本发明属于气体水合物相变，具体而言，尤其是关于一种基于微流控芯片的气体水合物相变实验装置及方法。
背景技术：
1、气体水合物是一种气体分子与水分子形成的结晶化合物，在一定的温度和压力下产生并稳定存在。气体水合物具有许多重要的应用价值，如天然气的储存、输送和开采等。目前，气体水合物的研究主要集中在固体水合物方面。传统的研究方法是使用高压实验室设备，但这种方法成本较高且操作复杂。
2、近年来，微流控技术的发展为气体水合物相变过程的研究提供了新的思路。使用微流控芯片可以有效控制实验条件，包括温度、压力和气体注入速度等，从而实现对气体水合物的可控制形成。
3、纳米流体也是近年来的研究热点之一，研究表明，纳米流体能够对水合物相变过程的传热性能、传质性能、流变性质及气体溶解度等指标产生显著影响，故开展纳米流体对水合物相变影响的研究可以更好服务于天然气水合物安全高效开采，并推动水合物技术的应用。目前已报道的纳米流体对水合物影响的主要实验装置为宏观反应釜，而研究纳米流体对水合物相变的影响规律和微观机理需要采用更先进的微观表征手段。因此，开发一种新型的用于研究纳米流体对气体水合物相变影响的实验装置和方法是非常有必要的。
技术实现思路
1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供了一种基于微流控芯片的气体水合物相变实验装置及方法，旨在从微观尺度下探究纳米流体对水合物相变的影响规律和作用机理。
2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
3、第一方面，本发明提供的一种基于微流控芯片的气体水合物相变实验装置，包括：微流控芯片，其上形成有输入管道、输出管道、加压管道和多个反应孔；气体注入系统，与所述微流控芯片的输入管道连接，用于向所述微流控芯片的反应孔内注入反应气体；纳米流体注入系统，亦与所述微流控芯片的输入管道连接，用于向所述微流控芯片的反应孔内注入纳米流体；温度控制系统，设置在所述微流控芯片外部，用于向所述微流控芯片的反应孔提供恒温环境，使之达到水合物生成的温度条件；压力控制系统，与所述微流控芯片的加压管道连接，向所述微流控芯片的反应孔提供高压环境，使之达到水合物生成的压力条件；图像采集系统，设置在所述微流控芯片上方，用于记录所述反应孔中水合物形成的过程。
4、作为优选：还包括清洗及回收系统，所述清洗及回收系统包括清洗液罐、回收泵、过滤器和气体回收装置，所述清洗液罐通过所述回收泵与所述微流控芯片的输入管道连接，所述气体回收装置通过所述过滤器与所述微流控芯片的输出管道连接，以构成闭合回路。
5、作为优选：所述微流控芯片主要由底板和上盖板组成，所述输入管道、输出管道、加压管道和反应孔均刻蚀形成于所述底板上，所述上盖板盖设在所述底板上以封闭所述输入管道、输出管道、加压管道和反应孔，且所述上盖板上具有三个分别与所述输入管道、输出管道和加压管道相连通的端口。
6、作为优选：所述气体注入系统包括气瓶和气体流量计，所述气瓶通过所述气体流量计与所述微流控芯片的输入管道连接；
7、所述纳米流体注入系统包括纳米流体源、液体流量计和升压泵，所述纳米流体源通过所述液体流量计和升压泵与所述微流控芯片的输入管道连接。
8、作为优选：所述温度控制系统包括双腔冷室和冷却循环器，所述双腔冷室上部设有透明的观测窗口，所述双腔冷室的内腔放置所述微流控芯片，所述双腔冷室的外腔与所述冷却循环器连接并形成循环回路，所述冷却循环器用于向所述双腔冷室提供恒温水浴环境并进行水温的持续监测。
9、作为优选：所述压力控制系统包括增压泵、压力传感器和压力控制器，所述增压泵与所述微流控芯片的加压管道连接，所述增压泵用于向所述微流控芯片的反应孔提供高压环境，所述压力传感器用于对所述增压泵的输出压力进行监测并反馈给所述压力控制器，所述压力控制器用于根据所述压力传感器的反馈信息控制所述增压泵的输出压力。
10、作为优选：所述图像采集系统包括显微镜、ccd相机和计算机，所述显微镜设置在所述双腔冷室的观测窗口上方，所述ccd相机设置在所述显微镜后方，用于记录所述反应孔中水合物形成过程中的图像数据，所述计算机通过数据线与所述ccd相机连接，所述计算机。
11、第二方面，本发明提供的一种基于微流控芯片的气体水合物相变实验方法，采用如本发明第一方面所述的气体水合物相变实验装置，该气体水合物相变实验方法包括以下步骤：
12、s1：提供微流控芯片并固定在双腔冷室中；
13、s2：制备纳米流体，添加到纳米流体源中，开启升压泵将纳米流体注入到微流控芯片的反应孔中；
14、s3：打开气瓶阀门，将反应气体注入到微流控芯片的反应孔中，驱替出一部分纳米流体；
15、s4：打开温度控制系统和压力控制系统，对微流控芯片内部的温度和压力进行调控，使之达到水合物生成的温度和压力条件；
16、s5：在水合物形成过程中，利用ccd相机记录甲烷水合物形成过程中的图像数据，计算机根据获取的图像数据分析纳米流体对设定条件下水合物相变的影响过程和机理；
17、s6：在完成实验后，利用清洗液对微控流芯片进行清洗，在循环清洗的同时回收清洗液，并将干燥的实验气体回收利用。
18、作为优选：所述步骤s2中的制备纳米流体为先在蒸馏水中添加0.8mg/ml的十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，再加入直径为250纳米的二氧化硅配成纳米流体，对配置好的纳米流体进行30min以上的超声振荡，然后用粒径测试仪和静置法对纳米流体的分散稳定性进行表征，直至得到分散稳定性良好的纳米流体。
19、作为优选：所述步骤s2中的纳米流体注入速度为0.01-1.0ml/min，所述步骤s3中的气体注入速度为0.01-1.0ml/min，所述步骤s4中的水合物生成的温度条件为4-30℃，水合物生成的压力条件为0.1-10mpa。
20、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
21、本发明重点关注水合物的相变机理研究，不仅改善了低温高压气体水合物生成和分解功能的实现方法，而且还引入了纳米流体注入系统，为气体水合物的相关研究提供了更加综合和先进的方法和途径，具体优势如下：
22、①纳米流体具有较小的粒径，可以在水合物相变反应中提供更大的比表面积和更高的渗透性，有利于在微观尺度上加速气体水合物相变过程，从而提高反应速率和传质速率；
23、②纳米流体的注入可以优化流体的传输特性，降低流体的黏度和表面张力，从而减少流体在管道中的阻力和能量损失，这有助于提高水合物形成过程中流体的运输效率和能量利用率；
24、③利用纳米流体的优势，可以获得更为丰富的实验数据，包括气体水合物形成过程的动态变化情况，以及纳米流体对水合物生成的影响机理等方面的信息，从而推动天然气水合物开采理论的研究和水合物相变技术应用的发展；
25、④在制备纳米流体方面，通过添加适当的分散剂和经过超声振荡等处理，纳米流体可以获得较好的分散稳定性，从而确保在实验过程中纳米颗粒的均匀分布和稳定性，有利于实验结果的准确性和可重复性。
1.一种基于微流控芯片的气体水合物相变实验装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1的气体水合物相变实验装置，其特征在于，还包括清洗及回收系统，所述清洗及回收系统包括清洗液罐、回收泵、过滤器和气体回收装置，所述清洗液罐通过所述回收泵与所述微流控芯片的输入管道连接，所述气体回收装置通过所述过滤器与所述微流控芯片的输出管道连接，以构成闭合回路。
3.根据权利要求1的气体水合物相变实验装置，其特征在于，所述微流控芯片主要由底板和上盖板组成，所述输入管道、输出管道、加压管道和反应孔均刻蚀形成于所述底板上，所述上盖板盖设在所述底板上以封闭所述输入管道、输出管道、加压管道和反应孔，且所述上盖板上具有三个分别与所述输入管道、输出管道和加压管道相连通的端口。
4.根据权利要求2的气体水合物相变实验装置，其特征在于，所述气体注入系统包括气瓶和气体流量计，所述气瓶通过所述气体流量计与所述微流控芯片的输入管道连接；
5.根据权利要求4的气体水合物相变实验装置，其特征在于，所述温度控制系统包括双腔冷室和冷却循环器，所述双腔冷室上部设有透明的观测窗口，所述双腔冷室的内腔放置所述微流控芯片，所述双腔冷室的外腔与所述冷却循环器连接并形成循环回路，所述冷却循环器用于向所述双腔冷室提供恒温水浴环境并进行水温的持续监测。
6.根据权利要求5的气体水合物相变实验装置，其特征在于，所述压力控制系统包括增压泵、压力传感器和压力控制器，所述增压泵与所述微流控芯片的加压管道连接，所述增压泵用于向所述微流控芯片的反应孔提供高压环境，所述压力传感器用于对所述增压泵的输出压力进行监测并反馈给所述压力控制器，所述压力控制器用于根据所述压力传感器的反馈信息控制所述增压泵的输出压力。
7.根据权利要求6的气体水合物相变实验装置，其特征在于，所述图像采集系统包括显微镜、ccd相机和计算机，所述显微镜设置在所述双腔冷室的观测窗口上方，所述ccd相机设置在所述显微镜后方，用于记录所述反应孔中水合物形成过程中的图像数据，所述计算机通过数据线与所述ccd相机连接，所述计算机。
8.一种基于微流控芯片的气体水合物相变实验方法，采用如权利要求7所述的气体水合物相变实验装置，其特征在于，该气体水合物相变实验方法包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的气体水合物相变实验方法，其特征在于，所述步骤s2中的制备纳米流体为先在蒸馏水中添加0.8mg/ml的十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，再加入直径为250纳米的二氧化硅配成纳米流体，对配置好的纳米流体进行30min以上的超声振荡，然后用粒径测试仪和静置法对纳米流体的分散稳定性进行表征，直至得到分散稳定性良好的纳米流体。
10.根据权利要求8所述的气体水合物相变实验方法，其特征在于，所述步骤s2中的纳米流体注入速度为0.01-1.0ml/min，所述步骤s3中的气体注入速度为0.01-1.0ml/min，所述步骤s4中的水合物生成的温度条件为4-30℃，水合物生成的压力条件为0.1-10mpa。
