微流控技术揭示硫酸盐浓度对石灰岩中CaCO3 溶解速率的屏蔽效应及其地质工程意义

针对地质CO2 封存中流体-岩石相互作用的耦合溶解-沉淀机制难题，中国研究人员通过石灰岩微流控实验结合SEM-EDS表征，首次发现硫酸盐浓度阈值（0.05 mol/L）可触发溶解主导（DD）向沉淀主导（PD）的机制转换，导致CaCO3 溶解速率下降近一个数量级，为反应性输运建模提供了关键参数。

　　

在地质碳封存（CCS）和地下水污染治理等领域，流体-岩石相互作用引发的矿物溶解-沉淀耦合过程长期存在机制不清晰的问题。尤其当酸性硫酸盐溶液流经石灰岩时，方解石（CaCO₃
）溶解与石膏（CaSO₄
）沉淀的竞争关系会显著改变反应速率和孔隙结构，但传统岩心驱替实验难以捕捉微观动态过程。针对这一空白，中国地质大学（武汉）的研究团队创新性地采用石灰岩基微流控芯片，结合高时空分辨率成像技术，首次揭示了硫酸盐浓度对溶解速率的"屏蔽效应"，相关成果发表于《Biogeotechnics》。

研究团队运用三项关键技术：1）200μm厚石灰岩微流控芯片制备，通过PDMS（聚二甲基硅氧烷）键合技术构建准二维反应通道；2）pH=1的酸性溶液梯度实验设计，控制SO₄
^2-
浓度0-0.2 mol/L；3）荧光显微镜动态监测结合SEM-EDS（扫描电镜-能谱联用）的跨尺度表征。

3. 结果
动态过程观测：在Pe=1000（佩克莱特数）的强制对流条件下，低SO₄
^2-
浓度（<0.05 mol/L）形成多孔石膏层，允许H⁺
持续渗透（DD机制），溶解体积达1.63×10^-5
mm³
/s；而高浓度（>0.05 mol/L）产生致密石膏层（PD机制），溶解速率骤降90%。
临界阈值发现：通过化学计量分析确立临界浓度C_cri
=0.5C(H⁺
)，当SO₄
^2-
/H⁺
=1:2时触发机制转换。
定量模型：建立logR_avg
=-1.1SI-4.23的线性关系（R²
=0.94），证实饱和指数（SI）每增加0.47单位，溶解速率下降10倍。

5. 结论与意义
该研究首次通过原位观测揭示了石膏沉淀层孔隙结构对CaCO₃
溶解的"全或无"式调控：多孔层（DD机制）仅减缓反应，而致密层（PD机制）通过完全屏蔽反应界面终止溶解。发现的临界浓度阈值和SI-R_avg
定量关系，为预测地质封存中CO₂
矿化效率提供了理论依据。未来结合微流控PIV（粒子图像测速）技术，有望进一步解析局部过饱和界面的结晶动力学机制。