二氧化碳在黏土中居然可以擴散？

　　二氧化碳（CO2）的地質封存是實現溫室氣體減排的重要途徑，容量巨大的地下咸水層是實現CO2封存的主要場所。黏土是一種致密富含微孔的礦物，地下富含黏土的巖層一方面可吸附大量的CO2，實現CO2封存，另一方面由于含有黏土的致密蓋層具有極低的滲透率，可有效防止注入CO2的逃逸。因此研究CO2在黏土中的運移特性對評估CO2的泄漏風險具有重要意義。

　　近日，中國科學院武漢巖土力學研究所副研究員胡海翔首次采用分子動力學研究了CO2在黏土層間孔隙中各種擴散系數，尤其是M-S和Fick擴散系數隨地質條件（壓力、含水量、溫度）的演化。該研究獲得了國家自然科學基金和國家重點研發計劃的資助，相關成果發表在《科學報告》上。

　　胡海翔表示，由于黏土是一種滲透率極低的致密礦物，一般認為擴散是氣體運移的主要方式。擴散系數是衡量氣體擴散能力的最重要參數。一般實驗測量的擴散系數為Fick擴散系數，且黏土的微孔主要以分子層間微孔，難以通過實驗直接測量。

　　研究發現，與通常自擴散系數隨濃度（壓力）增加單調減小不同，受黏土自由體積的影響，CO2自擴散系數隨CO2壓力先增后減。CO2的M-S和Fick擴散系數隨著CO2壓力、含水量和溫度的升高單調增加。

　　基于自擴散系數和M-S擴散系數，研究人員提出了表征CO2分子間擴散耦合強度參數：它首先隨CO2濃度增加，但當濃度超過2（分子/單位晶胞）時開始減少，與黏土自由體積的變化一致。這說明當地層含水量一定時，隨著CO2埋藏深度的增加，CO2擴散加快，泄漏風險增加，降低含水量有利于減小其泄漏風險。該研究在分子水平上揭示了CO2在黏土中擴散的微觀機制，并提供了實驗上難以測量的擴散系數，為預測氣體運移、評估CO2泄漏風險提供了重要依據。