气体水合物是一种笼型晶体化合物,具有特定的热力学性质和独特的储气与排盐特点,其生成、分离与分解过程是一种淡化海水的新型方案。目前,气体水合物法海水淡化技术仍缺乏系统性的研究,尤其是水合物相平衡热力学条件、水合物生成耗气、耗水及其定量关系、水合物浆液分离与脱盐效率以及水合物法海水淡化一体化系统等方面并未形成体系。本文着眼于气体水合物法淡化海水的理论基础与技术,开展了实验与方法研究,为水合物技术在海水淡化领域的应用提供了理论基础。为指导水合物法海水淡化的客体分子选择及反应工况设定,本文开展了多孔介质内二氧化碳-丙烷混合气体水合物、二氧化碳-环戊烷水合物和二氧化碳-甲基环戊烷水合物的生成分解实验,确定了不同比例混合客体分子水合物的相平衡条件,发现结构Ⅱ型水合物相平衡条件较为温和。同时,比较了单位体积水生成水合物的相对气体消耗量,阐明了结构Ⅱ型水合物(含丙烷或环戊烷)降低相对气体消耗量、结构H型水合物(含甲基环戊烷)提高相对气体消耗量的一般规律。能在较短的反应时间内得到较高的水合物生成量是水合物法海水淡化的内在要求,本文利用低场强的核磁共振实验系统,快速测量了多孔介质内二氧化碳水合物恒压生成过程实时气-水消耗定量关系,发现了水合物生成存在的成笼-填充两阶段的气、水消耗速率不同步的变化规律,并准确获取了 2.7、3.0和3.3 MPa生成压力下二氧化碳水合物稳定状态时真实水合值。为进一步揭示水合物生成过程中水分时空变化规律,利用核磁共振成像系统,动态观察了多孔介质内二氧化碳-丙烷水合物生成分解过程液态水消耗特性,发现了丙烷存在时水合物生成诱导水分迁移现象,揭示了水合物吸水、朝气侧生长、不断运移的演变过程,验证了水合物随机成核与规律生长的普遍性。降低水合物吸水能够提高水合物淡化海水的脱盐效率,本文开发了水合物浆液的气驱分离方法,并设计搭建了一套可连续生成、保压分离的气体水合物法海水淡化实验系统,比较了自然升温、压缩分离和气驱分解三种分离方法的脱盐效率,分析了气驱水合物分解法对天然海水中不同离子的去除作用,通过多次注水、生成和分离的连续海水淡化过程得到最终脱盐效率超过83%、淡水回收率达到30%。基于本文上述主要实验研究结果,利用Aspen Hysys软件模拟了集3000 m3/h烟气中二氧化碳捕集、1 t/h海水淡化和LNG冷能利用三个过程于一体的水合物法海水淡化系统,分别采用简化的分离器模型和30%水转化率模型模拟烟气捕集和海水淡化过程的反应器,并引入液化天然气冷能将两个过程的能耗分别降低52%和97%。