本文介绍了一项关于通过纳米流体处理增强沙特阿拉伯玄武岩二氧化碳（CO₂）捕集能力的研究，该研究由Muhammad Ali等人合作完成，并于2023年6月5日发表在《Chemosphere》期刊上。研究团队来自沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）和澳大利亚伊迪斯·科文大学（Edith Cowan University）。该研究旨在探索如何通过纳米流体处理改善玄武岩的CO₂地质封存能力，特别是针对有机酸污染对玄武岩CO₂润湿性的影响。

研究背景与目标

随着全球对实现碳中和目标的迫切需求，CO₂地质封存技术成为减少温室气体排放的重要手段之一。玄武岩因其丰富的矿物质成分和与CO₂的强反应性，被认为是一种极具潜力的CO₂封存介质。然而，玄武岩的润湿性（wettability）和有机酸污染对其CO₂封存能力的影响尚未得到充分研究。特别是，有机酸的存在会使玄武岩表面从亲水性（hydrophilic）转变为疏水性（hydrophobic），从而降低CO₂的捕集效率。因此，本研究旨在通过纳米流体处理逆转有机酸污染对玄武岩润湿性的影响，并评估其对CO₂封存能力的提升效果。

研究方法与流程

研究主要分为以下几个步骤：

1. 样品制备与表征
   研究从沙特阿拉伯红海沿岸的Harrat Rahat地区采集了玄武岩样品，并通过原子力显微镜（AFM）、能量色散光谱（EDS）、扫描电子显微镜（SEM）等技术对样品进行了表征。结果显示，纯玄武岩表面粗糙度为210 nm，孔隙半径为2.4 nm，比表面积为9.67 m²/g。

2. 有机酸老化处理
   玄武岩样品首先经过去离子水和超纯氮气清洗，随后在pH为4的盐水溶液中浸泡30分钟，以增强有机酸分子的吸附。接着，样品在1:5的癸烷/硬脂酸溶液中浸泡7天，模拟地质封存条件下玄武岩表面暴露于有机酸的环境。这一过程使玄武岩表面从亲水性转变为疏水性。

3. 纳米流体处理
   研究使用了不同浓度（0.05–0.75 wt%）的SiO₂纳米流体对有机酸老化的玄武岩进行处理。纳米流体通过超声均质化制备，并在323 K和大气压下浸泡样品7天。处理后，玄武岩表面的润湿性发生了显著变化。

4. 接触角测量
   通过倾斜板测角法（tilted plate goniometric method）测量了CO₂/盐水/玄武岩系统的接触角（θa和θr）。实验在323 K和不同压力（0.1–20 MPa）下进行，结果显示，纯玄武岩在所有压力下均保持亲水性，而有机酸老化的玄武岩在高压下变为CO₂润湿性（θa和θr显著增加）。经过纳米流体处理后，玄武岩的润湿性恢复为弱亲水性，其中0.1 wt%的SiO₂纳米流体效果最佳。

5. CO₂柱高度计算
   研究还计算了CO₂柱高度（column height），以评估纳米流体处理对CO₂封存能力的影响。结果显示，有机酸老化的玄武岩在20 MPa下的CO₂柱高度为-957 m，表明CO₂可能向上渗透并泄漏。而经过0.1 wt%纳米流体处理后，CO₂柱高度显著增加至6253 m，表明CO₂封存安全性大幅提升。

主要结果与讨论

研究结果表明，有机酸污染显著降低了玄武岩的CO₂封存能力，而SiO₂纳米流体处理能够有效逆转这一影响。具体而言： - 纯玄武岩在所有测试条件下均表现出亲水性，适合CO₂的残余和结构捕集。 - 有机酸老化的玄武岩在高压下变为CO₂润湿性，导致CO₂封存能力下降。 - 0.1 wt%的SiO₂纳米流体处理使玄武岩恢复为弱亲水性，显著提高了CO₂柱高度，表明CO₂封存安全性得到增强。

研究结论与意义

本研究通过实验证明，SiO₂纳米流体处理能够有效逆转有机酸污染对玄武岩润湿性的负面影响，从而显著提升其CO₂封存能力。这一发现为玄武岩作为CO₂地质封存介质的应用提供了重要支持，特别是在有机酸污染普遍存在的地质环境中。此外，研究还揭示了纳米流体浓度对润湿性逆转效果的影响，为未来优化CO₂封存技术提供了理论依据。

研究亮点

1. 重要发现：有机酸污染显著降低玄武岩的CO₂封存能力，而SiO₂纳米流体处理能够有效逆转这一影响。
2. 方法创新：研究首次系统评估了纳米流体处理对玄武岩CO₂润湿性的影响，并确定了最佳纳米流体浓度（0.1 wt%）。
3. 应用价值：研究结果为玄武岩CO₂地质封存技术的实际应用提供了重要参考，特别是在有机酸污染普遍存在的地质环境中。

其他有价值的内容

研究还通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）分析了纳米流体处理后的玄武岩表面，发现SiO₂纳米颗粒通过静电吸附牢固地附着在玄武岩表面，从而永久改变了其润湿性。这一发现为纳米流体在地质封存中的应用提供了新的视角。

本研究为CO₂地质封存技术的发展提供了重要的实验数据和理论支持，特别是在玄武岩作为封存介质的潜力评估和优化方面具有重要意义。