Khí thủy hợp

Khí thủy hợp (Clathrate hydrate/Hi-đrát khí mê-tan) hay kết tinh khí thủy hợp hay kết tinh Hydrate hóa là một hợp chất rắn kết tinh gốc nước có cấu trúc vật lý giống như vỉa nước đá hay cục băng, trong đó các phân tử nước tạo thành một cấu trúc lồng (mạng lưới tinh thể) mà bên trong lồng (host) sẽ nhốt các phân tử khí nhỏ hoặc chất tan nhỏ khác (gọi là phân tử khách) vào bên trong khoang rỗng này mà không có liên kết hóa học trực tiếp giữa chúng, đây không phải là phản ứng hóa học mà là sự giam hãm vật lý. Hydrat clathrat là hợp chất clathrat trong đó phân tử chủ là nước và phân tử khách thường là khí hoặc lỏng. Nếu không có sự hỗ trợ của các phân tử bị giữ lại thì cấu trúc mạng tinh thể của hydrat clathrat sẽ biến dạng, biến chất thành cấu trúc tinh thể băng thông thường hoặc nước lỏng và không phân tách được muối. Cơ chế hình thành và phân hủy chi tiết của chúng ở cấp độ phân tử vẫn chưa được hiểu rõ.
Đại cương

Hydrat clathrat lần đầu tiên được ghi nhận vào năm 1810 bởi Humphry Davy, người phát hiện ra rằng nước là thành phần chính của thứ mà trước đây người ta cho là clo đông đặc. Hydrate Clathrate không phải là một hợp chất hóa học theo nghĩa truyền thống (có liên kết cộng hóa trị hoặc ion), nó là một hợp chất bao gồm/phức hợp chất (Inclusion compound) được hình thành khi các phân tử nước liên kết với nhau bằng liên kết Hydro để tạo ra các khoang rỗng, và các khoang rỗng này gọi là "bao thể" chứa các phân tử khách (thường là các loại khí nhỏ và phi cực như Mê-tan, propane, cyclopentan) và tạo ra dạng tinh thể thủy hợp. Cần có áp suất cao và nhiệt độ thấp (thường là trên 0°C nhưng dưới nhiệt độ đóng băng của nước dưới điều kiện áp suất thông thường). Khí thủy hợp là loại phổ biến nhất được tìm thấy trong tự nhiên dưới đáy đại dương và lớp băng vĩnh cửu do clathrate hydrate chỉ hình thành và tồn tại ổn định trong những điều kiện rất đặc biệt gồm áp suất rất cao và nhiệt độ rất thấp. Những điều kiện này thường được tìm thấy ở đáy đại dương sâu, tại các thềm lục địa, nơi áp suất của cột nước khổng lồ và nhiệt độ lạnh giá của đáy biển tạo môi trường lý tưởng. Vùng băng vĩnh cửu sâu dưới các lớp đất đóng băng vĩnh viễn ở các vùng cực. Người ta phát hiện ra rằng clathrat tồn tại tự nhiên với số lượng lớn. Nó được gọi là băng cháy vì khi mất ổn định (áp suất giảm, nhiệt độ tăng), khí metan thoát ra và có thể bốc cháy, làm cho cục băng trông như đang cháy.
Ứng dụng

Hydrat clathrate cũng được quan tâm nhiều vì là công nghệ hỗ trợ cho nhiều ứng dụng như khử muối nước biển, nó đóng vai trò quan trọng trong phương pháp khử muối bằng Hydrate hóa. Đây là một phương pháp khử muối dựa trên sự chuyển pha (Phase change), được coi là một công nghệ thay thế về năng lượng cho các phương pháp khử muối truyền thống. Phương pháp này lợi dụng đặc tính của hydrate clathrate để tạo thành các cấu trúc tinh thể đặc biệt từ đó sẽ tách nước tinh khiết khỏi muối mà không cần đun sôi hay sử dụng áp suất cao. Hydrate clathrate khi được trộn với một loại khí hoặc hóa chất đặc biệt (gọi là chất tạo hydrate như propane, C02, cyclopentane) sẽ được bơm vào nước biển ở nhiệt độ và áp suất thích hợp xác định sẽ cho ra quá trình tạo tinh thể hydrate khi các phân tử nước tinh khiết sẽ bị "khóa"/"nhốt" vào các cấu trúc "lồng" của chất tạo hydrate, tạo thành các tinh thể hydrate clathrate (hỗn hợp nước và chất tạo hydrate ở trạng thái rắn) và thường giống như dạng kết tủa, ngưng đọng, đông đặc, đóng cặn. Kết quả là tạo ra hai pha riêng biệt gồm pha rắn là các tinh thể khí thủy hợp (chứa nước tinh khiết và khí bị nhốt) và pha lỏng là nước muối cô đặc (brine) chứa nồng độ muối cao đậm đặc. Các ion muối không thể tham gia vào cấu trúc tinh thể này và bị đẩy ra, nằm lại trong dung dịch nước biển đậm đặc còn sót lại tạo ra quá trình tách muối.

Các tinh thể hydrate (sạch) được tách ra khỏi dung dịch nước muối còn lại (nước xả muối) tạo ra quá trình tách tinh thể nước bằng phương pháp tách pha cơ học (như lắng trọng lực, rửa, hoặc ly tâm) để thu hồi phần tinh thể hydrat nổi lên (do có tỷ trọng nhẹ hơn nước lỏng), trong khi phần nước muối cô đặc sẽ lắng xuống dưới (do nước xả muối có tỷ trọng nặng hơn đáng kể so với nước ngọt và cả nước biển đầu vào). Tinh thể hydrate được đưa vào môi trường áp suất hoặc nhiệt độ thấp hơn để phá vỡ cấu trúc lồng, giải phóng nước tinh khiết (nước ngọt) và thu hồi chất tạo hydrate để tái sử dụng, phương pháp này tạo ra tinh thể nước sạch chìm xuống (lắng đọng) hoặc nổi lên (tùy mật độ), còn muối bị loại ra. Sau khi tinh thể hydrate được tạo thành và tách khỏi nước muối đậm đặc (brine), các tinh thể này sẽ được đưa vào một buồng riêng. Chất tạo hydrate sẽ được giải phóng cùng với nước ngọt khi cấu trúc hydrate bị phá vỡ (bằng cách thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất). Chất tạo hydrate dưới dạng khí hoặc lỏng sẽ được thu hồi, làm sạch và nén lại để tái sử dụng trong chu trình xử lý tiếp theo. Chất tạo hydrate được sử dụng trong công nghệ khử muối bằng hydrate hóa là một thành phần bắt được tái sử dụng bởi tính kinh tế của quy trình. Người ta cũng khử muối bằng kết tinh băng (Freezing desalination) bằng phương pháp làm lạnh (cấp đông) để kết tinh nước thành băng, loại bỏ muối ra khỏi cấu trúc tinh thể băng, là một dạng của kết tinh của nước. Nước biển được làm lạnh đến nhiệt độ đóng băng, các ion muối không thể tích hợp vào cấu trúc mạng tinh thể băng, nước tinh khiết sẽ kết tinh thành băng (Ice crystallization) tách biệt khỏi dung dịch nước muối đậm đặc còn lại (nước xả muối/Brine), băng sau đó được rửa và làm tan chảy để lấy nước ngọt.

Xem thêm
Chuyển pha
Kết tinh
Kết tủa
Đóng băng
Đông đặc
Kết tinh phân đoạn (hóa học)
Chú thích