Speciation, structure and hydration of solutes under hydrothermal conditions

水热条件下溶质的形态、结构和水合

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2017-05894
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3.28万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2020-01-01 至 2021-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Many geological and industrial processes take place at conditions far beyond the range of conventional room temperature measurements. The objective of this proposal is to develop the knowledge base and theoretical understanding needed to describe the behaviour of aqueous systems at extremes of temperature and pressure encountered in electrical power stations, advanced nuclear reactors, geothermal ore bodies, deep-ocean hydrothermal vents, and the capture and sequestration of CO2. Sensitive flow calorimeters and densitometers, constructed of inert materials to withstand the corrosive conditions, will be used to determine the thermodynamic properties of simple electrolytes and organic molecules in liquid water at temperatures up to 400 oC and pressures as high as 350 atmospheres, to examine the effects of ionic charge and organic functional groups under conditions approaching the critical point of water. The form of the chemical species, and their equilibrium constants, will be determined by in situ measurements in novel high temperature, high pressure flow cells using UV-visible spectroscopy, Raman spectroscopy, calorimetry, densimetry and a one-of-a-kind, high-precision conductance apparatus, all capable of reaching sub-critical or supercritical conditions. These measurements will yield new insights into the fundamental nature of solute hydration, and solute-solute interactions. The project will also yield thermodynamic data, transport properties, semi-empirical models, and theoretical methods for predicting the properties and phase behaviour of aqueous inorganic and organic solutes in water-based geothermal systems and advanced industrial technologies that operate under extremes of temperature and pressure. The program will focus on three areas: (i) basic research to understand the role of speciation and ion-ion interactions on the vapour-liquid critical locus and the lower critical solution temperature of electrolyte solutions above 250 oC; (ii) the thermodynamics and phase behaviour of CO2 and (CO2 + amine) solutions at intermediate and high temperatures relevant to carbon capture and geological sequestration; and (iii) the thermodynamic and kinetic stability of pre-biotic molecules required to model postulated mechanisms for the hydrothermal origin of life. The novelty in the work lies in the very extreme conditions being studied, the potential for identifying unusual effects, and the need to develop specialized instrumental techniques to obtain quantitative data for complex aqueous systems under these very aggressive conditions.
许多地质和工业过程发生的条件远远超出了传统室温测量的范围。 该提案的目的是开发描述发电厂、先进核反应堆、地热矿体、深海热液喷口和海洋中遇到的极端温度和压力下水系统行为所需的知识库和理论理解。捕获和封存二氧化碳。 灵敏的流量量热计和密度计由惰性材料制成,可承受腐蚀条件,将用于确定液态水中简单电解质和有机分子在高达 400 oC 的温度和高达 350 个大气压的压力下的热力学性质,以检查在接近水的临界点的条件下离子电荷和有机官能团的影响。化学物质的形式及其平衡常数将通过新型高温高压流动池中的原位测量来确定,使用紫外可见光谱、拉曼光谱、量热法、密度测定法和一种独一无二的方法,高精度电导仪,均能达到亚临界或超临界条件。 这些测量将对溶质水合和溶质-溶质相互作用的基本性质产生新的见解。该项目还将产生热力学数据、传输特性、半经验模型和理论方法,用于预测水基地热系统中水性无机和有机溶质的特性和相行为以及在极端温度和压力下运行的先进工业技术。 该计划将重点关注三个领域:(i) 基础研究,了解形态形成和离子-离子相互作用对汽液临界轨迹和电解质溶液高于 250 oC 的较低临界溶液温度的作用; (ii) 与碳捕获和地质封存相关的中高温和高温下 CO2 和(CO2 + 胺)溶液的热力学和相行为; (iii) 生命前分子的热力学和动力学稳定性,需要模拟热液生命起源的假设机制。 这项工作的新颖性在于正在研究的非常极端的条件、识别异常效应的潜力,以及开发专门的仪器技术来获取这些非常恶劣的条件下复杂水系统的定量数据的需要。

项目成果

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