一种测定二氧化碳在模拟地质封存条件下的盐水中溶解度的方法

本发明涉及环境地球化学与环境保护，具体涉及一种测定二氧化碳在模拟地质封存条件下的盐水中溶解度的方法。

背景技术：

1、人类文明发展建立在对化石燃料大量消耗的基础上，在短期内仍以石油、煤炭和天然气为主的能源结构下，必将导致更多的二氧化碳(二氧化碳)排放。如何有效处理二氧化碳是目前世界级难题。目前温室气体的减排途径有四种：一是提高能源利用率或节约能源；二是积极开发并使用低碳或无碳类清洁燃料；，三是积极植树造林，四是将二氧化碳注入地下深部盐水层中以达到长期与大气隔绝的目的。在短期内，完全放弃使用以石油为基础的产品是一个几乎不可能实现的目标，仅靠能源效率也不足以缓解排放量的增加，土壤的粮食耕种性也限制了植树造林可运用面积。因此，捕获二氧化碳然后将其封存在地下深部盐水层中是应对全球变暖的最有前途的方法，也已被发现是经济可行的。

2、但是二氧化碳的地质封存一般选择位于地下800-3000m(31～98℃，7.38～30.48mpa)深部盐水层，地质环境复杂，不利于实地开展co2溶解度测定实验，而在实验室条件下模拟真实地质封存条件，准确测定co2在模拟地质封存条件下的溶解度，有助于帮助评估深部盐水层封存co2的潜力，从而选择最合适的深部盐水层。目前测定二氧化碳在深部盐水层中的溶解度方法主要有静态分析法与静态合成法：

3、(1)静态分析法：

4、将二氧化碳和盐水一起通入密闭的高压釜中并保持特定的温度、压力，待体系达到平衡后从高压釜中取样，并在常温常压下利用物理方法或仪器进行分析，以获得相关溶解度数据，但在取样过程容易破坏体系平衡。

5、(2)静态合成法：

6、将预先配置好的一定量的盐水通入高压釜中并加热到特定温度，后通入高压二氧化碳，待体系达到平衡后，通过测定反应前后二氧化碳的p-v-t参数，计算获得相关溶解度数据，但溶解度数据的一致性差，准确性方面存在较大误差。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种测定二氧化碳在模拟地质封存条件下的盐水中溶解度的方法，采用可视化的一端已熔融封闭的毛细管反应器，利用汞进行对可视化毛细管反应器进行密封，依次注入二氧化碳与盐水，利用温度与压力控制装置模拟地质封存条件，拉曼光谱仪原位测定二氧化碳在模拟地质盐水中的溶解度。本发明的方法解决了现有测定方法中需取样分析、破坏体系平衡和溶解度数据一致性差、误差大等问题。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种测定二氧化碳在模拟地质封存条件下的盐水中溶解度的方法，包括以下步骤：

4、1)毛细管反应器的一端开口、另一端封口，毛细管反应器封口的一端具有透明可视化的结构，利用微型注射器将汞柱注入毛细管反应器，利用毛细管离心机将汞柱离心至毛细管反应器的封口底端；

5、2)预先调配模拟地质封存条件下的模拟地质盐水，盐水的矿化度为1000-1100mg/l；先利用二氧化碳进气管将co2通入至毛细管反应器的封口底端的最内壁与汞柱两者界面之间，使汞柱被通入的二氧化碳外推，在汞柱的封口作用下构建得到一个储存co2的密闭空间；向所述密闭空间中通入一段盐水，使毛细管反应器中的co2能够充分溶解于盐水，得到封装有co2和盐水的毛细管反应器，并计算毛细管反应器中的co2均相溶解度；调控盐水在毛细管反应器中的注入体积或者调控co2的封装体积，获得一系列不同co2均相溶解度条件下的封装co2和盐水的毛细管反应器；

6、3)毛细管反应器的开口端与压力控制装置连接，同时将毛细管反应器置于控温装置的冷热台中，对步骤2)的每种毛细管反应器均进行同时升温、加压的控制，设置一系列不同模拟地质封存条件的温度与压力下的溶解混合实验，利用显微镜观测毛细管反应器中的co2和盐水在不同设定温度与压力条件下混溶相行为，观测溶解混合达到平衡后，利用拉曼光谱仪采集光谱图像的数据信息并将其传输到电脑上进行数据处理分析，得到不同模拟地质封存条件下co2-盐水拉曼峰强度比数据ir：

7、

8、其中ico2是指波段1385cm-1的co2费米尔双键的拉曼峰强，io-h是指波段3415cm-1的盐水o-h伸缩振动峰的拉曼峰强；

9、按照上述过程，针对不同模拟地质封存条件的温度与压力下，分别对一系列不同co2均相溶解度条件下的co2-盐水体系测量ico2/io-h，采用ico2/io-h进行二氧化碳溶解度数据的计算，获得不同模拟地质封存条件下的预测模型溶解度标准曲线；

10、4)当对不同模拟地质封存条件下进行co2在盐水中的溶解度进行测试时，重复步骤3)的过程测量ico2/io-h，代入相应模拟地质封存条件构建的预测模型溶解度标准曲线中，即可推算出co2溶解度数据。

11、本发明用于制作预测模型溶解度标准曲线的co2-盐水体系，可以是在co2能够充分溶解于盐水条件下构建均相体系。并利用制作的预测模型溶解度标准曲线，对过量的co2在盐水中的溶解度进行很好的测试，结果准确度较高。

12、进一步地，所述可视化的一端熔融封闭的毛细管反应器的制备步骤如下：截取一定长度的石英毛细管，用氢氧焰烧去其外表面的有机涂层形成透明可视管体，用氢氧焰外火焰将石英毛细管的一端焊封封闭，在光学显微镜下检查焊封效果。

13、进一步地，所述石英毛细管的内径为0.250～0.350mm，外径为0.500～0.665mm。

14、进一步地，步骤1)注入汞柱之后，还包括以下步骤：用二氧化碳进气管插入毛细管反应器，直至接近汞-空气表面，通入co2数分钟以排出空气。

15、进一步地，步骤2)中所述盐水中的盐成分是由nacl、kcl、cacl2、mgcl2、na2so4、nahco3按877.4mg±50mg、30.6mg±2mg、136mg±8mg、125mg±7mg、450mg±25mg、1422.6mg±80mg的质量比混合而成。

16、进一步地，步骤2)具体步骤为：

17、s1：通入co2时将二氧化碳进气管(外径150μm，内径75μm，长约18～24cm)一端与co2钢瓶连接，另一端插入毛细管反应器，将二氧化碳进气管穿过汞柱，直至到达毛细管反应器的封口底端的最内壁，再次通入co2，使汞柱被通入的二氧化碳外推，当毛细管反应器的封口端积累一定体积的co2，并将汞柱推离一定距离后，关闭co2钢瓶，取出二氧化碳进气管，之后用显微镜测量系统通过毛细管反应器的透明可视化结构对通入二氧化碳长度lco2准确测量；

18、s2：利用盐水注射器加入模拟地质盐水，盐水注射器插入毛细管反应器内的汞柱-co2界面，通入一段盐水柱，使盐水注入至所述密闭空间与co2混合，得到封装有co2-盐水的毛细管反应器。

19、更进一步地，步骤2)中计算毛细管反应器中的co2均相溶解度的步骤，操作过程如下：称量所述步骤s1中装有co2和汞柱的毛细管反应器的重量m1，以及测量步骤s2装有co2-盐水-汞柱的毛细管反应器的重量m2，得到注入的盐水的质量m溶液＝m1-m2，即可得到毛细管反应器中co2均相溶解度数据：

20、

21、其中，mco2是二氧化碳在盐水的均相溶解度数据，单位mol/kg；m溶液是盐水的注入质量，单位:g；lco2是毛细管反应器中二氧化碳的长度，单位mm；r是毛细管反应器的内径，单位mm；vm是气体摩尔体积，单位l/mol。

22、进一步地，对质量m1，m2均需要重复进行多次称重，取平均值。

23、进一步地，步骤3)中制作二氧化碳溶解度标准曲线时，不同模拟地质封存条件的温度范围是31～98℃，相对应的压力范围是7.38～30.48mpa，温度越高则与之相对应的压力值越大。

24、更进一步地，步骤3)中不同模拟地质封存的条件包括以下几组温度与压力的数据：温度31℃-压力7.38mpa，温度46℃-压力12.63mpa，温度61℃-压力17.88mpa，温度76℃-压力23.13mpa，温度91℃-压力28.38mpa。即是多组条件(31℃，7.38mpa)、(46℃，12.63mpa)、(61℃，17.88mpa)、(76℃，23.13mpa)、(91℃，28.38mpa)下分别进行co2-盐水拉曼峰强度比数据，进行二氧化碳溶解度数据的计算，制作多组条件下的预测模型溶解度标准曲线。

25、进一步地，所述设定的温度压力条件(31℃，7.38mpa)、(46℃，12.63mpa)、(61℃，17.88mpa)、(76℃，23.13mpa)、(91℃，28.38mpa)，分别对应的是模拟地质封存条件下地下800m，1300m，1800m，2300m，2800m深部盐水层温度压力条件。

26、进一步地，步骤1)中毛细管离心机设置转速2400～4000r/min，离心时间3～5min。

27、进一步地，所述事先调配的模拟地质封存条件下的盐水是由nacl、kcl、cacl2、mgcl2、na2so4、nahco3按877.4mg、30.6mg、136mg、125mg、450mg、1422.6mg比例混合溶于水配置1074.16mg/l的盐水。所模拟的地质盐水矿化度为1074.16mg/l，但适用矿化度不止于1074.16mg/l。

28、本发明调控温度、压力，模拟地质封存条件(31～98℃，7.38～30.48mpa)，通过显微镜监控汞封毛细管反应器中二氧化碳与盐水混溶相行为，拉曼光谱仪采集光谱图像数据信息并绘制预测模型溶解度标准曲线，将实际测量数据代入对应的标准溶解度曲线，计算二氧化碳在模拟地质封存条件下的盐水中的溶解度。本发明方法能测定在不同温度、压力的地质封存条件下，二氧化碳在不同盐水溶度、盐水组成中的溶解度，可视化毛细管反应器装置简单，进样量小，造价便宜，能有效解决现有测定方法需取样分析、破环体系平衡，样品溶解度一致性差、误差大等问题，有助于帮助快速测定真实地质封存条件下二氧化碳在盐水中的溶解度、评估真实地质区域封存二氧化碳的潜力，助力双碳目标实现

29、与现有技术相比较，本发明的有益效果：

30、1、本发明以可视化的一端已熔融封闭的毛细管反应器做温度压力平衡釜，装置简单，成本低，可视化，样品进样量小。

31、2、本发明利用拉曼光谱仪原位采集光谱信号的优势，在真实模拟地质条件下，不破坏反应体系整体的平衡，可多次测量二氧化碳在模拟地质盐水中的溶解度，保证了数据的准确性。