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气体水合物由于特殊的结构和物理化学性质，其在气体储存、气体分离、海水淡化等方面有很好的应用前景。然而在水合物生成过程中，存在生成速度慢、储气密度低等问题。针对存在的问题，本文利用微粉硅胶具有高比孔体积与比表面积、可在低温下表面形成冰膜的特点，开展了温度在冰点以下微粉硅胶中不同气体水合物的生成特性研究，旨在为利用水合物气体储存与气体分离技术提供基础实验依据和理论指导。通过本文研究，得到以下成果:
1)在冰点以下的温度范围内，开展微粉硅胶中的冰转化为甲烷水合物的实验研究，分析压力、温度与孔径对水合物生成速率与储气率的影响，并利用数据进行水合物生成宏观动力学模型分析。结果表明，在三种微粉硅胶中生成甲烷水合物分两个阶段，前120分钟左右为快速生成阶段，120分钟以后为缓慢生成阶段，在没有搅拌情况下，水合物生成前120分钟的相对气体消耗速率达到52.96(mol min-1m-3)。水合物的相对气体消耗量达到0.156(mol/mol)，接近于理论最大值。在低水合物生成驱动力下，100nm的微粉硅胶储气效果最好，其次是50nm，最差的是10nm的微粉硅胶。相对于水体积的储气率达到194.61(V/VW)，接近于理论最大储气率，由于微粉硅胶中含水的体积只占到了整体体积的1/3左右，导致相对于微粉硅胶体积的储气率较小，最大只有74.22(V/VSi)。10nm微粉硅胶中，相同过冷度下，温度越高，甲烷水合物的相对气体消耗量越大。在相同压力下，温度为-15℃的甲烷水合物前120分钟的相对气体消耗速率大于温度为-20℃的甲烷水合物相对气体消耗速率。10nm微粉硅胶中，压力在4-6MPa的范围内，甲烷水合物生成和分解的最佳温度范围是-10到-5℃。利用水合物生成宏观动力学模型分析，微粉硅胶中前期生成甲烷水合物的速率主要受水合物成核动力学控制，受传热传质等因素影响较小。
2)在甲烷与二氧化碳(60mol％/40mol％)混合气中，开展微粉硅胶中的冰转化为CH4/CO2混合气水合物的实验研究，分析了压力、温度与孔径对水合物分离效果的影响。结果表明，在较低的水合物生成驱动力下，10nm的微粉硅胶分离气体效果最好，其次是50nm，最差的是100nm的微粉硅胶。在10nm的微粉硅胶中，增加温度或者降低压力，有利于提高水合物中二氧化碳组分与分离系数。在10nm的微粉硅胶中，水合物中的二氧化碳组分范围是54.7-99.96mol％，分离系数范围是2.74-257.3。在10nm的微粉硅胶中，剩余气体的甲烷的回收率范围是67.2-99.8mol％，利用CH4/CO2混合气水合物提纯甲烷的效率较高，水合物中的二氧化碳的回收率范围是21.6-62.9mol％，利用CH4/CO2混合气水合物分离二氧化碳的效率较低。三种微粉硅胶中水合物的相对气体消耗量达到0.165(mol/mol)，接近于理论最大值，明显大于温度在冰点以上的相对气体消耗量。
3)在氮气与二氧化碳(80mol％/20mol％)混合气中，开展微粉硅胶中冰转化为N2/CO2混合气水合物的实验研究，并与甲烷水合物以及CH4/CO2混合气水合物的储气效果与气体分离效果进行对比。结果表明，由于氮气不利于生成水合物，在三种微粉硅胶中生成N2/CO2混合气水合物，相对气体消耗量明显低于甲烷水合物与CH4/CO2混合气水合物的相对气体消耗量。在微粉硅胶中，生成N2/CO2混合气水合物的速率较慢，完成90mol％的气体消耗所需实验大于500分钟，明显长于生成甲烷水合物与CH4/CO2混合气水合物所需时间。在50nm微粉硅胶中，前30分钟相对气体消耗速率NR30最大只有21.90(mol min-1m-3)，明显低于生成甲烷水合物与CH4/CO2混合气水合物的速率。反应釜中剩余气体中的氮气组分从80mol％提高到90mol％左右，提高了大约10mol％，与CH4/CO2混合气水合物中甲烷组分的提高幅度相接近。在微粉硅胶中生成N2/CO2混合气水合物，大部分水合物中二氧化碳组分从20mol％提高到55mol％左右，提高了大约35mol％，明显大于大部分CH4/CO2混合气水合物中二氧化碳组分的提高幅度，说明了将CH4/CO2混合气换成N2/CO2混合气，降低了水合物的相对气体消耗量，增加了水合物中CO2组分与分离系数。
4)利用微观测量手段，研究微粉硅胶表面对冰和生成水合物的特性影响。结果表明，水在微粉硅胶球形表面形成不连续的冰粒，这种冰粒包含立方型晶体的冰和六角形晶体的冰，冰的结构是不稳定的。在10nm的微粉硅胶中，温度从-20℃升高到-2℃，冰的不稳定性逐渐增加，所以在相同过冷度下，温度越高，越容易生成水合物。在0.1MPa的情况下，由于水合物颗粒的粒径较小，微粉硅胶中生成的甲烷水合物比纯水甲烷水合物分解更加迅速。大部分的甲烷水合物与N2/CO2混合气水合物都生成在微粉硅胶颗粒之间，但是甲烷水合物的形态为蜂窝形态，N2/CO2混合气水合物呈麻花状形态。
1)在冰点以下的温度范围内，开展微粉硅胶中的冰转化为甲烷水合物的实验研究，分析压力、温度与孔径对水合物生成速率与储气率的影响，并利用数据进行水合物生成宏观动力学模型分析。结果表明，在三种微粉硅胶中生成甲烷水合物分两个阶段，前120分钟左右为快速生成阶段，120分钟以后为缓慢生成阶段，在没有搅拌情况下，水合物生成前120分钟的相对气体消耗速率达到52.96(mol min-1m-3)。水合物的相对气体消耗量达到0.156(mol/mol)，接近于理论最大值。在低水合物生成驱动力下，100nm的微粉硅胶储气效果最好，其次是50nm，最差的是10nm的微粉硅胶。相对于水体积的储气率达到194.61(V/VW)，接近于理论最大储气率，由于微粉硅胶中含水的体积只占到了整体体积的1/3左右，导致相对于微粉硅胶体积的储气率较小，最大只有74.22(V/VSi)。10nm微粉硅胶中，相同过冷度下，温度越高，甲烷水合物的相对气体消耗量越大。在相同压力下，温度为-15℃的甲烷水合物前120分钟的相对气体消耗速率大于温度为-20℃的甲烷水合物相对气体消耗速率。10nm微粉硅胶中，压力在4-6MPa的范围内，甲烷水合物生成和分解的最佳温度范围是-10到-5℃。利用水合物生成宏观动力学模型分析，微粉硅胶中前期生成甲烷水合物的速率主要受水合物成核动力学控制，受传热传质等因素影响较小。
2)在甲烷与二氧化碳(60mol％/40mol％)混合气中，开展微粉硅胶中的冰转化为CH4/CO2混合气水合物的实验研究，分析了压力、温度与孔径对水合物分离效果的影响。结果表明，在较低的水合物生成驱动力下，10nm的微粉硅胶分离气体效果最好，其次是50nm，最差的是100nm的微粉硅胶。在10nm的微粉硅胶中，增加温度或者降低压力，有利于提高水合物中二氧化碳组分与分离系数。在10nm的微粉硅胶中，水合物中的二氧化碳组分范围是54.7-99.96mol％，分离系数范围是2.74-257.3。在10nm的微粉硅胶中，剩余气体的甲烷的回收率范围是67.2-99.8mol％，利用CH4/CO2混合气水合物提纯甲烷的效率较高，水合物中的二氧化碳的回收率范围是21.6-62.9mol％，利用CH4/CO2混合气水合物分离二氧化碳的效率较低。三种微粉硅胶中水合物的相对气体消耗量达到0.165(mol/mol)，接近于理论最大值，明显大于温度在冰点以上的相对气体消耗量。
3)在氮气与二氧化碳(80mol％/20mol％)混合气中，开展微粉硅胶中冰转化为N2/CO2混合气水合物的实验研究，并与甲烷水合物以及CH4/CO2混合气水合物的储气效果与气体分离效果进行对比。结果表明，由于氮气不利于生成水合物，在三种微粉硅胶中生成N2/CO2混合气水合物，相对气体消耗量明显低于甲烷水合物与CH4/CO2混合气水合物的相对气体消耗量。在微粉硅胶中，生成N2/CO2混合气水合物的速率较慢，完成90mol％的气体消耗所需实验大于500分钟，明显长于生成甲烷水合物与CH4/CO2混合气水合物所需时间。在50nm微粉硅胶中，前30分钟相对气体消耗速率NR30最大只有21.90(mol min-1m-3)，明显低于生成甲烷水合物与CH4/CO2混合气水合物的速率。反应釜中剩余气体中的氮气组分从80mol％提高到90mol％左右，提高了大约10mol％，与CH4/CO2混合气水合物中甲烷组分的提高幅度相接近。在微粉硅胶中生成N2/CO2混合气水合物，大部分水合物中二氧化碳组分从20mol％提高到55mol％左右，提高了大约35mol％，明显大于大部分CH4/CO2混合气水合物中二氧化碳组分的提高幅度，说明了将CH4/CO2混合气换成N2/CO2混合气，降低了水合物的相对气体消耗量，增加了水合物中CO2组分与分离系数。
4)利用微观测量手段，研究微粉硅胶表面对冰和生成水合物的特性影响。结果表明，水在微粉硅胶球形表面形成不连续的冰粒，这种冰粒包含立方型晶体的冰和六角形晶体的冰，冰的结构是不稳定的。在10nm的微粉硅胶中，温度从-20℃升高到-2℃，冰的不稳定性逐渐增加，所以在相同过冷度下，温度越高，越容易生成水合物。在0.1MPa的情况下，由于水合物颗粒的粒径较小，微粉硅胶中生成的甲烷水合物比纯水甲烷水合物分解更加迅速。大部分的甲烷水合物与N2/CO2混合气水合物都生成在微粉硅胶颗粒之间，但是甲烷水合物的形态为蜂窝形态，N2/CO2混合气水合物呈麻花状形态。