Yahoo Answers is shutting down on May 4th, 2021 (Eastern Time) and beginning April 20th, 2021 (Eastern Time) the Yahoo Answers website will be in read-only mode. There will be no changes to other Yahoo properties or services, or your Yahoo account. You can find more information about the Yahoo Answers shutdown and how to download your data on this help page.

小豪 asked in 科學化學 · 2 decades ago

請問什麼是甲烷水合物阿???

同上

因為聽到生物老師跟我們說...

所以有點好奇

聽說可以燃而且類似冰~

我也不太確定

6 Answers

Rating
  • Anonymous
    2 decades ago
    Favorite Answer

    天然氣水合物(natural gas hydrates)簡稱為氣水合物(gas hydrates),是由主成分水分子組成似冰晶籠狀架構,將氣體分子等副成分包裹於結晶構造空隙中之一種非化學計量(non-stoichiometric)的籠形包合物結晶。所包合的氣體分子組成可能有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、異丁烷(C4H10)、正丁烷(C4H10)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)或硫化氫(H2S)等。自然界產出的氣水合物所含氣體分子組成常以甲烷為主,故也有些學者將氣水合物通稱為甲烷水合物(methane hydrate)。由於它是一種非化學計量性的籠型結晶化合物,甲烷氣與水分子的結合不需任何鍵結(如化學鍵或離子鍵等),此特性與一般依庫倫力鍵結形成的水合物(如鹽與水)完全不同,為避免字義上的混淆,部份學者稱之為甲烷氣水包合物(methane clathrate)。不過,大部分學者仍習慣稱為甲烷水合物,本文亦沿用甲烷水合物一詞。

    甲烷水合物可將甲烷氣富集於似冰晶的結構空隙中,是一種在低溫高壓(< 7℃、> 50大氣壓)下的準穩定態(metastable)結晶產物。如果將1立方公尺的甲烷水合物,置於標準溫壓(0 ℃、1大氣壓)條件下,理論上可解離產生0.8立方公尺的水及150-180立方公尺的甲烷氣。

    甲烷水合物外觀猶如純白潔淨之半透明至不透明狀的冰塊,常溫常壓的環境下,很容易解離成甲烷氣與水,只要有火源將它點火燃燒,即可自我持續燃燒直至殆盡,形成冰火或水冰火共存的特異現象。因此,也有人稱甲烷水合物為可燃燒的冰塊(burning ice)。

    (一)結晶構造與物理特性

    甲烷水合物之結晶構造有下列三種:1.結晶構造I (sI):水分子以體心立方緊密排列方式構成的結晶構造,屬立方晶系(等軸晶系)。一般賦存於海域沉積物的氣水合物多以此種結晶構造產出,所包住的氣體分子需小於丙烷,通常以甲烷、二氧化碳或硫化氫為主;由於這些氣體組成與有機質經微生物作用產生之氣體產物的組成相近,故部分學者認為海域沉積物中甲烷水合物的氣體來源主要源自微生物作用。2.結晶構造II (sII):水分子以金剛石結構之面心立方最密堆積而成的結晶構造,亦屬立方晶系。此結構所形成的空隙較大,可容納半徑介於乙烷至戊烷大小的油氣分子,這些氣體組成與來自有機物經熱分解作用產生的氣體組成相近,故一般認為烷氫類氣體源自產油或煉油環境下或是源自熱分解作用而形成的氣水合物多以此種結構晶出。3.結晶構造H(sH):水分子以六方最密堆積方式所構成的結晶構造,屬六方晶系。此結構形成的籠狀空隙更大,大小甚至足以容納石油精與汽油分子。

    甲烷水合物的基本構造單元,是由水分子(氫氧原子)組成的五角十二面體籠狀構造物,其頂點即為氧原子的位置,各點的連結線代表氫鍵(圖一)。此等水分子所形成的籠狀構造空隙(cavity)之幾何圖形以五角十二面體(pentagonal dodecahedron)表示,代表符號為512。這些五角十二面體籠狀構造若以共用一稜邊(sharing edges)的結合方式,進行體心立方緊密堆積,即可形成結晶構造I;如果以共用一面(sharing faces)的結合方式,進行面心立方最密堆積,即可形成結晶構造II;若是進行六方最密堆積,即可形成結晶構造H。

    上述三種由五角十二面體構造單元依不同排列方式所成的結晶構造中,將產生新的籠狀構造空隙,這些空隙均比512籠狀構造空隙為大。結晶構造I中,所產生大型籠狀構造空隙之幾何圖形為五角十二面六角二面體(tetrakaidecahedron),以51262符號表示;結晶構造II中,所產生大型籠狀構造空隙為五角十二面六角四面體(hexakaidecahedron),以51264符號表示;結晶構造H中,所產生的大型籠狀構造空隙為五角十二面六角八面體(icosahedron),以51268符號表示,所產生的中型籠狀構造空隙為四角三面五角六面六角三面體(irregular dodecahedron),以435663符號表示(圖一)。不同結晶構造的甲烷水合物,所形成的晶胞(unit cell)之空隙大小與幾何關係亦不同(表一)。

    每個籠狀構造空隙,最多只能容納一個氣體分子。結晶構造I的晶胞中,理論上是每46個水分子構成的籠狀結構,最多可包住8個氣體分子,其理論化學式以2[512]6[51262]46H2O表示,代表2個氣體分子被包合於512籠狀構造空隙中,另外6個氣體分子則被包合於51262籠狀構造空隙中。同理,結晶構造II的氣水合物之理論化學式為16[512]8[51264]136H2O,代表每136個水分子構成的籠狀晶格中,最多有16個氣體分子被包於512籠狀構造空隙,8個氣體分子被包於51264籠狀構造空隙。結晶構造H的氣水合物之理論化學式為3[512]2[435663]1[51268]34H2O,代表每34個水分子構成的籠狀結構,最多有3個氣體分子被包於512籠狀構造空隙,2個氣體分子則被包合於435663籠狀構造空隙,1個氣體分子被包於51268籠狀構造空隙。

    晶體的物理與化學性質,基本上受控於其結晶構造(如原子組合排列與鍵結方式)、化學組成及構造瑕疵的分布。表二為甲烷水合物與冰的基本物理特性之簡單比較。

    點選網頁~~網頁有圖

  • Anonymous
    2 decades ago

    天然氣水合物(natural gas hydrates)簡稱為氣水合物(gas hydrates),是由主成分水分子組成似冰晶籠狀架構,將氣體分子等副成分包裹於結晶構造空隙中之一種非化學計量(non-stoichiometric)的籠形包合物結晶。所包合的氣體分子組成可能有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、異丁烷(C4H10)、正丁烷(C4H10)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)或硫化氫(H2S)等。自然界產出的氣水合物所含氣體分子組成常以甲烷為主,故也有些學者將氣水合物通稱為甲烷水合物(methane hydrate)。由於它是一種非化學計量性的籠型結晶化合物,甲烷氣與水分子的結合不需任何鍵結(如化學鍵或離子鍵等),此特性與一般依庫倫力鍵結形成的水合物(如鹽與水)完全不同,為避免字義上的混淆,部份學者稱之為甲烷氣水包合物(methane clathrate)。不過,大部分學者仍習慣稱為甲烷水合物,本文亦沿用甲烷水合物一詞。

    甲烷水合物可將甲烷氣富集於似冰晶的結構空隙中,是一種在低溫高壓(< 7℃、> 50大氣壓)下的準穩定態(metastable)結晶產物。如果將1立方公尺的甲烷水合物,置於標準溫壓(0 ℃、1大氣壓)條件下,理論上可解離產生0.8立方公尺的水及150-180立方公尺的甲烷氣。

    甲烷水合物外觀猶如純白潔淨之半透明至不透明狀的冰塊,常溫常壓的環境下,很容易解離成甲烷氣與水,只要有火源將它點火燃燒,即可自我持續燃燒直至殆盡,形成冰火或水冰火共存的特異現象。因此,也有人稱甲烷水合物為可燃燒的冰塊(burning ice)。

    (一)結晶構造與物理特性

    甲烷水合物之結晶構造有下列三種:1.結晶構造I (sI):水分子以體心立方緊密排列方式構成的結晶構造,屬立方晶系(等軸晶系)。一般賦存於海域沉積物的氣水合物多以此種結晶構造產出,所包住的氣體分子需小於丙烷,通常以甲烷、二氧化碳或硫化氫為主;由於這些氣體組成與有機質經微生物作用產生之氣體產物的組成相近,故部分學者認為海域沉積物中甲烷水合物的氣體來源主要源自微生物作用。2.結晶構造II (sII):水分子以金剛石結構之面心立方最密堆積而成的結晶構造,亦屬立方晶系。此結構所形成的空隙較大,可容納半徑介於乙烷至戊烷大小的油氣分子,這些氣體組成與來自有機物經熱分解作用產生的氣體組成相近,故一般認為烷氫類氣體源自產油或煉油環境下或是源自熱分解作用而形成的氣水合物多以此種結構晶出。3.結晶構造H(sH):水分子以六方最密堆積方式所構成的結晶構造,屬六方晶系。此結構形成的籠狀空隙更大,大小甚至足以容納石油精與汽油分子。

    甲烷水合物的基本構造單元,是由水分子(氫氧原子)組成的五角十二面體籠狀構造物,其頂點即為氧原子的位置,各點的連結線代表氫鍵(圖一)。此等水分子所形成的籠狀構造空隙(cavity)之幾何圖形以五角十二面體(pentagonal dodecahedron)表示,代表符號為512。這些五角十二面體籠狀構造若以共用一稜邊(sharing edges)的結合方式,進行體心立方緊密堆積,即可形成結晶構造I;如果以共用一面(sharing faces)的結合方式,進行面心立方最密堆積,即可形成結晶構造II;若是進行六方最密堆積,即可形成結晶構造H。

    上述三種由五角十二面體構造單元依不同排列方式所成的結晶構造中,將產生新的籠狀構造空隙,這些空隙均比512籠狀構造空隙為大。結晶構造I中,所產生大型籠狀構造空隙之幾何圖形為五角十二面六角二面體(tetrakaidecahedron),以51262符號表示;結晶構造II中,所產生大型籠狀構造空隙為五角十二面六角四面體(hexakaidecahedron),以51264符號表示;結晶構造H中,所產生的大型籠狀構造空隙為五角十二面六角八面體(icosahedron),以51268符號表示,所產生的中型籠狀構造空隙為四角三面五角六面六角三面體(irregular dodecahedron),以435663符號表示(圖一)。不同結晶構造的甲烷水合物,所形成的晶胞(unit cell)之空隙大小與幾何關係亦不同(表一)。

    每個籠狀構造空隙,最多只能容納一個氣體分子。結晶構造I的晶胞中,理論上是每46個水分子構成的籠狀結構,最多可包住8個氣體分子,其理論化學式以2[512]6[51262]46H2O表示,代表2個氣體分子被包合於512籠狀構造空隙中,另外6個氣體分子則被包合於51262籠狀構造空隙中。同理,結晶構造II的氣水合物之理論化學式為16[512]8[51264]136H2O,代表每136個水分子構成的籠狀晶格中,最多有16個氣體分子被包於512籠狀構造空隙,8個氣體分子被包於51264籠狀構造空隙。結晶構造H的氣水合物之理論化學式為3[512]2[435663]1[51268]34H2O,代表每34個水分子構成的籠狀結構,最多有3個氣體分子被包於512籠狀構造空隙,2個氣體分子則被包合於435663籠狀構造空隙,1個氣體分子被包於51268籠狀構造空隙。

    晶體的物理與化學性質,基本上受控於其結晶構造(如原子組合排列與鍵結方式)、化學組成及構造瑕疵的分布。表二為甲烷水合物與冰的基本物理特性之簡單比較。

    (二)生成控制因素

    生成甲烷水合物的控制因素主要有溫度、壓力及成分等三要素。圖二為甲烷與純水二成分系統的平衡相圖。當有其他雜質加入此二成分平衡系統中,將使得甲烷水合物-甲烷氣共存相界發生向左或向右偏移的現象;例如系統中加入鹽(NaCl)或氮氣(N2),將使得甲烷水合物-甲烷氣共存相界往左偏移,導致甲烷水合物生成溫壓範圍將縮小;如果加入二氧化碳、乙烷、丙烷、硫化氫等成分,則該相界會往右偏移,此時甲烷水合物生成溫壓範圍將擴大,亦即在相同壓力條件下,甲烷水合物生成的溫度範圍變大。

    結合地溫梯度與水溫梯度的資料於甲烷與純水二成分系統的相圖可得知,永凍層之沉積物,形成甲烷水合物的上限深度約為150公尺深,且溫度需在攝氏零度以下(圖三A);陸緣海域沉積物產出甲烷水合物的海水深度至少需在300-500公尺以上,其溫度需在攝氏零度附近(圖三B)。圖三中的甲烷水合物穩定帶,代表沉積層賦存有甲烷水合物的深度範圍,極區永凍層之陸域甲烷水合物的賦存位置最深約在2000公尺以內,而海域甲烷水合物賦存位置最深約在海床下1000公尺以內。當溫壓條件超甲烷水合物穩定帶底部的相界,則不會有氣水合物的生成,或者原已生成的氣水合物將會解離(dissociation)產生水及甲烷氣。

    甲烷水合物是一種將甲烷等烷氫類氣體富集於似冰晶結構的籠形包合物,一單位體積的甲烷水合物,在標準溫壓條件下可解離釋出約150單位體積的甲烷氣;此外,甲烷氣對於海水的溶解度甚低,標準溫壓條件下,1000莫耳的水分子只能溶解0.045莫耳的甲烷分子。因此,甲烷水合物的形成,除了需要有低溫高壓的環境條件外,尚必須有相當大量的甲烷來源,方能使得甲烷溶於水中的量遠超過其正常溶解度,而形成甲烷水合物。

    (三)地理分布與產狀

    受限於溫度、壓力、水與氣體分子組成、及需要大量甲烷氣供應源等生成控制因素,甲烷水合物的分布多侷限於極區(polar regions)與深海區(deep oceanic regions)等沉積速率快且富含有機質沉積物之地區。在極區,甲烷水合物多賦存於陸域與陸棚淺海區的永凍層中;在深海區,甲烷水合物多產於陸緣外側且海底水溫溫度低的大陸斜坡與隆堆沉積物中。依照賦存位置來分類,則可分為陸域及海域甲烷水合物二類。

    利用岩心或氣體樣品、海底仿擬反射、電測、海底氣體噴柱、岩心孔隙水的氯離子濃度異常等地球物理、地球化學及地質學之分析資料,可以探知或推測具有甲烷水合物賦存徵兆之位置與分布情形。依據Kvenvolden and Lorenson (2001) 的資料彙整顯示,目前全球已探知賦存有甲烷水合物的地區增加到77處(圖四),其中35處在太平洋(P1-P35),3處在印度洋(I1-I3),19處在大西洋(A1-A19),3處在北極海(N1-N3),4處在南極洲(S1-S4),5處在大陸內海或湖泊區域,8處在陸域(C1-C8);目前已有19處甲烷水合物賦存區已確實採到甲烷水合物標本。

    海域沉積物中甲烷水合物之產狀主要受控於沉積物的粒徑大小。一般而言,粗粒沉積物中氣水合物多產於沉積物顆粒的間隙中,而在細粒沉積物中,甲烷水合物多以團塊狀、薄層狀或透鏡狀產出。觀察深海鑽探所採得含甲烷水合物之岩心,發現其產狀主要有分散狀(disseminated)、薄層狀、團塊狀、厚層塊狀等類型,其顏色多呈白色、淡黃色、琥珀色或暗褐色等。

    (四)甲烷來源

    一般認為甲烷氣的形成主要源自有機作用與無機作用二種,目前比較接受源自有機作用的想法。有機作用產生甲烷氣的主要機制有微生物作用或熱分解作用二種。

    微生物作用,主要是藉由甲烷母質(methanogens)微生物的新陳代謝(metabolism),將沉積物中有機質分解並轉化產生甲烷,故又稱為甲烷母質作用(methanogenesis)。甲烷母質屬於厭氧性菌類,必須生活在缺氧性與還原的環境中,其適存溫度為4 ~ 55 ℃。有機質經由甲烷母質菌蝕後的新陳代謝,即可產生甲烷氣,其中主要的生化反應有二氧化碳的還原作用(4H2O+CO2→CH4+2H2O)與醋酸鹽類的發酵(fermentation)作用(CH3COO-+H2O→CH4+HCO3-)二種。海洋環境中,甲烷母質菌蝕有機質產生甲烷的新陳代謝機制以二氧化碳的還原作用為主,在湖泊等淡水環境下則以醋酸鹽類的發酵作用為主。

    源自熱分解作用的甲烷,係有機質隨著沉積物被深埋後,經由高溫的分解作用而產生甲烷。初期受熱分解的階段,主要產物為石油與甲烷及其他較重的碳氫化合物;當溫度高達120℃以上的成熟階段,熱分解作用的最終產物則以甲烷氣為主。

    由於母源區中有機質的碳與氫同位素組成及不同生成機制的分化作用,將造成不同來源與生成機制的甲烷之碳與氫同位素組成會有明顯差異。例如微生物作用產生的甲烷,在淡水環境中主要藉由醋酸鹽類發酵反應而產生,其甲烷之δ13C (‰) 值介於-65 ~ -50,δ2H(‰)值介於-400 ~ -250,而在海水環境下,甲烷主要源自二氧化碳還原反應,其δ13C值介於-110 ~ -60,δ2H(‰)值介於-250 ~ -170;而源自於熱分解作用的甲烷,其δ13C值則介於-25 ~ -60 。此外,由微生物作用或熱分解作用所形成的烷氫類產物之組成比例亦會不同,藉由甲烷(C1)對乙烷(C2)與丙烷(C3)總和之比值變化,亦可區分甲烷的來源機制。表三為源自微生物作用或熱分解作用所產生烷氫類產物的比值及其甲烷所含之碳與氫同位素組成的變異範圍。

    一般而言,源自於微生物作用的甲烷,其δ13C值小於-60,且甲烷在烷氫類氣體的組成大於99% 。由美國東南、北加州、祕魯、墨西哥灣、瓜地馬拉等遠濱海域地區所採回甲烷水合物及含甲烷水合物的沉積物岩樣之烷氫類氣體組成及甲烷中碳同位素δ13C的分析結果顯示,絕大部分的甲烷水合物所含之甲烷係源自微生物作用。此結果與目前所探知的油氣層或天然氣層之甲烷來源為80%源自熱分解作用而20%來自微生物作用的現象正好相反。

  • BiBi
    Lv 5
    2 decades ago

    天然氣水合物(natural gas hydrates)簡稱為氣水合物(gas hydrates),是由主成分水分子組成似冰晶籠狀架構,將氣體分子等副成分包裹於結晶構造空隙中之一種非化學計量(non-stoichiometric)的籠形包合物結晶。所包合的氣體分子組成可能有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、異丁烷(C4H10)、正丁烷(C4H10)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)或硫化氫(H2S)等。自然界產出的氣水合物所含氣體分子組成常以甲烷為主,故也有些學者將氣水合物通稱為甲烷水合物(methane hydrate)。由於它是一種非化學計量性的籠型結晶化合物,甲烷氣與水分子的結合不需任何鍵結(如化學鍵或離子鍵等),此特性與一般依庫倫力鍵結形成的水合物(如鹽與水)完全不同,為避免字義上的混淆,部份學者稱之為甲烷氣水包合物(methane clathrate)。不過,大部分學者仍習慣稱為甲烷水合物,本文亦沿用甲烷水合物一詞。

    甲烷水合物可將甲烷氣富集於似冰晶的結構空隙中,是一種在低溫高壓(< 7℃、> 50大氣壓)下的準穩定態(metastable)結晶產物。如果將1立方公尺的甲烷水合物,置於標準溫壓(0 ℃、1大氣壓)條件下,理論上可解離產生0.8立方公尺的水及150-180立方公尺的甲烷氣。

    甲烷水合物外觀猶如純白潔淨之半透明至不透明狀的冰塊,常溫常壓的環境下,很容易解離成甲烷氣與水,只要有火源將它點火燃燒,即可自我持續燃燒直至殆盡,形成冰火或水冰火共存的特異現象。因此,也有人稱甲烷水合物為可燃燒的冰塊(burning ice)。

    (一)結晶構造與物理特性

    甲烷水合物之結晶構造有下列三種:1.結晶構造I (sI):水分子以體心立方緊密排列方式構成的結晶構造,屬立方晶系(等軸晶系)。一般賦存於海域沉積物的氣水合物多以此種結晶構造產出,所包住的氣體分子需小於丙烷,通常以甲烷、二氧化碳或硫化氫為主;由於這些氣體組成與有機質經微生物作用產生之氣體產物的組成相近,故部分學者認為海域沉積物中甲烷水合物的氣體來源主要源自微生物作用。2.結晶構造II (sII):水分子以金剛石結構之面心立方最密堆積而成的結晶構造,亦屬立方晶系。此結構所形成的空隙較大,可容納半徑介於乙烷至戊烷大小的油氣分子,這些氣體組成與來自有機物經熱分解作用產生的氣體組成相近,故一般認為烷氫類氣體源自產油或煉油環境下或是源自熱分解作用而形成的氣水合物多以此種結構晶出。3.結晶構造H(sH):水分子以六方最密堆積方式所構成的結晶構造,屬六方晶系。此結構形成的籠狀空隙更大,大小甚至足以容納石油精與汽油分子。

    甲烷水合物的基本構造單元,是由水分子(氫氧原子)組成的五角十二面體籠狀構造物,其頂點即為氧原子的位置,各點的連結線代表氫鍵(圖一)。此等水分子所形成的籠狀構造空隙(cavity)之幾何圖形以五角十二面體(pentagonal dodecahedron)表示,代表符號為512。這些五角十二面體籠狀構造若以共用一稜邊(sharing edges)的結合方式,進行體心立方緊密堆積,即可形成結晶構造I;如果以共用一面(sharing faces)的結合方式,進行面心立方最密堆積,即可形成結晶構造II;若是進行六方最密堆積,即可形成結晶構造H。

    上述三種由五角十二面體構造單元依不同排列方式所成的結晶構造中,將產生新的籠狀構造空隙,這些空隙均比512籠狀構造空隙為大。結晶構造I中,所產生大型籠狀構造空隙之幾何圖形為五角十二面六角二面體(tetrakaidecahedron),以51262符號表示;結晶構造II中,所產生大型籠狀構造空隙為五角十二面六角四面體(hexakaidecahedron),以51264符號表示;結晶構造H中,所產生的大型籠狀構造空隙為五角十二面六角八面體(icosahedron),以51268符號表示,所產生的中型籠狀構造空隙為四角三面五角六面六角三面體(irregular dodecahedron),以435663符號表示。不同結晶構造的甲烷水合物,所形成的晶胞(unit cell)之空隙大小與幾何關係亦不同。

    每個籠狀構造空隙,最多只能容納一個氣體分子。結晶構造I的晶胞中,理論上是每46個水分子構成的籠狀結構,最多可包住8個氣體分子,其理論化學式以2[512]6[51262]46H2O表示,代表2個氣體分子被包合於512籠狀構造空隙中,另外6個氣體分子則被包合於51262籠狀構造空隙中。同理,結晶構造II的氣水合物之理論化學式為16[512]8[51264]136H2O,代表每136個水分子構成的籠狀晶格中,最多有16個氣體分子被包於512籠狀構造空隙,8個氣體分子被包於51264籠狀構造空隙。結晶構造H的氣水合物之理論化學式為3[512]2[435663]1[51268]34H2O,代表每34個水分子構成的籠狀結構,最多有3個氣體分子被包於512籠狀構造空隙,2個氣體分子則被包合於435663籠狀構造空隙,1個氣體分子被包於51268籠狀構造空隙。

    晶體的物理與化學性質,基本上受控於其結晶構造(如原子組合排列與鍵結方式)、化學組成及構造瑕疵的分布。

  • Anonymous
    2 decades ago

    天然氣水合物(natural gas hydrates)簡稱為氣水合物(gas hydrates),是由主成分水分子組成似冰晶籠狀架構,將氣體分子等副成分包裹於結晶構造空隙中之一種非化學計量(non-stoichiometric)的籠形包合物結晶。所包合的氣體分子組成可能有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、異丁烷(C4H10)、正丁烷(C4H10)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)或硫化氫(H2S)等。自然界產出的氣水合物所含氣體分子組成常以甲烷為主,故也有些學者將氣水合物通稱為甲烷水合物(methane hydrate)。由於它是一種非化學計量性的籠型結晶化合物,甲烷氣與水分子的結合不需任何鍵結(如化學鍵或離子鍵等),此特性與一般依庫倫力鍵結形成的水合物(如鹽與水)完全不同,為避免字義上的混淆,部份學者稱之為甲烷氣水包合物(methane clathrate)。不過,大部分學者仍習慣稱為甲烷水合物,本文亦沿用甲烷水合物一詞。

    甲烷水合物可將甲烷氣富集於似冰晶的結構空隙中,是一種在低溫高壓(< 7℃、> 50大氣壓)下的準穩定態(metastable)結晶產物。如果將1立方公尺的甲烷水合物,置於標準溫壓(0 ℃、1大氣壓)條件下,理論上可解離產生0.8立方公尺的水及150-180立方公尺的甲烷氣。

    甲烷水合物外觀猶如純白潔淨之半透明至不透明狀的冰塊,常溫常壓的環境下,很容易解離成甲烷氣與水,只要有火源將它點火燃燒,即可自我持續燃燒直至殆盡,形成冰火或水冰火共存的特異現象。因此,也有人稱甲烷水合物為可燃燒的冰塊(burning ice)。

    甲烷水合物分布範圍廣且儲量豐,保守估計全球甲烷水合物賦存的甲烷碳量達1019 g以上,為目前已知全球化石燃料碳量總儲量的兩倍,此外甲烷水合物產生甲烷的能源密度高於其他化石燃料能源礦產品的數倍以上,甲烷氣又是十分潔淨的能源,因此,甲烷水合物是二十一世紀的潛在且重要的能源資源。目前歐、美、日等許多國家已投入許多人力與經費,來進行甲烷水合物的基礎研究及探採開發的技術研究,為能有效開發與利用甲烷水合物這項豐富的天然資源預作準備。

    台灣所擁有的天然資源並不多,尤其能源資源更是短缺,絕大部分係仰賴進口。台灣周圍陸緣海域除西南海域已證實有甲烷水合物外,其它的大陸斜坡與隆堆地區賦存有甲烷水合物的可能性亦極高。建議政府決策單位未來能重視且支持甲烷水合物這項能源資源的基礎與探採開發技術之研究,迎頭趕上歐、美、日等國的研發能力,在二十一世紀能同步開發海域甲烷水合物作為天然氣的新資源,作為國家能源發展與規劃及海域資源永續經營之依據。

  • How do you think about the answers? You can sign in to vote the answer.
  • ?
    Lv 4
    2 decades ago

    天然氣水合物(gas hydrate)是氣體分子在高壓及低溫的環境下被呈籠形結構的水分子所包合而形成冰晶狀的固態包合物(clathrate)。在自然界中,天然氣水合物在極區的永凍層及大陸斜坡與大陸隆堆一帶的海床下面均有相當廣泛的分布。由於天然氣水合物中百分之九十九以上包含的氣體為甲烷,因而常被稱為「甲烷水合物」。

  • Anonymous
    2 decades ago

    甲烷水合物廣泛分布於極區永凍層及陸緣海域等處。全球甲烷水合物的甲烷蘊藏量,在標準溫壓環境下,保守估計至少有20 ´ 1015 m3,其所含有機碳總量達1´1019 g,約為目前已知全球化石燃料等能源資源之有機碳總儲量的兩倍,極可能成為二十一世紀最重要能源資源之一。

    ...........................................................................................................................................

    天然氣水合物(natural gas hydrates)簡稱為氣水合物(gas hydrates),是由主成分水分子組成似冰晶籠狀架構,將氣體分子等副成分包裹於結晶構造空隙中之一種非化學計量(non-stoichiometric)的籠形包合物結晶。所包合的氣體分子組成可能有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、異丁烷(C4H10)、正丁烷(C4H10)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)或硫化氫(H2S)等。自然界產出的氣水合物所含氣體分子組成常以甲烷為主,故也有些學者將氣水合物通稱為甲烷水合物(methane hydrate)。由於它是一種非化學計量性的籠型結晶化合物,甲烷氣與水分子的結合不需任何鍵結(如化學鍵或離子鍵等),此特性與一般依庫倫力鍵結形成的水合物(如鹽與水)完全不同,為避免字義上的混淆,部份學者稱之為甲烷氣水包合物(methane clathrate)。不過,大部分學者仍習慣稱為甲烷水合物,本文亦沿用甲烷水合物一詞。

    甲烷水合物可將甲烷氣富集於似冰晶的結構空隙中,是一種在低溫高壓(< 7℃、> 50大氣壓)下的準穩定態(metastable)結晶產物。如果將1立方公尺的甲烷水合物,置於標準溫壓(0 ℃、1大氣壓)條件下,理論上可解離產生0.8立方公尺的水及150-180立方公尺的甲烷氣。

    甲烷水合物外觀猶如純白潔淨之半透明至不透明狀的冰塊,常溫常壓的環境下,很容易解離成甲烷氣與水,只要有火源將它點火燃燒,即可自我持續燃燒直至殆盡,形成冰火或水冰火共存的特異現象。因此,也有人稱甲烷水合物為可燃燒的冰塊(burning ice)。

    (一)結晶構造與物理特性

    甲烷水合物之結晶構造有下列三種:1.結晶構造I (sI):水分子以體心立方緊密排列方式構成的結晶構造,屬立方晶系(等軸晶系)。一般賦存於海域沉積物的氣水合物多以此種結晶構造產出,所包住的氣體分子需小於丙烷,通常以甲烷、二氧化碳或硫化氫為主;由於這些氣體組成與有機質經微生物作用產生之氣體產物的組成相近,故部分學者認為海域沉積物中甲烷水合物的氣體來源主要源自微生物作用。2.結晶構造II (sII):水分子以金剛石結構之面心立方最密堆積而成的結晶構造,亦屬立方晶系。此結構所形成的空隙較大,可容納半徑介於乙烷至戊烷大小的油氣分子,這些氣體組成與來自有機物經熱分解作用產生的氣體組成相近,故一般認為烷氫類氣體源自產油或煉油環境下或是源自熱分解作用而形成的氣水合物多以此種結構晶出。3.結晶構造H(sH):水分子以六方最密堆積方式所構成的結晶構造,屬六方晶系。此結構形成的籠狀空隙更大,大小甚至足以容納石油精與汽油分子。

    甲烷水合物的基本構造單元,是由水分子(氫氧原子)組成的五角十二面體籠狀構造物,其頂點即為氧原子的位置,各點的連結線代表氫鍵(圖一)。此等水分子所形成的籠狀構造空隙(cavity)之幾何圖形以五角十二面體(pentagonal dodecahedron)表示,代表符號為512。這些五角十二面體籠狀構造若以共用一稜邊(sharing edges)的結合方式,進行體心立方緊密堆積,即可形成結晶構造I;如果以共用一面(sharing faces)的結合方式,進行面心立方最密堆積,即可形成結晶構造II;若是進行六方最密堆積,即可形成結晶構造H。

    上述三種由五角十二面體構造單元依不同排列方式所成的結晶構造中,將產生新的籠狀構造空隙,這些空隙均比512籠狀構造空隙為大。結晶構造I中,所產生大型籠狀構造空隙之幾何圖形為五角十二面六角二面體(tetrakaidecahedron),以51262符號表示;結晶構造II中,所產生大型籠狀構造空隙為五角十二面六角四面體(hexakaidecahedron),以51264符號表示;結晶構造H中,所產生的大型籠狀構造空隙為五角十二面六角八面體(icosahedron),以51268符號表示,所產生的中型籠狀構造空隙為四角三面五角六面六角三面體(irregular dodecahedron),以435663符號表示(圖一)。不同結晶構造的甲烷水合物,所形成的晶胞(unit cell)之空隙大小與幾何關係亦不同(表一)。

    每個籠狀構造空隙,最多只能容納一個氣體分子。結晶構造I的晶胞中,理論上是每46個水分子構成的籠狀結構,最多可包住8個氣體分子,其理論化學式以2[512]6[51262]46H2O表示,代表2個氣體分子被包合於512籠狀構造空隙中,另外6個氣體分子則被包合於51262籠狀構造空隙中。同理,結晶構造II的氣水合物之理論化學式為16[512]8[51264]136H2O,代表每136個水分子構成的籠狀晶格中,最多有16個氣體分子被包於512籠狀構造空隙,8個氣體分子被包於51264籠狀構造空隙。結晶構造H的氣水合物之理論化學式為3[512]2[435663]1[51268]34H2O,代表每34個水分子構成的籠狀結構,最多有3個氣體分子被包於512籠狀構造空隙,2個氣體分子則被包合於435663籠狀構造空隙,1個氣體分子被包於51268籠狀構造空隙。

    晶體的物理與化學性質,基本上受控於其結晶構造(如原子組合排列與鍵結方式)、化學組成及構造瑕疵的分布。表二為甲烷水合物與冰的基本物理特性之簡單比較。

    (二)生成控制因素

    生成甲烷水合物的控制因素主要有溫度、壓力及成分等三要素。圖二為甲烷與純水二成分系統的平衡相圖。當有其他雜質加入此二成分平衡系統中,將使得甲烷水合物-甲烷氣共存相界發生向左或向右偏移的現象;例如系統中加入鹽(NaCl)或氮氣(N2),將使得甲烷水合物-甲烷氣共存相界往左偏移,導致甲烷水合物生成溫壓範圍將縮小;如果加入二氧化碳、乙烷、丙烷、硫化氫等成分,則該相界會往右偏移,此時甲烷水合物生成溫壓範圍將擴大,亦即在相同壓力條件下,甲烷水合物生成的溫度範圍變大。

    結合地溫梯度與水溫梯度的資料於甲烷與純水二成分系統的相圖可得知,永凍層之沉積物,形成甲烷水合物的上限深度約為150公尺深,且溫度需在攝氏零度以下(圖三A);陸緣海域沉積物產出甲烷水合物的海水深度至少需在300-500公尺以上,其溫度需在攝氏零度附近(圖三B)。圖三中的甲烷水合物穩定帶,代表沉積層賦存有甲烷水合物的深度範圍,極區永凍層之陸域甲烷水合物的賦存位置最深約在2000公尺以內,而海域甲烷水合物賦存位置最深約在海床下1000公尺以內。當溫壓條件超甲烷水合物穩定帶底部的相界,則不會有氣水合物的生成,或者原已生成的氣水合物將會解離(dissociation)產生水及甲烷氣。

    甲烷水合物是一種將甲烷等烷氫類氣體富集於似冰晶結構的籠形包合物,一單位體積的甲烷水合物,在標準溫壓條件下可解離釋出約150單位體積的甲烷氣;此外,甲烷氣對於海水的溶解度甚低,標準溫壓條件下,1000莫耳的水分子只能溶解0.045莫耳的甲烷分子。因此,甲烷水合物的形成,除了需要有低溫高壓的環境條件外,尚必須有相當大量的甲烷來源,方能使得甲烷溶於水中的量遠超過其正常溶解度,而形成甲烷水合物。

    (三)地理分布與產狀

    受限於溫度、壓力、水與氣體分子組成、及需要大量甲烷氣供應源等生成控制因素,甲烷水合物的分布多侷限於極區(polar regions)與深海區(deep oceanic regions)等沉積速率快且富含有機質沉積物之地區。在極區,甲烷水合物多賦存於陸域與陸棚淺海區的永凍層中;在深海區,甲烷水合物多產於陸緣外側且海底水溫溫度低的大陸斜坡與隆堆沉積物中。依照賦存位置來分類,則可分為陸域及海域甲烷水合物二類。

    利用岩心或氣體樣品、海底仿擬反射、電測、海底氣體噴柱、岩心孔隙水的氯離子濃度異常等地球物理、地球化學及地質學之分析資料,可以探知或推測具有甲烷水合物賦存徵兆之位置與分布情形。依據Kvenvolden and Lorenson (2001) 的資料彙整顯示,目前全球已探知賦存有甲烷水合物的地區增加到77處(圖四),其中35處在太平洋(P1-P35),3處在印度洋(I1-I3),19處在大西洋(A1-A19),3處在北極海(N1-N3),4處在南極洲(S1-S4),5處在大陸內海或湖泊區域,8處在陸域(C1-C8);目前已有19處甲烷水合物賦存區已確實採到甲烷水合物標本。

    海域沉積物中甲烷水合物之產狀主要受控於沉積物的粒徑大小。一般而言,粗粒沉積物中氣水合物多產於沉積物顆粒的間隙中,而在細粒沉積物中,甲烷水合物多以團塊狀、薄層狀或透鏡狀產出。觀察深海鑽探所採得含甲烷水合物之岩心,發現其產狀主要有分散狀(disseminated)、薄層狀、團塊狀、厚層塊狀等類型,其顏色多呈白色、淡黃色、琥珀色或暗褐色等。

    (四)甲烷來源

    一般認為甲烷氣的形成主要源自有機作用與無機作用二種,目前比較接受源自有機作用的想法。有機作用產生甲烷氣的主要機制有微生物作用或熱分解作用二種。

    微生物作用,主要是藉由甲烷母質(methanogens)微生物的新陳代謝(metabolism),將沉積物中有機質分解並轉化產生甲烷,故又稱為甲烷母質作用(methanogenesis)。甲烷母質屬於厭氧性菌類,必須生活在缺氧性與還原的環境中,其適存溫度為4 ~ 55 ℃。有機質經由甲烷母質菌蝕後的新陳代謝,即可產生甲烷氣,其中主要的生化反應有二氧化碳的還原作用(4H2O+CO2→CH4+2H2O)與醋酸鹽類的發酵(fermentation)作用(CH3COO-+H2O→CH4+HCO3-)二種。海洋環境中,甲烷母質菌蝕有機質產生甲烷的新陳代謝機制以二氧化碳的還原作用為主,在湖泊等淡水環境下則以醋酸鹽類的發酵作用為主。

    源自熱分解作用的甲烷,係有機質隨著沉積物被深埋後,經由高溫的分解作用而產生甲烷。初期受熱分解的階段,主要產物為石油與甲烷及其他較重的碳氫化合物;當溫度高達120℃以上的成熟階段,熱分解作用的最終產物則以甲烷氣為主。

    由於母源區中有機質的碳與氫同位素組成及不同生成機制的分化作用,將造成不同來源與生成機制的甲烷之碳與氫同位素組成會有明顯差異。例如微生物作用產生的甲烷,在淡水環境中主要藉由醋酸鹽類發酵反應而產生,其甲烷之δ13C (‰) 值介於-65 ~ -50,δ2H(‰)值介於-400 ~ -250,而在海水環境下,甲烷主要源自二氧化碳還原反應,其δ13C值介於-110 ~ -60,δ2H(‰)值介於-250 ~ -170;而源自於熱分解作用的甲烷,其δ13C值則介於-25 ~ -60 。此外,由微生物作用或熱分解作用所形成的烷氫類產物之組成比例亦會不同,藉由甲烷(C1)對乙烷(C2)與丙烷(C3)總和之比值變化,亦可區分甲烷的來源機制。表三為源自微生物作用或熱分解作用所產生烷氫類產物的比值及其甲烷所含之碳與氫同位素組成的變異範圍。

    一般而言,源自於微生物作用的甲烷,其δ13C值小於-60,且甲烷在烷氫類氣體的組成大於99% 。由美國東南、北加州、祕魯、墨西哥灣、瓜地馬拉等遠濱海域地區所採回甲烷水合物及含甲烷水合物的沉積物岩樣之烷氫類氣體組成及甲烷中碳同位素δ13C的分析結果顯示,絕大部分的甲烷水合物所含之甲烷係源自微生物作用。此結果與目前所探知的油氣層或天然氣層之甲烷來源為80%源自熱分解作用而20%來自微生物作用的現象正好相反。

    Source(s): 天然氣水合物(natural gas hydrates)簡稱為氣水合物(gas hydrates),是由主成分水分子組成似冰晶籠狀架構,將氣體分子等副成分包裹於結晶構造空隙中之一種非化學計量(non-stoichiometric)的籠形包合物結晶。所包合的氣體分子組成可能有甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、異丁烷(C4H10)、正丁烷(C4H10)、氮(N2)、二氧化碳(CO2)或硫化氫(H2S)等。自然界產出的氣水合物所含氣體分子組成常以甲烷為主,故也有些學者將氣水合物通稱為甲烷水合物(methane hydrate)。由於它是一種非化學計量性的籠型結晶化合物,甲烷氣與水分子的結合不需任何鍵結(如化學鍵或離子鍵等),此特性與一般依庫倫力鍵結形成的水合物(如鹽與水)完全不同,為避免字義上的混淆,部份學者稱之為甲烷氣水包合物(methane clathrate)。不過,大部分學者仍習慣稱為甲烷水合物,本文亦沿用甲烷水合物一詞。
Still have questions? Get your answers by asking now.