原文信息
Towards energy-efficient hydrate-based desalination: A comprehensive study on binary hydrate formers with propane as a promoter
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306261924014247
Highlights
（1）丙烷作为促进剂可以显著提高水合物法海水淡化效率。
（2）在本文研究的实验条件范围内，275.15 K和4 MPa工况下二元水合物生成速率最快。
（3）二元水合剂中丙烷比例越高，水合物的生成速率越快。
（4）CO2+C3H8组合在水合物生成速度和水合物转化率方面表现出色。
Research gap
本研究的目的是解决水合物法海水淡化技术中水合物生成速率较慢的问题，引入二元水合剂来加速水合物在盐水中的生成速率。通过全面的动力学分析，探讨了在盐水中含丙烷的二元水合物的形成规律，并对比了不同体系（CO2+C3H8、Ar+C3H8和N2+C3H8）的水合表现，为如何选择和优化二元水合剂组分提供了新的视角。
Abstract
Hydrate-based desalination technology has garnered significant attention due to its energy efficiency and the ready availability of hydrate formers. This research investigated the kinetics of different binary hydrates (CO2 +C3H8, N2 + C3H8, and Ar + C3H8) using propane as a promoter, aiming to enhance the desalination efficiency and reduce the energy cost. Experiments were conducted at temperatures ranging from 275.15 K to 279.15 K and initial pressures from 2.5 to 4.0 MPa. The formation rate and water-to-hydrate conversion of binary hydrates in a 3.5 wt% brine system were evaluated across different propane ratios (10%, 15%, and 19%) and stirring rates (0–600 rpm). Results indicated that a temperature of 275.15 K and a pressure of 4.0 MPa fostered optimal hydrate kinetics. Additionally, increasing the propane ratio from 10% to 19% positively influenced N2 + C3H8 and Ar + C3H8 hydrate formation kinetics due to enhanced phase equilibrium. For CO2 + C3H8, while the final water conversion rate increased with added propane, the formation rate and amount of hydrates formed within one hour for the 81% CO2 + 19% C3H8 combination decreased. Stirring enhanced nucleation and growth for N2 + C3H8 but remained ineffective for CO2 + C3H8. Among hydrate formers of the same ratio, CO2 + C3H8, with its higher solubility, emerged as superior in terms of both lower formation pressure and faster formation kinetics, achieving greater water-to-hydrate conversion in minimal time. This study offers valuable insights for choosing optimal experimental conditions and binary hydrate formers to fast-track the kinetics of hydrate formation and energy-efficient in hydrate-based desalination technology.
Keywords
Hydrate-based desalination
Kinetics
Water to hydrate conversion
Binary mixture hydrate former
Energy-efficient desalination
Graphics
图1 水合物动力学实验装置示意图
图2 275.15 K、2.5 MPa以及400 rpm搅拌速率下，CO2+C3H8混合气体中丙烷比例对水至水合物转化率的影响
图3 275.15 K、4 MPa以及400 rpm搅拌速率下丙烷比例对C3H8+N2和C3H8+Ar水合物形成过程水至水合物转化率的影响
图4 275.15 K、2.50 MPa以及400 rpm搅拌速率下不同二元水合物形成过程水至水合物转化率和转化速率
作者简介
通信作者简介：
贺天彪：浙江大学能源工程学院制冷与低温研究所“百人计划”研究员（正高级）、博士生导师，长期从事LNG冷能利用、水合物法技术（海水淡化、碳捕集、气体分离和蓄冷）、天然气/氢气液化储运等领域的研究，在能源领域权威期刊发表学术论文60余篇，论文被引用2800余次，H指数28，包括2篇ESI高被引论文，2021-2023年连续入选斯坦福大学-Elsevier颁布全球前2%顶尖科学家（年度影响力榜单）。担任中国工程院院刊能源分刊Frontiers in Energy、Fluid Dynamic & Materials Processing、新能源进展等期刊编委及青年编委。主持国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、山东省自然科学基金等纵向和横向项目10余项。
殷振元：清华大学深圳国际研究生院副教授、特别研究员、博士生导师，THU天然气水合物与储碳实验室PI，广东省“珠江计划”青年拔尖人才，I&EC Research 2023年最具影响力研究者。长期从事气体水合物热动力学与多场耦合基础研究，应用于天然气水合物开采及水合物法应用技术（二氧化碳封存、LNG冷能输运与固化储氢等）。在能源领域权威期刊发表学术论文80余篇，论文被引用3100余次，H指数28，包括6篇ESI高被引论文与5篇期刊封面论文，2022-2023年连续两年入选斯坦福-Elsevier颁布的全球前2%顶尖科学家（年度影响力榜单），担任Gas Science and Engineering、Advances in Applied Energy、天然气工业等期刊编委及青年编委。主持国家自然科学基金、广东省科技厅风电重点专项基金、广东省科技厅面上项目、广东省自然资源厅海洋六大产业项目等20余项。
关于Applied Energy
本期小编：冯玉鹏； 审核人：贺天彪
《Applied Energy》是世界能源领域著名学术期刊，在全球出版巨头爱思唯尔 (Elsevier) 旗下，1975年创刊，影响因子10.1，CiteScore 21.2，本刊旨在为清洁能源转换技术、能源过程和系统优化、能源效率、智慧能源、环境污染物及温室气体减排、能源与其他学科交叉融合、以及能源可持续发展等领域提供交流分享和合作的平台。开源（Open Access）姊妹新刊《Advances in Applied Energy》影响因子13.0，CiteScore 23.9。全部论文可以免费下载。在《Applied Energy》的成功经验基础上，致力于发表应用能源领域顶尖科研成果，并为广大科研人员提供一个快速权威的学术交流和发表平台，欢迎关注！
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