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武汉岩土所二氧化碳在粘土中扩散行为的分子模拟研究获进展
2018-07-24    打印 关闭

  CO2的地质封存是实现温室气体减排的重要途径,容量巨大的地下咸水层是实现CO2封存的主要场所。粘土是一种致密富含微孔的矿物,地下富含粘土的岩层一方面可吸附大量的CO2,实现CO2封存,另一方面由于含有粘土的致密盖层具有极低的渗透率,可有效防止注入CO2的逃逸。因此研究CO2在粘土中的运移特性对评估CO2的泄露风险具有重要意义。 

  由于粘土是一种渗透率极低的致密矿物,一般认为扩散是气体运移的主要方式。扩散系数是衡量气体扩散能力的最重要参数。一般实验测量的扩散系数为Fick扩散系数,且粘土的微孔主要以分子层间微孔(10左右),难以实验上直接测量。 

  中国科学院武汉岩土力学研究所胡海翔副研究员首次采用分子动力学研究了CO2在粘土层间孔隙中各种扩散系数,尤其是M-SFick扩散系数随地质条件(压力,含水量,温度)的演化。与通常自扩散系数随浓度(压力)增加单调减小不同,受粘土自由体积的影响,CO2自扩散系数随CO2压力先增后减。CO2M-SFick扩散系数随着CO2压力,含水量和温度的升高单调增加。基于自扩散系数和M-S扩散系数,提出了表征CO2分子间扩散耦合强度参数:它首先随CO2浓度增加,但当浓度超过2(分子/单位晶胞)时开始减少,与粘土自由体积的变化一致。这说明当地层含水量一定时,随着CO2埋藏深度的增加,CO2扩散加快,泄露风险增加,降低含水量有利于减小其泄露风险。该研究在分子水平上揭示了CO2在粘土中扩散的微观机制,并提供了实验上难以测量的的扩散系数,为预测气体运移,评估CO2泄露风险提供重要依据。 

  本研究获得了国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。该成果发表在Scientific Reports期刊上(Scientific Reports, 7, 5403 

1. 粘土--CO2分子模型

2. (a) CO2和水自扩散系数随CO2浓度的变化. (b) CO2位移分布平均值与CO2浓度的关系

 
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