仿生封装CO2水合物管道输送技术：基于红细胞运输机制的碳封存与运输新策略

为解决传统CO2水合物浆体输送中易堵塞、高粘度的问题，受红细胞(RBC)血液运输机制启发，研究人员开发了仿生封装水合物流动技术。通过实验与CFD-DEM模拟证实，RBC形胶囊可将管道压降梯度降低92%，显著提升输送效率。该研究为碳捕集与封存(CCS)系统提供了创新解决方案。

　　

全球气候变化背景下，CO₂作为主要温室气体的减排压力日益严峻。碳捕集与封存(CCS)技术虽被寄予厚望，但传统超临界CO₂管道输送存在高压耗能、泄漏风险等问题。水合物浆体输送虽能降低运输条件，却面临更棘手的挑战——水合物颗粒易沉积聚集导致管道堵塞，添加抗聚集剂(anti-agglomerant)又会显著增加浆体粘度。这种"两难困境"严重制约着水合物技术在CCS领域的实际应用。

澳大利亚研究理事会(ARC)资助的研究团队从人体血液循环中获得灵感，创造性地提出仿生解决方案：就像红细胞在血浆中高效运输氧气那样，将CO₂水合物封装在红细胞(RBC)形胶囊中进行管道输送。这项发表在《Process Safety and Environmental Protection》的研究，通过精巧的实验设计和多尺度模拟，验证了该技术相比传统浆体输送的显著优势。

研究人员主要采用三项关键技术：1）3D打印结合聚四氟乙烯(PTFE)膜制备RBC形水合物胶囊；2）搭建实验室规模管道系统进行流动与解离动力学实验；3）耦合计算流体力学-离散元法(CFD-DEM)模拟胶囊运动与流体相互作用。特别建立了考虑壁面摩擦和水动力作用的解离动力学模型，通过实验数据优化获得解离速率常数。

【Preparation of RBC-shaped capsules for gas hydrate formation】
研究团队通过高韧性树脂3D打印制备RBC形骨架，结合透气疏水的PTFE膜构成复合胶囊。这种设计既保持结构强度，又允许CO₂分子自由穿透，使水合物形成效率比球形胶囊提升143%。

【Experiment results and model validation】
实验与模拟的胶囊运动轨迹高度吻合，验证了CFD-DEM模型的可靠性。关键发现包括：胶囊-管径比增大可提升流动稳定性；相同水合物量下，RBC形胶囊比球形胶囊产生更低压降；流速0.005-0.0063 m³/s时，封装流动的压降梯度比传统浆体降低达92%。

【Conclusions】
这项研究开创性地将仿生原理应用于碳运输领域，证实RBC形封装可同时解决水合物沉积与高粘度两大难题。其创新性体现在：1）借鉴生物系统优化设计，胶囊形状显著降低流动阻力；2）建立包含解离动力学的多物理场耦合模型；3）证实封装运输在宽工况范围内的性能优势。该技术为构建安全、高效的CCS基础设施提供了新范式，对实现碳中和目标具有重要工程意义。未来可拓展至天然气、氢气等其他气体的水合物输送系统。