هیدرات هاي گازي ملکولهاي پیچیده کریستالی هستند که از اختلاط آب و ملکولهاي گاز به اندازه مناسب تشکیل میشوند . ملکولهاي آب (میزبان) بوسیله پیوند هیدروژنی ، ساختارهاي کریستالی ناپایداري با چندین حفره تشکیل میدهند . ملکولهاي گاز (مهمان) میتوانند حفره هاي بلور را اشغال کرده و زمانی که تعداد حفرههاي اشغال شده به میزان حداقل خود رسیدند، ساختار کریستالی استحکام خواهد یافت و هیدراتهاي گازي جامد ، شکل میگیرد.
هیدرات ها ترکیبی از گازهاي سبک مثل متان ، اتان یا دي اکسید کربن هستند که تحت شرایطی خاص از نقطه نظر دمایی و فشاري با مولکولهاي آب ترکیب شده و مادهاي شبیه به یخ که حجم زیادي از گاز را در خود جاي داده است تشکیل میدهد. نقطه قوت هیدراتهاي گازي ظرفیت ذخیره سازي بالاي آنها است، به طوري که هر متر مکعب از هیدرات در بر گیرنده 160-180 مترمکعب گاز متان میباشد. هیدراتهاي گازي در دماي ℃ -20 و فشار اتمسفر نگهداري میشوند و در صورتی که بتوان فشار هیدرات را در فشار بالا ( 40-80 بار) نگهداري نمود میتوان دماي آن را تا 18 درجه سانتیگراد بالا برد.
امروزه هیدرات گازي به عنوان یک ماده براي استفاده در انتقال و ذخیره سازي گازها مورد توجه قرار گرفته است. در واقع بعد از کشف خاصیت خود نگهداري هیدرات استفاده از هیدرات جهت ذخیره سازي و انتقال گاز به صورت جدي تر مطرح گردید. این خاصیت به هیدرات اجازه میدهد که در فشار پائین تر از فشار تشکیل آن پایدار بماند. بعد از تشکیل هیدرات در فشار بالا آن را تا زیر صفر درجه سانتی گراد سرد میکنند و فشار آن را تا حد فشار اتمسفر کاهش میدهند. در این صورت اگر به آن گرما برسد (شرایط آدیاباتیک) هیدرات تجزیه میشود . در واقع جزئی از سطح هیدرات تجزیه میگردد و آب بوجود آمده یخ میزند و مانند لایهاي محافظ اطراف آن را میپوشاند و مانع تجزیه بیشتر آن میگردد.
ساختار هیدرات هاي گازي
هیدرات گازي ماده اي یخ مانند است که از تماس آب یا یخ با گاز در فشار بالا و دماي پائین بوجود می آید. پیوند هیدروژنی مولکولهاي آب باعث ایجاد حفره هایی می شود که مولکولهاي کوچک گاز می توانند وارد آنها شده و باعث پایداري حفره ها گردند. این حفره ها در غیاب مولکول گاز میهمان ، ناپایدارند اما وجود مولکولهاي گاز و پیوند فیزیکی آن با مولکولهاي آب باعث پایداري حفره ها می گردد . بنابراین نیروي نگهدارنده حفره ها نیروي واندروالسی (Vander Waals) است. هنگامی که حفره ها به میزان کافی از گاز پر شده و به اندازه بحرانی خود براي رشد رسیدند، رشد کریستالها شروع می شود. هر دو نوع شبکه هیدرات از تعدادي حفره هاي کوچک و بزرگ تشکیل شده است. در یک هیدرات پایدار، برخی از حفره هاي میزبان (آب) با ترکیبات گازي که مولکولهاي مهمان نام گرفته اند، پر میشوند. البته تنها گازهایی که داراي قطر مولکولی کوچکتر از حفره ها و شکل هندسی مناسب تر هستند می توانند وارد حفره ها شوند. در شرایط دما و فشار استاندارد، (STP) یک حجم از هیدرات اشباع شده متان (ساختار ) I داراي بیش از 164حجم از گاز متان است. به علت ظرفیت عظیم ذخیره سازي گاز، این هیدرات ها، منابع مهمی از گاز طبیعی محسوب می شوند. در سطح ماکروسکوپی، بسیاري از خواص مکانیکی هیدرات گاز مثل یخ است. چون هیدراتها داراي حداقل 85درصد آب بر یک پایه ملکولی هستند. براي شناسایی نوع ساختار هیدرات تشکیل شده، از روشهاي زیر استفاده میشود.
X-Ray Diffraction و Raman Spectrum ، C13- NMR ، H-NMR
برخی از کاربردهاي هیدرات عبارت است از :
فرایند جداسازي گاز از مخلوط گازها
ذخیره سازي و انتقال گاز طبیعی
ذخیره سازي گاز متان
جذب دي اکسید کربن از هوا
نمک زدایی از آب دریا