一种无对流的光学方法，用于测量多孔介质中的二氧化碳（CO?）扩散

《Geoenergy Science and Engineering》：A convection-free optical method for measuring CO 2 diffusion in porous media

二氧化碳在盐水中多孔介质中的扩散系数测定采用垂直毛细管光传输可视化技术，通过抑制对流确保分子扩散主导，利用pH指示剂颜色变化实时监测CO2溶解过程，发现盐度增加和颗粒尺寸减小会降低扩散效率。

　　

埃诺克·巴西利奥（Enoc Basilio）、西蒙·祖盖布（Simon Zougheib）、穆阿德·阿达西（Mouadh Addassi）、穆罕默德·阿尔-朱艾德（Mohammed Al-Juaied）、塔德·特鲁斯科特（Tadd Truscott）、侯赛因·霍泰特（Hussein Hoteit）

沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology, KAUST）物理科学与工程系

摘要

在咸水含水层中封存二氧化碳（CO₂）是一种有前景的策略，可用于减缓人为产生的二氧化碳排放。本研究提出了一种新的实验方法，通过使用透射光可视化技术来量化多孔介质中的CO₂质量扩散。与传统方法不同，我们的方法通过将毛细管垂直放置（开口端朝下）来隔离纯分子扩散。在这种倒置配置中，富含CO₂的较密流体从底部注入，从而自然抑制了由浮力驱动的对流，确保质量传递仅通过扩散发生。这些透明的毛细管内填充了具有特定粒径分布的玻璃珠，并浸入了pH敏感的指示剂溶液，可以实时观察和量化CO₂的溶解过程。溶解的CO₂引起的酸化会导致指示剂颜色变化，通过记录和分析这些变化可以提取有效的扩散系数。该装置能够在无对流的受控条件下直接观察CO₂在多孔介质中的传输情况。系统实验表明，盐度增加和粒径减小会显著降低CO₂的扩散性。这项工作提供了一种简单的方法，用于在饱和盐水的多孔介质中无对流地量化CO₂的扩散性，从而更准确地模拟溶解度捕获过程，并提高对咸水含水层中长期CO₂传输和储存的预测。

引言

在深层地质构造中封存二氧化碳是一种有前景的减少温室气体排放的技术。本质上，CO₂排放在碳密集型源头被捕获，经过分离和压缩后，被输送到地下封存场所，如枯竭的油田和气田或咸水构造。将CO₂注入咸水构造后，其在地下的长期封存受四种主要机制控制（Metz等人，2005年）：结构捕获、残余（或毛细）捕获、溶解度捕获和矿物捕获。这些机制在不同的时间尺度上发挥作用，共同增强了CO₂封存的安全性，其中溶解度和矿物捕获在后期提供了更高的持久性。溶解度捕获在确保CO₂的长期稳定和封存方面起着重要作用（Ringrose等人，2021年）。随着CO₂逐渐溶解到地层盐水中，最初由地层盖岩所限制的浮力CO₂量逐渐减少。CO₂在盐水中的溶解降低了超临界CO₂与原有盐水之间的浮力差异，从而减少了作用在盖岩上的向上浮力，促进了溶解CO₂的稳定向下流动（Adams和Bachu，2002年；Chang等人，2025年；Lv等人，2020年、2024年）。这一溶解过程最初主要由分子扩散主导，决定了CO₂溶解到盐水中的速率。因此，确定CO₂进入水相的质量传递和扩散系数对于评估碳封存的有效性和长期稳定性至关重要。

确定气液系统扩散系数值的实验方法通常分为直接法和间接法（Kantzas等人，2022年）。直接法涉及使用复杂的、往往具有侵入性的物理化学技术，通过详细的成分数据分析直接估计扩散系数（Sigmund，1976年）。这些方法通常需要精确的仪器和严格的实验设置来测量浓度随时间的变化。另一方面，间接法通过监测受扩散过程影响的次要、可量化参数（如压力和气体流量）来估计扩散系数。这些方法依赖于对这些参数的系统性记录和分析来监测扩散过程（Ghasemi等人，2016年）。虽然间接法通常比直接法更简单、更易于实施，但仍存在一些挑战。一个显著的问题是可能发生瑞利-贝纳德（Rayleigh-Bénard）不稳定性，这会在气液系统中引起对流混合，导致扩散系数值被高估（Getling，2012年；Sell等人，2013年）。

本研究介绍了一种新的实验方法，可以定量确定CO₂-水扩散系数值。设计了一种基于透射光强度的实验工作流程来估计这些系数。实验研究了盐度和多孔介质对CO₂溶解动态的影响。与传统的压力-体积-温度（PVT）技术不同，所提出的方法有效隔离了对流效应的干扰。该方法有助于在多孔介质系统中可视化并定量确定有效的分子扩散系数值。实验使用了具有特定粒径分布的玻璃珠作为多孔介质。系统地研究了不同粒径对CO₂在水溶液中有效分子扩散的影响。这些实验测量结果表明，由粒径表示的孔隙几何形状通过改变路径和增加迂曲度显著影响了扩散传输过程。

部分摘录

质量传递可视化

二氧化碳在水中溶解的溶解度受压力和温度的控制。CO₂在水中的溶解通过化学平衡过程导致pH值降低，形成碳酸，随时间推移会分解成碳酸氢盐$(H_2{\text{CO}}_{3\left(\text{aq}\right)}^{)}$和碳酸盐$({\text{CO}}_{3\left(\text{aq}\right)}^{)}$离子（“aq”表示水合形式）。整个反应平衡/溶解过程可以通过以下一系列平衡来描述，每个平衡都有其相应的

材料和实验装置

图1所示的实验装置包括一个纯度为99.995%的CO₂气瓶（来自Air Liquide公司的Alphagaz系列），通过高压注射泵（100DX，Teledyne ISCO Inc.，美国）将CO₂控制输送到密封的可视化箱中。该透明外壳是内部制造的，由两块210毫米×200毫米的平面亚克力板组成，中间夹有8毫米厚的亚克力间隔层。这些板用金属螺丝固定在一起并密封

结果与讨论

所提出的实验方法涉及将CO₂从充满pH敏感水溶液的垂直定向毛细管底部引入并与水相接触，从而在无对流条件下实现向上扩散。通过时间延迟图像捕捉到的颜色变化来追踪由此产生的酸化过程。图5显示了一系列时间延迟图像，记录了10小时内的CO₂扩散过程

结论

本研究展示了基于光传输的可视化技术在无对流条件下量化水相和多孔介质中CO₂扩散的有效性。所提出的方法提供了一种简单而可靠的替代传统技术的方法，无需复杂的仪器或侵入性设置即可估计扩散系数。与许多仅限于 bulk 流体的现有方法不同，该框架将扩散性测量扩展到了

CRediT作者贡献声明

埃诺克·巴西利奥（Enoc Basilio）：撰写——原始草稿、软件开发、方法论设计、实验研究、数据分析。西蒙·祖盖布（Simon Zougheib）：可视化处理、软件开发、实验研究。穆阿德·阿达西（Mouadh Addassi）：撰写——审阅与编辑、软件开发、方法论设计。穆罕默德·阿尔-朱艾德（Mohammed Al-Juaied）：撰写——审阅与编辑、验证、实验研究。塔德·特鲁斯科特（Tadd Truscott）：撰写——审阅与编辑、验证、方法论设计。侯赛因·霍泰特（Hussein Hoteit）：撰写——审阅与编辑、监督、方法论设计、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本文所述的研究由沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）资助。