CO2和正硅酸铁反应产甲烷的热力学研究

下面计算了利用人工技术在地球的外壳生成甲烷的例子。根据非生物成因理论，它可能是以前提到过的自然甲烷产生的一个线索。

考虑简化的碳反应化学过程，在一个ZEPP中发生的反应（在横线之上）和一个仿造的在深部地层化学反应器中的反应（在横线之下）如式（1-1）所示。

这四个箭头显示了一个闭式碳循环。碳在从正硅酸铁到甲烷再到电厂发电的过程中起一个能量载体的作用。在实际的温度和压力条件下，约几百摄氏度和几百巴（1bar（巴）＝10⁵Pa），这个反应是放热的，并且可以自我维持。

以下介绍由Akinfiev等（2005）利用CO₂和正硅酸铁（一种丰富的矿物质）（Wooley，1987）反应形成甲烷的计算过程。正硅酸铁利用甲烷作为能量载体变成了燃料。依这样的观点，甲烷就变成了一种可再生能源，正如Yantovsky（1999）推论的那样。表1-2显示了反应物的物性参数。

表1-2 所选反应物的性质

注：源自于Johnson，J.W.etal．，1992。

对于这个反应：

6Fe₂SiO₄＋2H₂O＋CO₂（g）＝4Fe₃O₄＋6SiO₂＋CH₄（g）（1-2）

液体（l）和气态（g）水的物性利用Hill（1990）的状态方程来计算，在温度为250℃和压力为200bar时，有

Δ_rG₂₅₀℃/200bar＝［4×（-1053163）＋6×（-868582）＋（-95370）-6×(www.xing528.com)

（-1424175）-2×（-257755）-（-445257）］J＝-13697J（1-3）

Δ_rH₂₅₀℃/200bar＝［4×（^-1078057）＋6×（-898100）＋（-65345）-6×（-1446764）-2×（-268156）-（-383990）］J＝-165，287J（1-4）

最后一个值意味着反应是放热的。

用于式（1-2）的反应热力学常数的十进制对数为

采用Redlich-Kwong状态方程表明气体的逸度系数（fugacitycoefficient）都接近1（在指定的温度T和压力P下，γ_CO2＝0.87，γ_CH4＝1.01）。这意味着

最后一个数值使CO₂到CH₄的转化率接近96％。

我们并不知道正硅酸铁与CO₂相互作用的实验。然而，Albany研究中心（O′Connoretal．，2000）在一个带有粉碎（37～106μm）的硅酸镁（Mg₂SiO₄）的高压锅内全面地研究了类似的反应。硅酸镁的化学能为256.8kJ/mol。反应产物是碳酸镁（MgCO₃）和硅或硅酸。压力是117～127atm（1atm＝101.325kPa），温度为185～188℃。检测时间为3～48h。当CO₂处于超临界状态时，反应速率大幅增加。类似的采用粉碎的正硅酸铁的实验可能让人们搞清楚反应式（1-2）用于生产甲烷的动力学机理及适用性。

近来几种不同的观察和实验有力地支持了非生物成因理论和在地球深层找到如我们在泰坦星球上看到的甲烷的可能性。而且，计算也表明正硅酸铁与CO₂的反应是放热的，并且可以自主维持。下一步就是要实验示范验证粉碎的正硅酸铁与CO₂在上述条件下的反应，这才更有价值。也可能发现比正硅酸铁更好的燃料。

我们值得投入比以往更多的研究在地球中探寻甲烷并解决它的起源问题。最近，在巴伦支海（BarentzSea）和东西伯利亚海（Easl Siberian Sea）排出大量深层甲烷气。从全球变暖角度看，由于甲烷是温室气体，它是一个危险的事件。但是，深层甲烷气的存在正好与Gold的理论相吻合。无论如何，我们应该向Thomas Gold的准确预测表示敬意。