二氧化碳在黏土中居然可以扩散？

　　二氧化碳（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。黏土是一种致密富含微孔的矿物，地下富含黏土的岩层一方面可吸附大量的CO2，实现CO2封存，另一方面由于含有黏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在黏土中的运移特性对评估CO2的泄漏风险具有重要意义。

　　近日，中国科学院武汉岩土力学研究所副研究员胡海翔首次采用分子动力学研究了CO2在黏土层间孔隙中各种扩散系数，尤其是M-S和Fick扩散系数随地质条件（压力、含水量、温度）的演化。该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，相关成果发表在《科学报告》上。

　　胡海翔表示，由于黏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，且黏土的微孔主要以分子层间微孔，难以通过实验直接测量。

　　研究发现，与通常自扩散系数随浓度（压力）增加单调减小不同，受黏土自由体积的影响，CO2自扩散系数随CO2压力先增后减。CO2的M-S和Fick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，研究人员提出了表征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，与黏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，泄漏风险增加，降低含水量有利于减小其泄漏风险。该研究在分子水平上揭示了CO2在黏土中扩散的微观机制，并提供了实验上难以测量的扩散系数，为预测气体运移、评估CO2泄漏风险提供了重要依据。