Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Гидрат диоксида углерода или клатрат диоксида углерода представляет собой снежное кристаллическое вещество, состоящее из водяного льда и диоксида углерода . [ Править ] Как правило , она представляет собой газ типа I клатратная . [1] Также были некоторые экспериментальные свидетельства развития метастабильной фазы типа II при температуре А, близкой к точке плавления льда. [2] [3] Клатрат может существовать при температуре ниже 283K (10 ° C) в диапазоне давлений двуокиси углерода. CO 2 гидратышироко изучаются во всем мире в связи с его многообещающими перспективами улавливания диоксида углерода из потоков дымовых и топливных газов, имеющих отношение к улавливанию дожигания и перед сгоранием. [4] [5] [6] [7] Также весьма вероятно, что это важно на Марсе из-за присутствия углекислого газа и льда при низких температурах.

История [ править ]

Первое свидетельство существования гидратов CO 2 датируется 1882 годом, когда Зигмунт Флорентий Врублевский [8] [9] [10] сообщил об образовании клатратов при изучении угольной кислоты . Он отметил, что газовый гидрат представляет собой белый материал, напоминающий снег, и может образовываться при повышении давления выше определенного предела в его системе H 2 O - CO 2 . Он был первым, кто оценил состав гидрата CO 2 , обнаружив, что это примерно CO 2 • 8H 2.О. Он также упоминает, что «... гидрат образуется либо на стенках трубы, где слой воды очень тонкий, либо на свободной поверхности воды ... (с французского) ». Это уже указывает на важность поверхность, доступная для реакции (т.е. чем больше поверхность, тем лучше). Позже, в 1894 году, М. П. Виллард вывел состав гидрата как CO 2 • 6H 2 O. [11] Три года спустя он опубликовал кривую диссоциации гидрата в диапазоне от 267 K до 283 K (от -6 до 10 ° C). [12] Tamman & Krige измерили кривую разложения гидрата от 253 K до 230 K в 1925 году [13], а Frost & Deaton (1946) определили давление диссоциации между 273 и 283 K (от 0 до 10 ° C).[14] Такенучи и Кеннеди (1965) измерили кривую разложения от 45 бар до 2 кбар (от 4,5 до 200 МПа ). [15] ГидратCO 2 был впервые классифицирован как клатрат типа I фон Штакельбергом и Мюллером (1954). [16]

Важность [ править ]

Земля [ править ]

На этой мозаике, сделанной Mars Global Surveyor : Арам Хаос - вверху слева и Иани Хаос - внизу справа. Можно увидеть русло реки, исходящий из Хаоса Иани и простирающийся к верхнему краю изображения.

На Земле гидрат CO 2 представляет в основном академический интерес. Тим Коллетт из Геологической службы США (USGS) предложил закачивать углекислый газ в подземные клатраты метана , тем самым высвобождая метан и сохраняя двуокись углерода. [17] По состоянию на 2009 год ConocoPhillips совместно с Министерством энергетики США работает над испытанием метана на северном склоне Аляски . [18] [17] На первый взгляд кажется, что термодинамические условия там способствуют существованию гидратов, но, учитывая, что давление создается морской водой, а не CO 2 , гидрат будет разлагаться. [19]

Марс [ править ]

Однако считается, что клатрат CO 2 может иметь большое значение для планетологии . CO 2 является летучим веществом на Марсе в большом количестве . Он доминирует в атмосфере и большую часть времени покрывает полярные ледяные шапки . В начале семидесятых было высказано предположение о возможном существовании гидратов CO 2 на Марсе. [20] Недавнее рассмотрение температуры и давления реголита и теплоизоляционных свойств сухого льда и клатрата CO 2 [21] показало, что сухой лед, CO 2клатрат, жидкий CO 2 и газированные грунтовые воды являются обычными фазами даже при марсианских температурах. [22] [23] [24]

Если гидраты CO 2 присутствуют в полярных шапках Марса, как предполагают некоторые авторы [25] [26] [27] [23], то полярная шапка потенциально может таять на глубине. Таяние полярной шапки было бы невозможным, если бы она полностью состояла из чистого водяного льда (Mellon et al. 1996). Это происходит из-за более низкой теплопроводности клатрата, более высокой стабильности под давлением и большей прочности [28] по сравнению с чистым водяным льдом.

Вопрос о возможном суточном и годовом цикле гидрата CO 2 на Марсе остается, поскольку наблюдаемые там большие амплитуды температуры вызывают выход и повторный вход в поле стабильности клатратов на дневной и сезонной основе. Тогда возникает вопрос, можно ли каким-либо образом обнаружить осаждение газовых гидратов на поверхности? Спектрометр OMEGA на борту Mars Express вернул некоторые данные, которые были использованы командой OMEGA для получения изображений южной полярной шапки на основе CO 2 и H 2 O. Окончательного ответа относительно образования клатрата CO 2 на Марсе пока не дано . [ необходима цитата ]

Считается, что разложение гидрата CO 2 играет важную роль в процессах терраформирования на Марсе, и многие наблюдаемые особенности поверхности частично приписываются ему. Например, Musselwhite et al. (2001) утверждали, что марсианские овраги образовались не жидкой водой, а жидким CO 2 , поскольку нынешний марсианский климат не допускает существования жидкой воды на поверхности в целом. [29] Это особенно верно в южном полушарии, где находится большинство структур оврагов. Однако вода может присутствовать там в виде льда Ih , гидратов CO 2 или гидратов других газов. [30] [31]Все это может расплавиться при определенных условиях и привести к образованию оврагов. Также может быть жидкая вода на глубине> 2 км под поверхностью (см. Геотермы на фазовой диаграмме). Считается, что таяние грунтовых льдов высокими тепловыми потоками сформировало марсианские хаотические ландшафты . [32] Милтон (1974) предположил, что разложение клатрата CO 2 вызвало быстрый отток воды и образование хаотичных ландшафтов. [33] Cabrol et al. (1998) предположили, что физическая среда и морфология южных полярных куполов на Марсе предполагают возможный криовулканизм . [34] Обследованный район состоял из слоистых отложений мощностью 1,5 км, сезонно покрытых CO.2 изморози [35] подстилается льдом H 2 O и гидратом CO 2 на глубинах> 10 м. [20] Когда давление и температура поднимаются выше предела устойчивости, клатрат разлагается на лед и газы, что приводит к взрывным извержениям .

Тем не менее можно привести еще много примеров возможной важности гидрата CO 2 на Марсе. Остается неясным одно: действительно ли там возможно образование гидратов? Киффер (2000) предполагает, что вблизи поверхности Марса не может существовать значительного количества клатратов. [36] Стюарт и Ниммо (2002) пришли к выводу, что крайне маловероятно, что клатрат CO 2 присутствует в марсианском реголите в количествах, которые могут повлиять на процессы модификации поверхности. [37] Они утверждают, что долгосрочное хранение гидрата CO 2 в коре, гипотетически образовавшегося в древнем более теплом климате, ограничено скоростью удаления в нынешнем климате. [37] Бейкер и др.1991 год предполагает, что если не сегодня, то, по крайней мере, в ранней геологической истории Марса клатраты могли сыграть важную роль в климатических изменениях там. [38] Поскольку не так много известно о кинетике образования и разложения гидратов CO 2 или их физических и структурных свойствах, становится ясно, что все вышеупомянутые предположения основаны на крайне нестабильных основаниях.

Луны [ править ]

На Энцеладе разложение клатрата углекислого газа является возможным способом объяснить образование газовых шлейфов. [39]

В Европе (на Луне) клатрат важен для хранения углекислого газа. В условиях подповерхностного океана в Европе клатрат углекислого газа должен тонуть и, следовательно, не проявляться на поверхности. [39]

Фазовая диаграмма [ править ]

Фазовая диаграмма гидрата CO 2 . Черные квадраты - экспериментальные данные. [40] Линии межфазных границ CO 2 рассчитаны согласно Intern. термодин. столы (1976). Границы фаз H 2 O - это только ориентиры. Сокращения следующие: L - жидкость, V - пар, S - твердое тело, I - водяной лед, H - гидрат.

Структуры гидрата стабильны при различных условиях давления-температуры в зависимости от молекулы-гостя. Здесь приведена одна относящаяся к Марсу фазовая диаграмма гидрата CO 2 в сочетании с диаграммой чистого CO 2 и воды. [41] Гидрат CO 2 имеет две четверные точки: (I-Lw-HV) ( T = 273,1 K; p = 12,56 бар или 1,256 МПа) и (Lw-HV-LHC) ( T = 283,0 K; p = 44,99 бар. или 4,499 МПа). [42] Сам CO 2 имеет тройную точку при Т = 216,58 К и p = 5,185 бар (518,5 кПа) и критическую точку приT = 304,2 K и p = 73,858 бар (7,3858 МПа). Темно-серая область (VIH) представляет условия, при которых гидрат CO 2 стабилен вместе с газообразным CO 2 и водяным льдом (ниже 273,15 K). По горизонтальным осям температура дана в кельвинах и градусах Цельсия (внизу и вверху соответственно). На вертикальных указаны давление (слева) и расчетная глубина в марсианском реголите (справа). Горизонтальная пунктирная линия на нулевой глубине представляет средние условия на поверхности Марса. Две изогнутые пунктирные линии показывают две теоретические марсианские геотермы по Стюарту и Ниммо (2002) на 30 ° и 70 ° широты. [37]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Слоан, Э. Денди (1998). Клатратные гидраты природных газов (2-е изд.). CRC Press. ISBN 978-0-8247-9937-3.[ требуется страница ]
  2. ^ Флейфель, Фуад; Девлин, Дж. Пол (май 1991 г.). «Эпитаксиальный рост гидрата клатрата диоксида углерода: спектроскопические доказательства образования простого гидрата диоксида углерода II типа». Журнал физической химии . 95 (9): 3811–3815. DOI : 10.1021 / j100162a068 .
  3. ^ Стайкова, Доротея К .; Kuhs, Werner F .; Саламатин, Андрей Н .; Хансен, Томас (1 сентября 2003 г.). «Образование пористых газовых гидратов из ледяных порошков: дифракционные эксперименты и многоступенчатая модель». Журнал физической химии B . 107 (37): 10299–10311. DOI : 10.1021 / jp027787v .
  4. ↑ Кан, Сеонг-Пиль; Ли, Хуэн (1 октября 2000 г.). «Извлечение CO2 из дымовых газов с использованием газового гидрата: термодинамическая проверка с помощью измерений фазового равновесия». Наука об окружающей среде и технологии . 34 (20): 4397–4400. DOI : 10.1021 / es001148l .
  5. ^ Линга, Правин; Кумар, Раджниш; Энглезос, Питер (19 ноября 2007 г.). «Процесс клатрат-гидрата для улавливания диоксида углерода после сжигания и перед сжиганием». Журнал опасных материалов . 149 (3): 625–629. DOI : 10.1016 / j.jhazmat.2007.06.086 .
  6. ^ Бабу, Поннивалаван; Линга, Правин; Кумар, Раджниш; Энглезос, Питер (1 июня 2015 г.). «Обзор процесса разделения газа на основе гидратов (HBGS) для улавливания диоксида углерода перед сжиганием». Энергия . 85 : 261–279. DOI : 10.1016 / j.energy.2015.03.103 .
  7. ^ Герцог, Ховард; Мелдон, Джерри; Хаттон, Алан (апрель 2009 г.). Усовершенствованная технология улавливания CO2 после сжигания (PDF) (Отчет).
  8. ^ Врублевский, Зигмунт Флорентий (1882). «Sur la combinaison de l'acide carbonique et de l'eau» [О сочетании угольной кислоты и воды]. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences (на французском языке). 94 : 212–213.
  9. ^ Врублевский, Зигмунт Флорентий (1882). «О составе гидрата угольной кислоты». Comptes Rendus de l'Académie des Sciences (на французском языке). 94 : 254–258.
  10. ^ Врублевский, Зигмунт Флорентий (1882). "Sur les lois de solubilité de l'acide carbonique dans l'eau sous les hautes pressions" [О законах растворимости угольной кислоты в воде при высоких давлениях]. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences (на французском языке). 94 : 1355–1357.
  11. Перейти ↑ Villard, MP (1884). "Sur l'hydrate carbonique et la композиция des hydrates de gaz" [Об углекислом газе и составе газовых гидратов]. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences (на французском языке). Париж. 119 : 368–371.
  12. Перейти ↑ Villard, MP (1897). "Etude expérimentale des hydrates de gaz" [Экспериментальное исследование газовых гидратов]. Annales de Chimie et de Physique (на французском языке). 11 (7): 289–394.
  13. ^ Tammann, G .; Криг, GJB (1925). "Die Gleichgewichtsdrucke von Gashydraten" [Равновесные давления газовых гидратов]. Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie (на немецком языке). 146 : 179–195. DOI : 10.1002 / zaac.19251460112 .
  14. ^ Мороз, EM; Дитон, WM (1946). «Газогидратный состав и данные о равновесии». Нефтегазовый журнал . 45 : 170–178.
  15. ^ Такенучи, Сукуне; Кеннеди, Джордж К. (1 марта 1965 г.). «Давления диссоциации фазы CO2 · 5 3/4 H2O». Журнал геологии . 73 (2): 383–390. DOI : 10.1086 / 627068 .
  16. ^ Stackelberg, M. v; Мюллер, HR (1954). "Feste Gashydrate II. Struktur und Raumchemie" [Твердые газовые гидраты II. Структура и космическая химия. Zeitschrift für Elektrochemie, Berichte der Bunsengesellschaft für Physikalische Chemie (на немецком языке). 58 (1): 25–39. DOI : 10.1002 / bbpc.19540580105 .
  17. ^ a b Маршалл, Майкл (26 марта 2009 г.). «Горящий лед может быть зеленым ископаемым топливом» . Новый ученый .
  18. ^ "Полевые испытания добычи гидратов метана" (PDF) . ConocoPhillips . 1 октября 2008 г. Архивировано из оригинального (PDF) 20 ноября 2008 г.
  19. ^ Брюэр, Питер G .; Фридрих, Гернот; Пельтцер, Эдвард Т .; Орр, Франклин М. (7 мая 1999 г.). «Прямые эксперименты по удалению СО2 из ископаемого топлива в океане» (PDF) . Наука . 284 (5416): 943–945. Bibcode : 1999Sci ... 284..943B . DOI : 10.1126 / science.284.5416.943 . Архивировано из оригинального (PDF) 19 июля 2020 года.
  20. ^ a b Миллер, Стэнли Л .; Смайт, Уильям Д. (30 октября 1970 г.). «Клатрат углекислого газа в ледяной шапке Марса». Наука . 170 (3957): 531–533. DOI : 10.1126 / science.170.3957.531 .
  21. ^ Росс, Рассел Г .; Каргель, Джеффри С. (1998). «Теплопроводность льдов Солнечной системы с особым упором на полярные шапки Марса» . В Schmitt, B .; de Bergh, C .; Фестоу М. (ред.). Леды Солнечной системы . Springer. С. 33–62. DOI : 10.1007 / 978-94-011-5252-5_2 . ISBN 978-94-011-5252-5.
  22. ^ Lambert, R.St J .; Чемберлен, В. Э. (июнь 1978 г.). «CO2 вечная мерзлота и топография Марса». Икар . 34 (3): 568–580. DOI : 10.1016 / 0019-1035 (78) 90046-5 .
  23. ^ a b Hoffman, N (август 2000 г.). «Белый Марс: новая модель поверхности и атмосферы Марса на основе CO2». Икар . 146 (2): 326–342. DOI : 10.1006 / icar.2000.6398 .
  24. ^ Kargel, JS; Tanaka, KL; Бейкер, VR; Komatsu, G .; Macayeal, DR (март 2000). «Формирование и диссоциация клатратных гидратов на Марсе: полярные шапки, северные равнины и высокогорья». Конференция по изучению луны и планет : 1891. Bibcode : 2000LPI .... 31.1891K .
  25. ^ Клиффорд, Стивен М .; Крисп, Дэвид; Фишер, Дэвид А .; Херкенхофф, Кен Э .; Smrekar, Suzanne E .; Томас, Питер С .; Винн-Уильямс, Дэвид Д.; Зурек, Ричард В .; Барнс, Джеффри Р .; Счета, Брюс Дж .; Блейк, Эрик В .; Кальвин, Венди М .; Кэмерон, Джонатан М .; Карр, Майкл Х .; Christensen, Philip R .; Clark, Benton C .; Клоу, Гэри Д.; Каттс, Джеймс А .; Даль-Йенсен, Дорте; Дарем, Уильям Б.; Fanale, Fraser P .; Фермер, Джек Д .; Забудь, Франсуа; Готто-Адзума, Кумико; Грард, Реджан; Haberle, Robert M .; Харрисон, Уильям; Харви, Ральф; Ховард, Алан Д .; Ингерсолл, Энди П .; Джеймс, Филип Б .; Kargel, Jeffrey S .; Киффер, Хью Х .; Ларсен, Янус; Леппер, Кеннет; Малин, Майкл С .; МакКлиз, Дэниел Дж .; Мюррей, Брюс; Най, Джон Ф .; Пейдж, Дэвид А .; Platt, Stephen R .; Плаут, Джефф Дж .; Рих, Нильс; Райс, Джеймс У .; Смит, Дэвид Э .; Стокер, Кэрол Р .; Tanaka, Kenneth L .;Мосли-Томпсон, Эллен; Торстейнссон, Торстейнн; Вуд, Стивен Э .; Зент, Аарон; Зубер, Мария Т .; Джей Звалли, Х. (1 апреля 2000 г.).«Состояние и будущее полярных исследований и исследований Марса» . Икар . 144 (2): 210–242. DOI : 10.1006 / icar.1999.6290 .
  26. ^ Най, JF; Дарем, ВБ; Шенк, ПМ; Мур, Дж. М. (1 апреля 2000 г.). «Неустойчивость южной полярной шапки Марса, состоящей из углекислого газа». Икар . 144 (2): 449–455. DOI : 10.1006 / icar.1999.6306 .
  27. ^ Якоски, Брюс М .; Хендерсон, Брэдли Дж .; Меллон, Майкл Т. (1995). «Хаотическая наклонность и природа марсианского климата». Журнал геофизических исследований: планеты . 100 (E1): 1579–1584. DOI : 10.1029 / 94JE02801 .
  28. Перейти ↑ Durham, WB (январь 1998 г.). «Факторы, влияющие на реологические свойства марсианского полярного льда». Полярная наука и исследования Марса . 953 : 8. Bibcode : 1998LPICo.953 .... 8D .
  29. ^ Musselwhite, Дональд С .; Мошенничество, Тимоти Д .; Лунин, Джонатан И. (2001). «Прорыв жидкого СО2 и образование недавних небольших оврагов на Марсе». Письма о геофизических исследованиях . 28 (7): 1283–1285. DOI : 10.1029 / 2000GL012496 .
  30. ^ Макс, Майкл Д .; Клиффорд, Стивен М. (2001). «Инициирование марсианских каналов оттока: связано с диссоциацией газогидрата?». Письма о геофизических исследованиях . 28 (9): 1787–1790. DOI : 10.1029 / 2000GL011606 .
  31. ^ Пелленбарг, Роберт Э .; Макс, Майкл Д .; Клиффорд, Стивен М. (2003). «Гидраты метана и углекислого газа на Марсе: потенциальное происхождение, распространение, обнаружение и последствия для будущего использования ресурсов in situ». Журнал геофизических исследований: планеты . 108 (E4). DOI : 10.1029 / 2002JE001901 .
  32. ^ Маккензи, Дэн; Ниммо, Фрэнсис (январь 1999 г.). «Возникновение марсианских наводнений за счет таяния грунтовых льдов над дамбами». Природа . 397 (6716): 231–233. DOI : 10.1038 / 16649 .
  33. ↑ Милтон, ди-джей (15 февраля 1974 г.). «Углекислый газ и наводнения на Марсе». Наука . 183 (4125): 654–656. DOI : 10.1126 / science.183.4125.654 .
  34. ^ Cabrol, NA; Гринь Э.А.; Landheim, R .; Маккей, КП (март 1998 г.). «Криовулканизм как возможное происхождение блинных куполов в районе посадки на Марс 98: актуальность для реконструкции климата и исследования экзобиологии» (PDF) . Конференция по изучению Луны и планет (1249): 1249. Bibcode : 1998LPI .... 29.1249C .
  35. ^ Thomas, P .; Squyres, S .; Herkenhoff, K .; Howard, A .; Мюррей, Б. (1992). «Полярные отложения Марса». Марс : 767–795. Bibcode : 1992mars.book..767T .
  36. ^ КлеГГег, Хью Х. (10 марта 2000). «Клатраты не виноваты». Наука . 287 (5459): 1753–1753. DOI : 10.1126 / science.287.5459.1753b .
  37. ^ a b c Стюарт, Сара Т .; Ниммо, Фрэнсис (2002). «Особенности поверхностного стока на Марсе: проверка гипотезы образования углекислого газа». Журнал геофизических исследований: планеты . 107 (E9): 7–1–7-12. CiteSeerX 10.1.1.482.6595 . DOI : 10.1029 / 2000JE001465 . 
  38. ^ Бейкер, VR; Стром, Р.Г.; Гулик, ВК; Каргель, JS; Комацу, Г. (август 1991 г.). «Древние океаны, ледяные щиты и гидрологический цикл на Марсе». Природа . 352 (6336): 589–594. Bibcode : 1991Natur.352..589B . DOI : 10.1038 / 352589a0 .
  39. ^ a b Safi, E .; Томпсон, ИП; Evans, A .; День, SJ; Мюррей, Калифорния; Паркер, Дж. Э .; Бейкер, АР; Oliveira, JM; van Loon, J. Th. (5 апреля 2017 г.). «Свойства клатратных гидратов CO2, образующихся в присутствии растворов MgSO4, с последствиями для ледяных лун». Астрономия и астрофизика . 600 : A88. arXiv : 1701.07674 . Bibcode : 2017A & A ... 600A..88S . DOI : 10.1051 / 0004-6361 / 201629791 .
  40. ^ Слоан, Э. Денди (1998). Клатратные гидраты природных газов (2-е изд.). CRC Press. ISBN 978-0-8247-9937-3.[ требуется страница ]
  41. ^ Генов Георги Йорданов (27 июня 2005). Физические процессы образования и разложения гидрата CO2 в условиях, соответствующих Марсу (Диссертация). hdl : 11858 / 00-1735-0000-0006-B57D-6 .[ требуется страница ]
  42. ^ Слоан, Э. Денди (1998). Клатратные гидраты природных газов (2-е изд.). CRC Press. ISBN 978-0-8247-9937-3.[ требуется страница ]