基于流体内聚能与液-液界面张力的气体溶解行为机制及新型预测模型研究

本文综述提出了一种创新的气体在液体中溶解度理论模型，通过溶质转移自由能（从气相到液相）结合流体凝聚能变化与溶剂-溶质界面张力（IFT）进行预测。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（RMSE=3.32643）和Peng-Robinson状态方程（EoS），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腔。根据热力学第一定律，溶解过程第一步所需的功等于流体凝聚能的变化量，而第二步的功则与溶剂-溶质界面张力直接相关。该理论框架通过量化这两部分的能量贡献，构建了气体溶解度的新型预测模型。

Results and discussion

溶剂的COSMO性质（A_cosmo、V_cosmo、Sigma-profile）参见文献[20]，图1展示了部分溶质分子的sigma-profile（表面片段电荷密度分布）。气体溶质分子的片段数量通过公式(9)计算，气相溶质的摩尔内聚能采用Peng-Robinson状态方程（EoS）计算，其中z表示压缩因子，H_res代表摩尔残余焓。本研究模型在273.15～348.29 K温度范围和1～88.498 atm压力范围内进行了验证，其预测精度显著优于传统方法。

Conclusions

本研究提出的新型气体溶解度理论模型，通过溶质转移自由能（从气相到液相）结合流体凝聚能变化与液-液溶剂-溶质界面张力，实现了对气体溶解行为的精准预测。该模型在宽泛温压条件下均表现出卓越的可靠性（总体RMSE=0.43984），为温室气体捕集（CO₂/CH₄）工艺设计提供了理论基石，助力化石能源的碳负排放（carbon-negative）或碳中性（carbon-neutral）利用。