探寻海底沉积物中液态 CO2与海水最佳体积比，解锁 CO2水合物封存新潜力

为解决优化海底沉积物中 CO2水合物封存问题，研究人员开展液态 CO2与海水体积比对 CO2水合物封存影响的研究。结果发现初始水饱和度影响 CO2水合物形成，该研究为水合物法封存 CO2提供理论支持。

　　

研究背景

在全球变暖的大背景下，CO₂排放过量成了地球的沉重负担，它就像一个无形的 “杀手”，严重威胁着人类的生态环境，是导致全球气候变暖的 “罪魁祸首” 。近年来，基于水合物的 CO₂封存技术崭露头角，为缓解全球变暖带来了新希望。气体水合物是气体分子和水分子在高压低温条件下形成的非化学计量笼形结晶化合物，用它来储存 CO₂，不仅气体储存密度大，而且稳定性强。把 CO₂以水合物的形式埋藏在深海沉积物中，听起来似乎是一个完美的解决方案。

然而，现实并没有那么简单。在这个过程中，CO₂和水形成水合物的比例关系十分关键，它们的初始比例在很大程度上决定了 CO₂的封存密度和相态。而且，之前很多研究主要聚焦在气态 CO₂，但在海底的温度和压力条件下，注入的 CO₂基本是以液态形式存在。注入液态 CO₂时，它和海水中的水会在沉积层发生竞争排挤，影响孔隙水分布和初始水饱和度，进而影响 CO₂的封存效果。因此，为了让 CO₂水合物封存技术更好地发挥作用，迫切需要深入研究液态 CO₂与海水的初始比例对海底沉积物中 CO₂封存过程的影响。

在这样的背景下，来自未知研究机构的研究人员勇敢地迎接挑战，开展了相关研究。他们的研究成果发表在《Chinese Journal of Chemical Engineering》上，为该领域的发展带来了新的曙光。

研究方法

研究人员使用购买自北京 AP Beifen Gases Industry Co., Ltd 的高纯度 CO₂（99.999%） ，以及北京 Lanning Technology and Trade Co.Ltd 的 20 - 40 目（0.42 - 0.85mm）、孔隙率 0.387 的石英砂模拟海底沉积物，实验室配制 3.5 wt% 的 NaCl 溶液。实验装置主要由注射系统等四个部分组成。在不同温度、压力条件下，通过控制初始水饱和度，监测反应过程中温度变化和 CO₂消耗情况，研究 CO₂水合物的形成特性。

研究结果

1. 温度分布与 CO₂消耗：以 20% 初始水饱和度为例分析 CO₂水合物形成过程中反应器内的温度变化，实验初始温度设定为 11°C，高于实验压力 8.7MPa 下 CO₂水合物的相平衡温度。通过监测不同位置的温度变化以及 CO₂实时消耗曲线，来了解水合物形成过程中的热效应和 CO₂的消耗情况。
2. 初始水饱和度对 CO₂水合物转化率的影响：CO₂水合物转化率随初始水饱和度的增加而增加，在初始水饱和度为 80% 时达到 15.3%。但当水饱和度较高时，大部分 CO₂仍以液态形式存在，水合物转化率低于 10%。这表明，虽然有自由水存在，但过高的水饱和度不利于 CO₂转化为水合物。
3. 初始水饱和度对 CO₂水合物形成的最佳条件影响：研究发现，在初始水饱和度为 30% 时，CO₂水合物形成效果最佳。此时，CO₂以水合物形式的储存密度为 33.09kg?m^?3 ，水合物饱和度为 22.3%。这说明，这个比例下更有利于 CO₂在沉积物中形成水合物并储存起来。
4. 初始水饱和度对总 CO₂封存密度的影响：总 CO₂封存密度与初始水饱和度呈负相关。在初始水饱和度为 10% 时，总 CO₂封存密度可达 398.73kg?m^?3 ，但其中只有 18.02kg?m^?3 的 CO₂转化为水合物。这意味着较低的初始水饱和度虽然能提高总封存密度，但水合物形式的 CO₂占比并不高。
5. 初始水饱和度对水转化为水合物时间的影响：初始水饱和度越低，达到 CO₂消耗 90%（t₉₀ ）所需的时间越短。在初始水饱和度为 10% 时，水转化为水合物的转化率能达到 90%。这表明，较低的初始水饱和度能加快水转化为水合物的速度。

研究结论与讨论

研究人员模拟了 6°C 和 8.7MPa 条件下海底沉积物的不同初始水饱和度，研究水与液态 CO₂的初始比例对多孔介质中 CO₂水合物形成过程的影响。结果表明，孔隙中的初始水饱和度对 CO₂水合物的形成有着显著影响，过高或过低的初始水饱和度都不利于 CO₂水合物的形成和封存。找到合适的初始水饱和度，对提高 CO₂水合物的封存效率至关重要 。

这项研究为海底沉积物中基于水合物的 CO₂储存提供了重要的理论支持，让人们对 CO₂水合物在海底沉积物中的形成过程有了更深入的认识。不过，目前 CO₂转化为水合物的转化率还比较低，后续还需要探索更多方法来提高 CO₂转化为水合物的比例，进一步优化 CO₂水合物封存技术，为应对全球气候变化贡献更多力量。