基于凝聚能与界面张力的气体溶解新理论模型及其在温室气体捕集与封存（CCUS）中的应用

本文提出了一种创新的气体溶解度理论模型，通过溶质转移自由能（涉及凝聚能变化与液-液界面张力(IFT)）预测气体在液体中的溶解行为。该模型在12种气体、36种溶剂、422个数据点的测试中表现出优异精度（RMSE=0.43984），显著优于传统Prausnitz-Shair方法、Peng-Robinson状态方程(EoS)和COSMO-RS方法，为温室气体（CO2/CH4）捕集与利用工艺提供了可靠的理论工具。

　　

Theory

气体在液体中的溶解过程可视为两个步骤：首先气体在系统压力下被等温绝热冷凝为假想液态，随后假想液态溶质分子克服溶剂-溶质界面张力（IFT）穿越液-液界面并在溶液中形成空穴。根据热力学第一定律，第一步过程所需功等于气体凝聚能变化，而第二步涉及界面张力对抗功，其值与溶剂-溶质界面张力呈正相关。

Results and discussion

溶剂的COSMO性质（A_cosmo, V_cosmo, Sigma-profile）参见文献[20]，部分溶质的电荷密度分布（sigma-profile）如图1所示。气体溶质分子的片段数通过公式(9)计算，气相溶质的摩尔凝聚能由Peng-Robinson状态方程(EoS)计算得出：E_ii^(G) = -H_res + (z-1)RT，其中z为压缩因子，H_res代表摩尔残余焓。该模型通过凝聚能变化与界面张力参数的协同作用，实现了对气体溶解行为的精准量化预测。

Conclusions

本研究提出的气体溶解度新理论模型，通过凝聚能变化与溶剂-溶质界面张力（IFT）来评估溶质转移自由能，实现了对气体溶解度的可靠预测。模型在273.15~348.29 K温度和1~88.498 atm压力范围内经过验证，其整体均方根误差（RMSE）显著低于传统方法，展现出在复杂体系中的强大适用性。