体分子之间的相互作用,抑制剂与水合物的作用机理复杂,采用分子动力学模拟可从微观上研究水合物与抑制剂间的相互作用及水合物抑制机理。大部分水合物动力学抑制剂中都含有酰胺基团或羟基,但是否酰胺基、羟基就是水合物抑制剂的活性基团尚不清楚。本文通过模拟四种含有酰胺基或羟基的聚合物对甲烷水合物的分解作用,研究了该基团对甲烷水合物的抑制作用。本文构建了甲烷气体水合物晶体的物理模型,并在273.15K下,采用分子动力学模拟研究了聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯己内酰胺（PVCap）、聚乙烯唑啉（PEO）、聚乙烯醇（PVA）对甲烷水合物的分解作用,对比了不同浓度下抑制剂对甲烷水合物的分解性能,研究结果如下:PVP结构中含有五元吡咯环,其中的氧原子可与水合物中的氢原子形成氢键,破坏水合物中水分子之间的氢键,对甲烷水合物有较好的分解作用。不同浓度PVP对甲烷水合物的分解作用大小为:2.85 wt%>4.20 wt%>1.46 wt%,在上述三个浓度作用下,甲烷水合物中水分子的扩散系数分别为:1.46×10-9m2/s、1.62×10-9m2/s、1.58×10-9m2/s。PVCap结构中含有七元酰胺环,环上酰胺基团中的氧原子和氮原子可与水合物中氢原子形成两个氢键,PVCap较PVP具有更好的水溶性、更容易与水合物产生交互作用,其对甲烷水合物的分解作用优于PVP。PVCap浓度为1.81 wt%、3.53 wt%、5.20 wt%时,甲烷水合物中水分子的扩散系数分别为1.17×10-9m2/s、1.68×10-9m2/s、1.29×10-9m2/s,表明PVCap在浓度为3.53 wt%时,对甲烷水合物的抑制效果最好。PEO结构中含有支链酰胺基,是一种可降解材料。论文模拟了PEO在浓度1.25 wt%、2.50 wt%、6.06 wt%下对甲烷水合物的分解作用,水分子扩散系数分别1.34×10-9m2/s、1.52×10-9m2/s、1.50×10-9m2/s,表明PEO在较低浓度下就具有较好的抑制水合物性能。PVA结构中仅含有羟基,模拟发现,浓度较小时,对甲烷水合物几乎无分解作用;浓度增加到5.2 wt%时,对甲烷水合物的分解作用增强;但当浓度增大到7.6 wt%时,抑制作用反而减弱。论文通过对不同聚合物的分子模拟发现酰胺基对水合物具有较好的分解作用,环形结构和羟基对水合物分解也具有一定的效果。