纳米管道内甲烷气体富集及输运机制动力学研究

Coal、oil、natural gas is the main three fossil energy. Compared with coal and oil, natural gas is a relatively clean energy resource. Shale gas (mainly CH4 molecules) is natural gas that is found trapped within shale formations. It is one of a number of unconventional sources of natural gas. It is expected that the shale gas will greatly expand worldwide energy supply. China is estimated to have the world's largest shale gas reserves，which is benefit to ensure our energy security. Nowadays, the commercial method of exploiting shale gas is using hydraulic fracturing (fracking), which will make the shale into numbers of cracks and shale gas escape from the cracks. However, the efficiency of getting shale gas is very low. In order to increase the efficiency of getting the shale gas, one must drive CH4 molecules out of the cracks efficiently. So, we propose three projects:（1）separation mechanisms of gas mixtures in a nanotube; (2) effects of a nanotube on the transfer of methane in a nanotube; (3) exterior effects on transfer of methane molecules in a nanotube. The primary research method is molecular dynamics simulations, accompanying with theoretical analysis. We increase the collection efficiency of methane molecules and the transfer rate of methane molecules across a nanotube in a physical view, which is benefit to exploit shale gas efficiently.

煤炭、石油、天然气是现在地球上三种主要的化石能源。相比于煤炭、石油，天然气是一种比较清洁的能源。页岩气是分布于页岩层的一种天然气，其主要成分为甲烷。这是一种非常规的天然气资源，能够极大扩大世界范围内天然气的供应。据国外机构估计，我国有世界上最大的页岩气储量，这对保障我国的能源安全非常有利。现在商业开采页岩气的方法是利用水压裂法。利用压裂的方法把页岩层压裂成大量碎片，从而使得页岩气从压裂层中逸出。然而这样获得天然气的效率非常低。为了能够提高页岩气的产率，一件很重要的事情是必须使得甲烷分子能够有效得从狭缝中逸出来。所以我们提出三项研究内容：（1）纳米管道内甲烷混合气体的分离机制（2）纳米管道对甲烷输运的影响（3）外场对甲烷输运的影响。我们主要的研究方法是分子动力学模拟以及理论分析。我们用物理的观点提出提高甲烷气体的富集效率以及输运速率的方法。这为有效开采页岩气提供相应的建议。

页岩气是分布于页岩层的一种天然气，其主要成分为甲烷。这是一种非常规的天然气资源，能够极大扩大世界范围内天然气的供应。据国外机构估计，我国有世界上最大的页岩气储量，这对保障我国的能源安全非常有利。现在商业开采页岩气的方法是利用水压裂法。利用压裂的方法把页岩层压裂成大量碎片，从而使得页岩气从压裂层中逸出。然而这样获得天然气的效率非常低。为了能够提高页岩气的产率，一件很重要的事情是必须使得甲烷分子能够有效得从狭缝中逸出来。所以我们提出三项研究内容：（1）纳米管道内甲烷混合气体的分离机制（2）纳米管道对甲烷输运的影响（3）外场对甲烷输运的影响。在国家自然科学基金支持下，我们实质进行了（1）驱动甲烷气体逸出碳纳米管的可行性研究，我们以氮气/甲烷气体在碳纳米管内吸附研究，得到在氮气与甲烷浓度相等时，氮气不能驱动甲烷气体逸出碳纳米管道，随着甲烷气体浓度升高，碳纳米管内甲烷气体分子吸附数量逐渐增加。这是由于碳纳米管道系统对甲烷吸附势能更大引起的。再探究其它气体对驱动甲烷逸出碳纳米管可能性时，我们发现驱动甲烷逸出碳纳米管道的概率随着气体种类参数ε增加而增加，随着气体种类参数σ增加而出现，逸出概率先增加后减小的趋势。（2）研究了有间隙的串联型碳纳米管对碳纳米管内水分子输运的调控作用。通过改变串联型碳纳米管间隙的长度，我们发现水分子通过有间隙长度的碳纳米管流速会先增加后减小的趋势，这对研究甲烷与水混合物通过有间隙的碳纳米管有参考意义。（3）研究了水分子通过一维有破缺结构的碳纳米管动力学特点，我们发现水分子通过有一维有缺陷结构的碳纳米管流速会随着破缺长度的增加，水分子流速会逐渐降低甚至会出现一维水分子练断裂的现象。（4）总结了控制水分子流通碳纳米管的方式以及方法。我们通过分子动力学模拟以及理论分析，模拟甲烷或者水通过碳纳米管的动力学行为，这为有效开采页岩气提供相应的建议。