太原理工大学重大突破!高温高压CO₂溶解度模型革新,深层含水层封存潜力评估更精准

二氧化碳；超临界；溶解度；状态方程；盐水含水层；碳封存；盐效应

地质封存是实现碳中和的关键技术，深层咸水含水层凭借巨大容量成为CO₂封存的核心载体，而溶解封存是保障 CO₂长期稳定存储的核心机制。然而，深层咸水含水层普遍存在中高温（25-100℃）、高压（10-20MPa）环境，CO₂在水中的溶解行为呈现显著非理想性，传统状态方程与亨利定律难以精准预测其溶解度，导致含水层封存潜力评估存在较大误差，制约了地质封存技术的规模化应用。

现有技术存在三大核心痛点：一是传统热力学模型在深层含水层的温压条件下预测精度不足，无法捕捉CO₂溶解的复杂规律；二是缺乏针对 Na-Ca-Cl 型复合离子体系的盐效应量化分析，难以适配实际含水层卤水环境；三是实验测量方法存在气体脱附不完全、高温汽液共蒸发等误差来源，难以获取精准的基础数据。为此，研究团队通过精准实验测量与模型修正，建立适配高温高压环境的 CO₂溶解度预测体系，量化盐效应影响，为深层含水层封存潜力评估提供科学支撑。

采用 “实验数据获取 - 模型优化 - 盐效应分析 - 封存潜力评估” 的核心技术路线：以纯水与 Na-Ca-Cl 型卤水为研究对象，利用自主研发的高温高压反应装置与精准称重系统，系统测量 25-100℃、10-20MPa 下 CO₂的摩尔体积与溶解度；基于实验数据修正PR 状态方程与亨利系数，提升热力学性质预测精度；通过改进Li-Mather方程，量化复合离子体系的盐效应影响；结合分子动力学模拟，阐明溶解机制；最终应用于鄂尔多斯盆地咸水含水层，完成封存潜力评估。

①核心原料：高纯度 CO₂（纯度≥99%）；去离子水；模拟 Na-Ca-Cl 型卤水（含 Na⁺、Ca²⁺、Cl⁻，浓度匹配鄂尔多斯盆地含水层实际离子分布）

②实验设备：自主研发高温高压 CO₂溶解测试系统（含 2435mL 反应釜，耐压 25MPa）、高精度电子秤（量程 5-75kg，精度 1g）、K 型耐高温高压腐蚀热电偶、压力传感器（量程 0-30MPa，精度 ±0.5% FS）

③实验分组：设置3个压力梯度（10/15/20MPa）、7个温度梯度（25/37.5/50/62.5/75/87.5/100℃），分别测试纯 water 与模拟卤水体系中 CO₂的溶解特性

测试设置示意图

①基础数据测量：采用恒容法与称重法结合，先测定无水体时 CO₂的摩尔体积，再注入 2000mL 水 / 卤水，平衡后称重计算溶解度，每组实验重复 3 次验证可靠性

②模型修正：通过 Levenberg-Marquardt 算法对实验数据进行非线性最小二乘拟合，优化 PR 状态方程与亨利系数参数

③微观机制分析：借助分子动力学模拟，计算 CO₂形态转化的自由能垒，揭示盐效应与分子间相互作用机制

④潜力评估：收集鄂尔多斯盆地含水层地质参数（温度、压力、孔隙度、有效厚度等），利用改进的 Li-Mather 方程计算封存容量

二氧化碳摩尔体积/密度与温度和压力之间的关系

二氧化碳密度的变化率

CO₂ 摩尔体积比较

PR-G 方程与 NIST 数据库之间的偏差分析

溶解度与温度的关系

溶解度与压力的关系

测试结果与其他文献发现的比较

基于修正 Li-Mather 模型（连续线）和 eCPA 模型（离散点）在不同压力和盐度条件下，CO₂饱和 NaCl 溶液的密度变化与温度之间的关系

离子对 CO₂ 溶解度的影响

1、明确溶解主导机制：高温高压下 CO₂溶解度受温度、压力、分子间相互作用与离子强度共同调控，特定区间的 “异常升高” 源于偶极诱导偶极作用增强与极性差异缩小，填补了传统热力学理论的认知空白；

2、建立高精度预测体系：优化后的 PR-G 状态方程与修正亨利定律，实现 25-100℃、10-20MPa 区间 CO₂溶解度的精准预测，兼顾精度与计算效率，适配工程应用场景；

3、阐明盐效应规律：高盐度环境中离子强度主导 CO₂溶解度，改进的 Li-Mather 方程可准确量化复合离子体系的影响，解决实际含水层卤水的预测难题；

4、工程价值突出：模型成功应用于鄂尔多斯盆地，明确了深层咸水含水层的巨大封存潜力，为 CO₂地质封存项目的选址、设计与优化提供了关键技术支撑。