Исследование кинетики гидратообразования в магнитном поле
По результатам лабораторных экспериментов получена кинетическая зависимость гидратообразования от наличия магнитных полей. Обосновано влияние магнитного поля на процесс гидратации структур воды при образовании искусственных газовых гидратов. Установлено, что магнитное поле является катализатором обр...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Розробка родовищ |
|---|---|
| Дата: | 2014 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104559 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Исследование кинетики гидратообразования в магнитном поле / Э.А. Максимова, Н.П. Овчинников, Е.Ю. Светкина // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2014. — Т. 8. — С. 293-298. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860179324638855168 |
|---|---|
| author | Максимова, Э.А. Овчинников, Н.П. Светкина, Е.Ю. |
| author_facet | Максимова, Э.А. Овчинников, Н.П. Светкина, Е.Ю. |
| citation_txt | Исследование кинетики гидратообразования в магнитном поле / Э.А. Максимова, Н.П. Овчинников, Е.Ю. Светкина // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2014. — Т. 8. — С. 293-298. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Розробка родовищ |
| description | По результатам лабораторных экспериментов получена кинетическая зависимость гидратообразования от наличия магнитных полей. Обосновано влияние магнитного поля на процесс гидратации структур воды при образовании искусственных газовых гидратов. Установлено, что магнитное поле является катализатором образования больших молекулярных ассоциатов и клатратных структур.
За результатами лабораторних експериментів отримана кінетична залежність гідратоутворення від наявності магнітних полів. Обґрунтовано вплив магнітного поля на процес гідратації структур води при утворенні штучних газових гідратів. Встановлено, що магнітне поле є каталізатором створення великих молекулярних асоціатів та клатратних структур.
According to the results of laboratory experiments the kinetic dependence by hydrate formation on the availability of magnetic fields is obtained. The influence of magnetic field on the process of hydration water structures in the formation of artificial gas hydrates is substantiated. It is established that the magnetic field is a catalyst for the formation of large molecular associates and clathrate structures.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:01:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
293
УДК 544.032.53 © Э.А. Максимова, Н.П. Овчинников, Е.Ю. Светкина
Э.А. Максимова, Н.П. Овчинников, Е.Ю. Светкина
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ
В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
По результатам лабораторных экспериментов получена кинетическая зависимость
гидратообразования от наличия магнитных полей. Обосновано влияние магнитного
поля на процесс гидратации структур воды при образовании искусственных газовых
гидратов. Установлено, что магнитное поле является катализатором образования
больших молекулярных ассоциатов и клатратных структур.
ДОСЛІДЖЕННЯ КІНЕТИКИ ГІДРАТОУТВОРЕННЯ В МАГНІТНОМУ ПОЛІ
За результатами лабораторних експериментів отримана кінетична залежність
гідратоутворення від наявності магнітних полів. Обґрунтовано вплив магнітного
поля на процес гідратації структур води при утворенні штучних газових гідратів.
Встановлено, що магнітне поле є каталізатором створення великих молекулярних
асоціатів та клатратних структур.
RESEARCH KINETICS OF HYDRATE FORMATION IN THE MAGNETIC FIELD
According to the results of laboratory experiments the kinetic dependence by hydrate forma-
tion on the availability of magnetic fields is obtained. The influence of magnetic field on the
process of hydration water structures in the formation of artificial gas hydrates is substanti-
ated. It is established that the magnetic field is a catalyst for the formation of large molecular
associates and clathrate structures.
ВВЕДЕНИЕ
При разработке угольных месторожде-
ний происходит интенсивный выброс по-
путных углеводородных газов в окружаю-
щую среду. По данным ученых Государст-
венной Академии Холода (Л.Ф. Смирнов,
И.Г. Чумак), запасы шахтного метана толь-
ко в Украинской части Донбасса оценива-
ются порядка пяти триллионов кубических
метров.
На кафедре подземной разработки ме-
сторождений Национального горного уни-
верситета ведутся исследования по созда-
нию искусственных газовых гидратов из
газа дегазационных скважин Донецкого
угольного бассейна. Исследования направ-
лены на разработку технологии перевода
метановоздушной смеси дегазационных
скважин Донецкого региона в газогидрат-
ное состояние с последующей его опти-
мальной транспортировкой промышлен-
ным и энергетическим компаниям для
дальнейшего использования в качестве
энергоносителя [1]. Так как дегазационные
скважины территориально разбросаны по
шахтным полям, то очевидна необходи-
мость создания такой мобильной установ-
ки с ускоренной технологией, которая по-
зволит непрерывно переводить выходящий
из скважин газ в твердую фазу, во избежа-
ние необходимости аккумулирования газо-
вой фазы вблизи каждой дегазационной
скважины.
294
Поскольку ускорение процесса гидра-
тообразования является одной из основных
научных и практических целей изучения
природы гидратов, то становится очевид-
ным, что необходимо детально исследо-
вать это явление с точки зрения молеку-
лярной теории.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Одним из методов интенсификации
технологических процессов в области
криохимии является магнитная обработка
водных растворов. Эта предпосылка легла
в основу применения методов классиче-
ской магнитохимии для ускорения процес-
са гидратообразования. Известно, что ско-
ростями химических реакций можно варь-
ировать при сообщении системе энергии
гораздо меньшей, чем энергия теплового
потока [2]. Таким образом, цель нашей ра-
боты – изучение кинетики образования га-
зогидратов в присутствии магнитных по-
лей для ускорения процесса гидратообра-
зования.
На кафедре подземной разработки ме-
сторождений НГУ в 2009 – 2011 гг. была
получена серия опытных образцов газово-
го гидрата СН4 при различных параметрах
на созданных лабораторных установках
НПО-1, 2, 3, 4. При изучении кинетики об-
разования газогидратов, была использова-
на усовершенствованная установка НПО-5,
принципиальная схема которой представ-
лена на рис. 1.
Рис. 1. Реактор НПО-5
В реактор из газового баллона через ре-
дуктор высокого давления подается метан.
Одновременно с газом насосом под давле-
нием подается вода через высоконапорные
форсунки, благодаря которым она распы-
ляется до состояния «туман». Реактор по-
мещен в специальную климатологическую
камеру для поддержания постоянного тем-
пературного режима.
При проведении эксперимента в реакто-
ре было задано давление 4 МПа, экспери-
мент проводился в температурном режиме в
диапазоне от + 0,5 до + 4 ºC (табл. 1). Тех-
нологически было осуществлено принуди-
тельное перемешивание в реакторе газа и
воды. Первые признаки гидратообразования
были обнаружены при 0,5 ºC через 4 ч
(рис. 2).
Для создания магнитного поля внутрь
реактора было помещено 4 магнита (рис. 1).
При тех же параметрах, но в магнитном по-
ле, начали формироваться газогидратные
структуры в ускоренном режиме (табл. 2,
рис. 3).
Таким образом, при обычном переме-
шивании гидрат метана образовывается от
295
4-х до 7-ми ч, соответственно при темпера-
турах от + 0,5 до +4 ºС (рис. 2), а при таком
же перемешивании, но в магнитном поле –
период их образования сокращается в
2 раза в низком диапазоне температур
(рис. 2), при =P 2МПа .const=
ПАРАМЕТРЫ ОБРАЗОВАНИЯ Таблица 1
ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ ПРИ ОБЫЧНОМ
ПЕРЕМЕШИВАНИИ (P = 4 МПа)
t, °C T, час
0,5 4,0
1,0 4,2
1,5 4,6
2,0 5,1
2,5 5,6
3,0 6,0
3,5 6,2
4,0 6,5
0
1
2
3
4
5
3 4 5 6 7 8
Время гидратообразования, ч
Т
ем
п
ер
ат
ур
а,
°
С
Рис. 2. Перемешивание водогазовой смеси
в реакторе
ПАРАМЕТРЫ ОБРАЗОВАНИЯ Таблица 2
ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ ПРИ ОБЫЧНОМ
ПЕРЕМЕШИВАНИИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
(P = 4 МПа)
t, °C T, час
0,5 2,0
1,0 2,2
1,5 2,5
2,0 2,8
2,5 3,2
3,0 3,6
3,5 3,9
4,0 4,2
0
1
2
3
4
5
1,5 2,5 3,5 4,5
Время гидратообразования, ч
Т
ем
п
ер
ат
ур
а,
°
С
Рис. 3. Перемешивание водогазовой смеси
в реакторе в магнитном поле
Процесс образования газогидратов
происходит при охлаждении водного рас-
твора газа при повышенном давлении. На
первом этапе выделяется кристаллический
гидрат растворенного газа с определенным
химическим составом и кристаллографи-
ческими свойствами. Молекула СН4 зани-
мает полость, образованную молекулами
воды, скорость образования которой зави-
сит от магнитного поля и состава водного
раствора.
Как нам представляется, одним из ос-
новных процессов образования газогидра-
тов является процесс перестройки структу-
ры воды, который оказывает очень большое
влияние на кинетику гидратообразования.
Имеются результаты довольно надеж-
ных экспериментальных исследований, ко-
торые свидетельствуют о том, что магнит-
ная обработка заметно влияет на пере-
стройку структуры воды, как например –
гидратацию ионов. С одной стороны, как
было выяснено В.С. Духаниным и
Н.Г. Ключниковым [3, 4], омагничивание
приводит к некоторому «разрыхлению»
структуры воды, сопровождаемому ее упо-
рядочением и увеличением числа долго-
живущих «мерцающих» групп. С другой
стороны, по данным В.И. Классена [4],
происходит увеличение числа свободных
мономерных, более подвижных молекул
воды и, как следствие, возрастает актив-
ность такой водной системы, что неизбеж-
но отражается на ее физико-химических
296
свойствах.
Влияние магнитных полей на природ-
ные водные системы или ионы, всегда в
них содержащихся, основано на объедине-
нии продуктов диссоциации воды – гидро-
ксила и гидроксония в кольца, устойчи-
вость которых была предсказана Липпин-
коттом [5].
Таким образом, омагничивание системы
приводит к специфическому структуриро-
ванию воды, содержащей ионы после ее
магнитной обработки. Например, Л.Д. Ки-
словский и В.В. Пучков [6] выдвигают ги-
потезу об образовании больших молекуляр-
ных ассоциатов вокруг ионов кальция (наи-
более характерной примесью в технической
и природной воде).
Л.Д. Кисловский основывается при этом
на представлениях Л. Полинга (L. Pauling) о
наличии в воде клатратных структур, иг-
рающих основную роль в образовании газо-
вых гидратов. Такие структуры могут суще-
ствовать в воде тем дольше и быть развиты
тем больше, чем в большей степени соот-
ветствуют размерам полостей находящиеся
в них ионы или молекулы. Диаметр гексаа-
квакомплекса кальция (рис. 4), равный
0,516 нм, хорошо соответствует диаметру
одной из полостей клатратной структуры
(0,52 нм).
Рис. 4. Стабилизация гексааквакомплекса кальция [Са(Н2О)6]2+ в полости додекаэдрической структуры воды:
а – гексааквакомплекс кальция; б – додекаэдрическая структура из молекул воды [6]
Это приводит к образованию больших
метастабильных ионов, которые могут
значительно изменять структуру и свойст-
ва воды. Аналогичным образом, кроме ио-
нов кальция, могут быть и другие заполни-
тели клатратных пустот – например, моле-
кулы метана. Для возникновения таких
аквакомплексов необходимо преодолеть
определенный активационный барьер, что
и происходит при воздействии магнитного
поля.
Следует заметить, что хотя гексааква-
комплексы метастабильны, время их суще-
ствования может исчисляться многими ча-
сами.
В природных водах, которые содержат
катионы кальция, процесс образования га-
зовых гидратов ускоряется за счет образо-
вания аквакомплексов, которые являются
центрами кристаллизации. В нашем слу-
чае, дополнительным катализатором про-
цесса является влияние магнитного поля,
под действием которого ускоряется обра-
зование полостей.
Природная вода всегда содержит при-
меси различных веществ, в том числе га-
зов, являясь микрогетерогенной системой.
Она представляет собой открытую систе-
му, обменивающуюся со средой не только
энергией, но и веществом, и не может рас-
сматриваться как равновесная. Ей свойст-
венны замедленные структурные перехо-
ды, поэтому необходимо также рассмот-
реть «преднарушения» структуры воды
различными магнитными воздействиями,
обусловленными процессом растворения
газа и образования газогидратов. Молеку-
лы воды, связь которых с другими молеку-
297
лами чем-либо ослаблена, подвержены
воздействию слабых магнитных полей.
Легче всего подвергается воздействию мо-
лекула, сохранившая одну прочную водо-
родную связь. Отмеченное возможное пе-
рераспределение молекул по различным
энергетическим уровням может повлиять
на химические реакции и биологические
эффекты.
Существует ряд гипотез воздействия
магнитного поля на ионы солей, раство-
ренных в воде. Первая состоит в том, что
под влиянием магнитного поля происходит
поляризация и деформация ионов, сопро-
вождающаяся уменьшением их гидрации
(степени «рассеянности» в толще воды),
повышающей вероятность их сближения и,
в конечном счете, образования центров
кристаллизации. Вторая – предполагает
действие магнитного поля на коллоидные
примеси воды. Третья гипотеза объединяет
представления о возможном влиянии маг-
нитного поля на структуру воды. Это
влияние, с одной стороны, может вызвать
изменения в агрегации молекул воды, с
другой – нарушить ориентацию ядерных
спинов водорода в ее молекулах. Посколь-
ку в природных условиях газогидратные
залежи сформированы в минерализован-
ных подземных водах либо в морской воде,
то и понятно, что процессы гидратообразо-
вания идут в ускоренном темпе в воде, на-
сыщенной солями.
Обязательным условием процессов
магнитохимии является перемещение вод-
ной системы и магнитного потока относи-
тельно друг друга. В связи с этим, при изу-
чении кинетических особенностей процес-
са гидратообразования в нашем случае, мы
смесь газ – вода перемешивали.
В проведенных нами исследованиях
отмечается наличие оптимальной скорости
перемешивания. Причины такой законо-
мерности не выяснены. Вероятно, что с
увеличением скорости возрастает действие
сил Лоренца, а также увеличивается сила
индуцированного тока.
ВЫВОДЫ
1. Под влиянием магнитного поля, про-
исходит молекулярная перестройка и ус-
коряется гидратообразование.
2. Атомы кислорода и водорода при
взаимодействии образовывают дополни-
тельные молекулы воды, которые компен-
сируют возможную нехватку воды для ус-
коренного гидратообразования.
3. При воздействии магнитного поля
возникают аквакомплексы, которые стано-
вятся «каркасом» для молекулы метана.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Получение искусственных газовых гидратов из
метановоздушной смеси дегазационных скважин:
отчет о НИР № АД-404/27577 ДС / НИИ горных проблем
АИН Украины; рук. В.И. Бондаренко. – Д., 2013. – 48 с.
2. Бучаченко А.Л. Магнитные и спиновые эффекты
в химических реакциях / А.Л. Бучаченко, Р.З. Сагдеевв,
К.М. Салихов. – Новосибирск: Наука, 1978. – 183 с.
3. Ключников Н.Г. Неорганический синтез: учеб. по-
собие (2-е изд., перераб.) / Н.Г. Ключников. – М.: Про-
свещение, 1988. –240 с.
4. Духанин Г.П. Термодинамические расчеты химиче-
ских реакций: учеб. пособие / Г.П. Духанин, В.А. Козлов-
цев. – Волгоград: ВолгГТУ, 2010. – 96 с.
5. Champe P. Lippincott Williams & Wilkins / P. Champe,
R. Harvey, D. Ferrier. – Philadelphiа: Lippincott's illustrated
reviews: biochemistry, 2005. – 534 p.
6. Кисловский Л.Д. Метастабильные структуры в
водных растворах / Л.Д. Кисловский, В.В. Пучков; под
ред. проф., д.т.н. В.И. Классена // Вопросы теории маг-
нитной обработки воды и водных систем: сб. науч. тр.
ЦНИИ ИТИЦМ, 1971. – С. 25 – 31.
298
ОБ АВТОРАХ
Максимова Элла Александровна – к.г.-м.н., доцент
кафедры подземной разработки месторождений Нацио-
нального горного университета.
Овчинников Николай Павлович – к.т.н., доцент ка-
федры подземной разработки месторождений Нацио-
нального горного университета.
Светкина Елена Юрьевна – к.х.н., доцент кафедры
химии Национального горного университета.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-104559 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2415-3435 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:01:36Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Максимова, Э.А. Овчинников, Н.П. Светкина, Е.Ю. 2016-07-12T12:47:54Z 2016-07-12T12:47:54Z 2014 Исследование кинетики гидратообразования в магнитном поле / Э.А. Максимова, Н.П. Овчинников, Е.Ю. Светкина // Розробка родовищ: Зб. наук. пр. — 2014. — Т. 8. — С. 293-298. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 2415-3435 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104559 544.032.53 По результатам лабораторных экспериментов получена кинетическая зависимость гидратообразования от наличия магнитных полей. Обосновано влияние магнитного поля на процесс гидратации структур воды при образовании искусственных газовых гидратов. Установлено, что магнитное поле является катализатором образования больших молекулярных ассоциатов и клатратных структур. За результатами лабораторних експериментів отримана кінетична залежність гідратоутворення від наявності магнітних полів. Обґрунтовано вплив магнітного поля на процес гідратації структур води при утворенні штучних газових гідратів. Встановлено, що магнітне поле є каталізатором створення великих молекулярних асоціатів та клатратних структур. According to the results of laboratory experiments the kinetic dependence by hydrate formation on the availability of magnetic fields is obtained. The influence of magnetic field on the process of hydration water structures in the formation of artificial gas hydrates is substantiated. It is established that the magnetic field is a catalyst for the formation of large molecular associates and clathrate structures. ru УкрНДМІ НАН України, Інститут геотехнічної механіки НАН України Розробка родовищ Розробка газових родовищ Исследование кинетики гидратообразования в магнитном поле Дослідження кінетики гідратоутворення в магнітному полі Research kinetics of hydrate formation in the magnetic field Article published earlier |
| spellingShingle | Исследование кинетики гидратообразования в магнитном поле Максимова, Э.А. Овчинников, Н.П. Светкина, Е.Ю. Розробка газових родовищ |
| title | Исследование кинетики гидратообразования в магнитном поле |
| title_alt | Дослідження кінетики гідратоутворення в магнітному полі Research kinetics of hydrate formation in the magnetic field |
| title_full | Исследование кинетики гидратообразования в магнитном поле |
| title_fullStr | Исследование кинетики гидратообразования в магнитном поле |
| title_full_unstemmed | Исследование кинетики гидратообразования в магнитном поле |
| title_short | Исследование кинетики гидратообразования в магнитном поле |
| title_sort | исследование кинетики гидратообразования в магнитном поле |
| topic | Розробка газових родовищ |
| topic_facet | Розробка газових родовищ |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104559 |
| work_keys_str_mv | AT maksimovaéa issledovaniekinetikigidratoobrazovaniâvmagnitnompole AT ovčinnikovnp issledovaniekinetikigidratoobrazovaniâvmagnitnompole AT svetkinaeû issledovaniekinetikigidratoobrazovaniâvmagnitnompole AT maksimovaéa doslídžennâkínetikigídratoutvorennâvmagnítnomupolí AT ovčinnikovnp doslídžennâkínetikigídratoutvorennâvmagnítnomupolí AT svetkinaeû doslídžennâkínetikigídratoutvorennâvmagnítnomupolí AT maksimovaéa researchkineticsofhydrateformationinthemagneticfield AT ovčinnikovnp researchkineticsofhydrateformationinthemagneticfield AT svetkinaeû researchkineticsofhydrateformationinthemagneticfield |