液态CO2封存中水扩散动力学机制与盐分抑制效应研究

研究人员针对液态CO2(LCO2)封存中水扩散机制不明确的问题，通过阴影成像技术可视化水溶解过程，测定扩散系数（1.2–1.8×10?7 m2/s），发现离子溶质（如KOH）会通过盐类沉淀抑制水扩散，为优化深海CO2封存技术提供关键数据。

　　

随着全球变暖问题日益严峻，将液态二氧化碳(LCO₂)注入深海被视为缓解温室效应的潜在方案。然而，这一技术的核心挑战在于理解水与LCO₂的相互作用机制——当LCO₂注入含盐地层时，水的扩散会引发盐类沉淀，进而堵塞岩石孔隙，降低封存效率。尽管前人研究了超临界CO₂(ScCO₂)中的水扩散行为，但关于LCO₂体系的关键参数仍存在两数量级的争议数据。

针对这一空白，韩国釜山国立大学机械工程学院的研究团队在《The Journal of Supercritical Fluids》发表重要成果。他们创新性地采用阴影成像技术(shadowgraph)，首次系统测定了水在LCO₂中的扩散系数，并揭示了离子溶质对扩散速率的抑制规律。研究通过高压可视化腔体实时监测水滴体积变化，结合稳态溶解模型，量化了3.5–7.4 MPa压力范围内的动力学参数，发现KOH等溶质会通过生成碳酸盐沉淀显著延缓水扩散。

关键技术包括：1）搭建带光学窗的高压腔体（250 cm³）实现原位观测；2）采用阴影成像系统捕捉10 mm³水滴的溶解动态；3）基于直径平方-时间线性关系建立扩散模型；4）通过盐浓度梯度实验验证沉淀效应。

【水扩散在饱和条件下的行为】
在CO₂饱和线压力下，水滴完全溶解时间从3.5 MPa的300分钟缩短至7.4 MPa的100分钟，证实压力提升可加速水扩散。扩散系数测定值为1.2–1.8×10^?7 m²/s，与Espinoza早期研究一致，但比ScCO₂体系高两个数量级。

【离子溶质的影响机制】
添加KOH后，水扩散速率随浓度增加呈指数下降。显微观测发现碳酸氢盐/碳酸盐沉淀物在界面聚集，形成物理屏障。该现象解释了盐水层CO₂封存中常见的孔隙堵塞成因。

结论表明，水分子直接扩散是LCO₂溶解的主导机制，而盐类沉淀会通过改变界面特性影响长期封存效率。这项研究不仅为CO₂封存数值模拟提供了关键参数，更揭示了地质封存中盐沉淀风险的量化评估方法，对设计深海封存方案具有重要指导意义。