全球“双碳”目标下，能源结构向绿色低碳转型已成必然，天然气作为清洁过渡能源，其存储运输技术备受关注。天然气水合物（NGH）因存储条件温和、安全经济，在小型气田资源利用中潜力显著，但受水合物形成慢、存储密度小的制约，且现有促进技术多依赖溶液体系或多孔材料床层，存在占用系统空间、降低气相利用率、成本较高或适用性有限等不足。

针对这一技术瓶颈，华南理工大学化学与化工学院樊栓狮教授、王燕鸿教授团队另辟蹊径，提出兼具可回收性、广泛可用性、经济性及优良吸水性与透气性的废纸木质纤维素纤维为载体，结合表面活性剂（SDS）的协同作用，构建高效甲烷水合物形成体系。该方案不仅充分利用了废纸的可再生性与经济性，还通过材料特性与化学助剂的协同效应，从根源上改善水合物形成的动力学条件，为解决传统技术痛点提供了创新思路。

研究团队选取打印纸、瓦楞纸、宣纸、报纸、纸巾五种常见废纸作为研究对象，借助自主研发的六平行高压反应装置，在约 275.2K、6MPa 条件下开展系列实验。通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，不同废纸的木质纤维素纤维宽度均在 10-20μm 之间，其表面结构与吸水特性存在显著差异，其中打印纸纤维因兼具合适的疏水性与粗糙表面，在饱和吸水率条件下表现出最优的甲烷存储性能。

图1 不同类型纸张中Rw的水合物形成饱和，（a）甲烷吸收率，（b）甲烷吸收速率

进一步研究表明，水与纸的质量比（Rw）对甲烷水合物形成效果影响显著。当 Rw=3.0 时，打印纸纤维的甲烷吸附量达到最大值 1.396mmol/g，远高于纯水体系的存储水平。这一成果得益于木质纤维素纤维的毛细作用，能够驱动水分持续迁移，为水合物形成提供稳定的反应环境，同时纤维表面提供的大量成核位点，有效促进了甲烷与水的接触反应。

图2 木质纤维纤维中水合物形成，具有不同的Rw。（a）甲烷的吸收量，（b）甲烷的吸收速率

为进一步提升性能，团队探索了木质纤维素纤维与十二烷基硫酸钠（SDS）的协同效应。实验显示，添加不同浓度SDS 后，水合物诱导时间均缩短至 10 分钟以内，其中 300ppm SDS 体系的诱导时间仅为 0.65 分钟；当 SDS 浓度为 500ppm 时，甲烷吸附量达到 1.567mmol/g，较无 SDS 体系提升 13.6%，最大吸附速率达 0.152mmol/g/min，是无 SDS 体系的 3.75 倍。这一协同作用源于纤维表面扩大了气液接触面积，而 SDS 则降低了水的表面张力，二者共同加速了水合物的成核与生长。值得注意的是，废纸纤维的加入还能有效抑制 SDS 在水合物分解过程中产生的泡沫问题，提升了体系的实用性。

图3 木质纤维素纤维与SDS对CH4的协同效应机制补充水分:（a）甲烷和水的扩散，（b）水合物开始在纤维中形成，液位下降，（c）水合物大量产生，水通过毛细作用不断向上补充生成水合物

相关工作成果以“木质纤维增强甲烷水合物的形成”(Enhanced methane hydrate formation through lignocellulose fiber)为题发表于水合物领域国际期刊《Fuel》。

文章通讯作者为华南理工大学化学与化工学院樊栓狮教授和王燕鸿副研究员，第一作者为华南理工大学化学与化工学院博士生张亚雪，论文作者还包括化学与化工学院郎雪梅副研究员和李刚教授。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.133194