將二氧化碳（CO₂）注入深部咸水層、油氣藏、煤層等地質(zhì)體進(jìn)行長(zhǎng)期安全存儲(chǔ)和隔離，是近期和中期最有希望的減少CO₂排放到大氣中的解決方案之一。在CO₂注入咸水層的過程中，儲(chǔ)層巖石的潤(rùn)濕性是影響CO₂地質(zhì)封存的一個(gè)重要因素。目前，通過實(shí)驗(yàn)基本可以確定水滴在砂巖表面的潤(rùn)濕角與其影響因素的關(guān)系，但是在不同測(cè)試環(huán)境、溫度或者離子濃度等條件下，潤(rùn)濕行為變化情況一般很難在實(shí)驗(yàn)中觀察到，而且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象背后的作用機(jī)理也難直接有效的進(jìn)行解釋。分子動(dòng)力學(xué)模擬方法可以規(guī)避實(shí)驗(yàn)過程中的多因素問題，表征不同因素對(duì)潤(rùn)濕性的影響。同時(shí)，分子動(dòng)力學(xué)模擬可以觀察和檢測(cè)液滴在巖石表面的微觀構(gòu)型及其潤(rùn)濕行為，并且對(duì)其行為特征進(jìn)行解釋。

　　在CO₂注入咸水層的過程中，大部分研究忽略了地層水礦化度對(duì)巖石潤(rùn)濕性的影響。針對(duì)這一問題，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所二氧化碳地質(zhì)封存研究團(tuán)隊(duì)以地層水-砂巖體系為例，采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)不同礦化度地層水在砂巖表面的潤(rùn)濕行為開展了系統(tǒng)的研究。首先，利用體系平衡構(gòu)型分析體系中陰陽離子分布特征、離子水化作用及陰陽離子間締合作用，從而闡明離子對(duì)水滴在砂巖表面潤(rùn)濕影響機(jī)制；其次，通過計(jì)算離子與水分子間的平均作用勢(shì)、鹽水體系粒子間的內(nèi)聚能密度變化及水分子間氫鍵數(shù)變化來綜合評(píng)價(jià)礦化度對(duì)水滴在砂巖表面潤(rùn)濕性影響。結(jié)果表明，隨著鹽水濃度的增加，砂巖表面對(duì)水的潤(rùn)濕角增大，親水性減弱，逐步向中性潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變。當(dāng)鹽水質(zhì)量濃度高于15%后，由于離子與離子、離子與砂巖表面及離子與水分子之間的相互作用，導(dǎo)致雙電層中Na⁺和Cl-逐步減少，Na⁺和Cl-呈現(xiàn)一定的濃度梯度擴(kuò)散到體相中。通過離子與水分子之間的平均作用勢(shì)驗(yàn)證了液滴中水分子傾向于在離子周圍聚集。溶液中陰陽離子主要以接觸離子對(duì)和溶劑分離離子對(duì)的形式存在，并形成一定程度的離子對(duì)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步提高了水合離子的聚集能力，從而使水分子聚集能力越來越強(qiáng)，降低了水在砂巖表面的潤(rùn)濕能力。

　　本研究成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金（資助號(hào)：41872210和41274111）、巖土力學(xué)與巖土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（資助號(hào)：Z018004）的共同資助。相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表在兩相流領(lǐng)域?qū)W術(shù)期刊Colloids and Surfaces A。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.127807

圖1 離子對(duì)水在砂巖表面潤(rùn)濕性行為的影響特征

圖2 不同鹽水濃度下Na-Ow與Cl-Hw間的平均作用勢(shì)

圖3 兩種締合離子對(duì)的微觀構(gòu)型：a~d分別為鹽水濃度為10%，15%，20%，25%的平衡構(gòu)象圖

（文/圖 二氧化碳地質(zhì)封存組）