5e科普丨什麼是可燃冰？

天然氣水合物（Natural Gas Hydrate，簡稱Gas Hydrate）是分佈於深海沉積物或陸域的永久凍土中，由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結晶物質。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱作「可燃冰」或者「固體瓦斯」和「氣冰」。

天然氣水合物甲烷含量佔80%～99.9%，燃燒污染比煤、石油、天然氣都小得多，而且儲量豐富，全球儲量足夠人類使用1000年，因而被各國視為未來石油天然氣的替代能源。

天然氣水合物賦存於水深大於100-250米（兩極地區）和大於400-650米（赤道地區）的深海海底以下數百米至1000多米的沉積層內，這裡的壓力和溫度條件能使天然氣水合物處於穩定的固態。

目前，30多個國家和地區已經進行「可燃冰」的研究與調查勘探，最近兩年開採試驗取得較大進展。

2017年5月，首次海域天然氣水合物（可燃冰）試采成功。

概念

天然氣水合物是指由主體分子（水）和客體分子（甲烷、乙烷等烴類氣體，及氮氣、二氧化碳等非烴類氣體分子）在低溫（-10℃~+28℃）、高壓（1~9MPa）條件下，通過范德華力相互作用，形成的結晶狀籠形固體絡合物其中水分子藉助氫鍵形成結晶網格，網格中的孔穴內充滿輕烴、重烴或非烴分子。水合物具有極強的儲載氣體能力，一個單位體積的天然氣水合物可儲載100~200倍於該體積的氣體量。

組成結構

天然氣水合物（Natural Gas Hydrate，簡稱Gas Hydrate），也稱為可燃冰、甲烷水合物、甲烷冰、天然氣水合物、「籠形包合物」（Clathrate），分子式為：CH4·nH2O，現已證實分子式為CH4·8H2O。。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以又被稱作「可燃冰」(英譯為：Flammable ice）或者「固體瓦斯」和「氣冰」。形成天然氣水合物有三個基本條件：溫度、壓力和原材料。

天然氣水合物是一種白色固體物質，有極強的燃燒力，主要由水分子和烴類氣體分子（主要是甲烷）組成，它是在一定條件（合適的溫度、壓力、氣體飽和度、水的鹽度、PH值等）下由水和天然氣在中高壓和低溫條件下混合時組成的類冰的、非化學計量的、籠形結晶化合物（碳的電負性較大，在高壓下能吸引與之相近的氫原子形成氫鍵，構成籠狀結構）。一旦溫度升高或壓強降低，甲烷氣則會逸出，固體水合物便趨於崩解。

「天然氣水合物」，是天然氣在0℃和30個大氣壓的作用下結晶而成的「冰塊」。「冰塊」里甲烷佔80%～99.9%，可直接點燃。可用mCH4·nH2O來表示，m代表水合物中的氣體分子，n為水合指數（也就是水分子數）。組成天然氣的成分如CH4、C2H6、C3H8、C4H10等同系物以及CO2、N2、H2S等可形成單種或多種天然氣水合物。形成天然氣水合物的主要氣體為甲烷，對甲烷分子含量超過99%的天然氣水合物通常稱為甲烷水合物（Methane Hydrate）。每單位晶胞內有兩個十二面體（20 個端點因此有 20 個水分子）和六個十四面體（tetrakaidecahedral）（24 個水分子）的水籠結構。其水合值（hydratation value）20 可由 MAS NMR 來求得。 甲烷氣水包合物頻譜於275K和3.1MPa下記錄，顯示出每個籠形都反映出峰值，且氣態的甲烷也有個別的峰值。

主要特點

可燃冰燃燒產生的能量比煤、石油、天然氣要多出數十倍，而且燃燒后不產生任何殘渣，避免了最讓人們頭疼的污染問題。科學家們如獲至寶，把可燃冰稱作「屬於未來的能源」。

可燃冰這種寶貝可是來之不易，它的誕生至少要滿足三個條件：第一是溫度不能太高，如果溫度高於20℃，它就會「煙消雲散」，所以，海底的溫度最適合可燃冰的形成；第二是壓力要足夠大，海底越深壓力就越大，可燃冰也就越穩定；第三是要有甲烷氣源，海底古生物屍體的沉積物，被細菌分解後會產生甲烷。所以，可燃冰在世界各大洋中均有分佈。東海、南海都有相當數量分佈。

沉澱物生成的甲烷水合物含量可能還包含了2至10倍的已知的傳統天然氣量。這代表它是未來很有潛力的重要礦物燃料來源。然而，在大多數的礦床地點很可能都過於分散而不利於經濟開採。另外面臨經濟開採的問題還有：偵測可採行的儲藏區、以及從水合物礦床開採甲烷氣體的技術開發。在日本，已進行一項研發計劃，預計要在2016年進行商業規模的開採。

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