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为解决地质封存一氧化碳（CO）时溶解度预测难题，研究人员利用电解质立方加缔合（e - CPA）状态方程开展相关研究。结果显示该模型预测精准，偏差小。此研究为 CO 地质封存提供重要依据，推动可持续发展。
在当今的环境与能源领域，一氧化碳（CO）带来的挑战不容小觑。它作为众多燃烧过程的副产物，悄无声息地威胁着人类健康与生态环境。汽车尾气、工业熔炉废气中都有它的身影，一旦进入人体，CO 会与血液中的血红蛋白紧密结合，形成羧基血红蛋白，阻碍氧气运输，引发 CO 中毒。而且，它虽不是直接的温室气体，却能间接影响其他温室气体浓度，加剧全球变暖。
在低碳氢生产过程中，从化石燃料制取氢气时，CO 很可能作为杂质混入用于地质储存的 CO?流中。要想深入了解注入地下地质构造后 CO?流的长期命运，就必须掌握 CO?及其杂质在储层流体（尤其是盐水）中的溶解度。然而，与二氧化碳（CO?）相比，CO 的地质封存更为复杂，相关研究也较少。此前虽有一些关于 CO 在水中溶解度的计算研究，但存在诸多不足，如现有计算模型的参数调整复杂，且适用范围有限。在这种背景下，为了实现 CO 的有效地质封存，降低其对环境的危害，推动可持续发展目标 SDG 13（气候行动）的实现，研究人员开展了深入研究。
研究人员利用电解质立方加缔合（e - CPA）状态方程作为热力学框架进行研究。e - CPA 状态方程整合了 Debye - Hückel 项和 Born 项，能够有效描述电解质溶液中的静电相互作用。在研究过程中，研究人员对离子相关参数进行了合理设定，如将 CPA 温度依赖和 CPA 还原能量参数设为零，不考虑离子缔合等。同时，采用 PT - flash 结合逐次替代法计算气体在水溶液中的溶解度，并通过特定的目标函数进行回归分析，以相对平均偏差（RAD）评估结果准确性。
研究首先计算了纯 CO 和氮气（N?）的饱和性质，包括饱和蒸气压、饱和液相密度和饱和气相密度。结果显示，该模型对纯组分饱和性质的计算效果良好，不过饱和液相密度的计算偏差相对稍高。CO 和 N?由于摩尔质量、分子体积和色散力强度相似，CPA 参数也较为相近，但 CO 的偶极特性使其临界性质等与 N?存在差异。
接着研究气体在纯水中的溶解度。结果表明，CO 在纯水中的溶解度随压力升高而增加，这是因为压力升高时，气体分子溶解速率加快，而逸出速率相对不变，更多气体分子溶解以达到平衡。从微观角度看，气体分子进入水中后，受到水分子的氢键和范德华力作用，压力增加促使更多气体分子与水分子产生相互作用，从而增加溶解度 。在相同温度和压力下，CO 的溶解度明显高于 N?，这是因为 CO 分子具有极性，与水分子之间存在更强的偶极 - 偶极相互作用和诱导偶极相互作用，甚至能形成氢键。同时，研究还发现，CO 在水中的溶解度随温度变化并非单调递减，而是先减小至最小值后再增加，不同压力下溶解度最小值对应的温度也不同。这一现象与液体内部摩擦（粘度）、密度随温度的变化以及水化理论等相关，其在研究其他气体溶解度时也具有重要意义。
最后研究 CO 在氯化钠（NaCl）水溶液中的溶解度。由于相关实验数据有限，研究主要基于已有文献数据进行分析。结果显示，CO 在 NaCl 水溶液中的溶解度计算相对平均偏差（RAD）为 1.3% 。在含离子的水溶液中，CO 溶解度随压力升高而增加，在计算温度范围内（323.15 - 423.15K）随温度升高而增加，且在相同压力和温度下，随 NaCl 摩尔浓度增加而降低，呈现典型的 “盐析效应”。这是因为 NaCl 在水中解离出的离子改变了溶液性质，离子强度增加使水分子更倾向于围绕离子，减少了与 CO 分子相互作用的机会，同时离子的静电排斥作用也降低了 CO 的溶解度。
研究结论表明，e - CPA 状态方程能够准确预测纯 CO 的饱和性质以及 CO 在水溶液中的溶解度，涵盖了广泛的压力、温度和盐浓度范围。该研究详细分析了 CO 在水和 NaCl 水溶液中的溶解过程和微观相互作用，证实了模型在预测复杂相行为方面的可靠性和高精度。尽管 CO 地质封存面临诸多挑战，但这项研究为其提供了关键支持，有助于优化地质封存过程，确保 CO 在地质构造中的安全、高效长期储存。同时，研究成果对环境地球化学领域也具有重要意义，能够帮助预测 CO 在自然水体中的行为，为监测和减轻 CO 污染提供依据，推动更有效的环境保护措施的制定和实施。
从研究方法来看，研究人员主要运用了以下关键技术：一是采用 e - CPA 状态方程构建热力学框架，该方程考虑了电解质溶液中的多种相互作用；二是利用 PT - flash 结合逐次替代法计算气体在水溶液中的溶解度；三是通过特定的目标函数进行回归分析，并以相对平均偏差（RAD）来评估模型计算结果与实验值的吻合程度，以此验证模型的准确性。
总的来说，该研究成果发表在《Applied Geochemistry》上，为 CO 地质封存及相关环境研究提供了重要的理论依据和技术支持，对推动可持续发展、改善环境质量具有重要意义。它不仅加深了人们对 CO 在复杂水溶液中行为的理解，也为后续相关研究奠定了坚实基础，有望在未来的实际应用中发挥更大作用。
