高压微毛细管中盐水溶液CO2水合物晶体相分布与形貌的光学-拉曼分析及其脱盐与碳捕获应用

【编辑推荐】本研究通过高压微毛细管反应器结合光学/微拉曼光谱，探究了3.5 wt% NaCl溶液中CO2水合物的相分布与形貌特征。揭示了初始CO2饱和度（CO2-S与CO2-UnS）对晶体生长模式的关键影响，发现CO2-S体系可实现液相均相成核，而CO2-UnS存在传质限制。该成果为水合物法脱盐-碳捕获联用技术提供了微观机制支撑。

　　

全球气候变化与淡水短缺是当今人类面临的两大危机。化石燃料燃烧导致CO₂排放占温室效应的65%，而到2025年全球三分之二人口可能面临水资源压力。法国里尔大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，创新性地采用高压微毛细管反应器结合光学显微镜和微拉曼光谱，揭示了盐水环境中CO₂水合物晶体生长的微观机制。

研究团队开发了内径0.23 mm的石英微毛细管高压反应器，通过控制CO₂初始饱和度（完全饱和CO₂-S vs 部分饱和CO₂-UnS），在246 K等压冷却条件下观察水合物成核。采用拉曼光谱分析CO₂费米双峰（1275.1 cm^-1和1381.6 cm^-1）和O-H伸缩振动带，结合退火-冷却循环（275 K→263 K）诱导二次水合物形成。

样品制备
使用3.5 wt% NaCl溶液模拟海水，在特制石英微毛细管中构建高压体系。

Snapshots prior to hydrate formation
拉曼图谱显示CO₂-S体系液相中CO₂信号均匀分布，而CO₂-UnS体系呈现明显的浓度梯度。

结论
研究发现CO₂-S体系形成全毛细管分布的颗粒状水合物，而CO₂-UnS体系水合物仅聚集在弯液面附近。拉曼分析证实CO₂-UnS体系存在气体/液体/水合物浆/单晶等多相异质性，多晶沉积物导致传质受限。相反，CO₂-S体系显示液相直接成核特征。值得注意的是，所有体系在弯液面气侧均形成薄水合物膜，提示界面相互作用影响传质效率。

该研究首次在微尺度揭示了盐水环境中CO₂水合物生长的空间异质性规律，证明初始气体饱和度是调控晶体形态与分布的关键参数。这些发现为优化水合物法脱盐-碳捕获联用技术提供了重要理论依据，通过精确控制CO₂饱和状态可显著提升水合物生成效率，推动可持续水处理与碳中和技术发展。研究采用的微流控拉曼联用技术为复杂多相体系研究提供了新范式。