AG精选 | 矿物反应比表面积的变化对矿物反应和反应速率模拟结果的影响

Original AG期刊 AG应用地球化学 2022-06-18

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导言

一个常常被审稿人当成保留曲目的经典问题：“你的体系矿物初始比表面积是否能代表整个反应，对结论影响如何？” 本文尝试给出一个定量的回答。作者是美国该领域的Rising Star，获得NSF CAREER Award，刚刚也入选Applied Geochemistry的Emerging Investigator Series。她的论文咱们以中文先推为敬，随后会有对她本人的英文采访内容在国际上发布。

第一作者：Fanqi Qin

通讯作者：Lauren E. Beckingham

通讯单位：奥本大学土木与环境工程系（Department of Civil and Environmental Engineering, Auburn University）

Cite this paper：Qin F. and Beckingham L. E. “The impact of mineral reactive surfacearea variation on simulated mineral reactions and reaction rates.”

https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2020.104852

Special Issue: Applied geochemistry inporous media: Interplay of chemical reactions, physical alteration, and flowphenomena

作者简介

Lauren Beckingham是奥本大学的助理教授，曾获得了密西根理工大学环境工程学士学位，普林斯顿大学硕士和博士学位。她的研究兴趣包括在多孔介质中矿物反应和反应速率的变化、动态多孔介质多尺度成像、在反应多孔介质中孔隙度和渗透性的演变、地下能源系统（压缩能量存储，二氧化碳地质封存，提高采油率，水力压裂）、多尺度反应运移。Lauren Beckingham助理教授获得美国国家科学基金会（NSF）CAREER Award，美国国家科学基金会（NSF）重大研究仪器奖。

成果简介

近日奥本大学的Lauren E. Beckingham在学术期刊Applied Geochemistry期刊上发表了题为 “The impact of mineral reactive surface area variation on simulatedmineral reactions and reaction rates.”的研究论文。

反应运移模型是模拟多孔介质中复杂的地球化学反应的必要工具，模型参数的不确定性，尤其是矿物比表面积的不确定性，是影响模拟反应的重要因素。不同比表面积对模拟结果的影响主要取决于矿物的反应速率和反应时间。研究人员应该根据模拟目的合理选择比表面积的计算方法，在获得准确模拟结果的同时提高效率、降低成本。

全文速览

本文通过采用不同分辨率图像计算得到的比表面积、BET比表面积和几何比表面积进行矿物溶解和沉淀过程的数值模拟，比较不同比表面积取值时矿物体积分数、pH值、孔隙度和溶液离子浓度的变化。采用不同图像分辨率计算得到的矿物比表面积变化较小，模拟所得矿物反应速率变化较小；由其他方法计算的比表面积相差几个数量级，模拟结果差别较大。对于反应速率快的矿物，比表面积的不同主要影响短时间（时、天）的模拟结果；对于反应速率较慢的矿物，比表面积的差异主要影响长时间（年）的模拟结果。

引言速递

反应运移模型（reactive transport model）被广泛应用于模拟发生在地表或地下的地球化学反应，例如研究污染物在多孔介质中的运移、吸附和降解过程，以及评估由CO₂引起的溶解沉淀以及CO₂储层孔隙度和渗透性的改变。

然而，使用反应运移模型模拟矿物反应速率存在以下问题：反应的复杂性、模型参数的不确定性，除此之外，矿物的孔隙度、渗透性和反应比表面积也会影响模型结果。通常采用过渡态理论（TST Theory）估算主要矿物反应速率，困难在于估算矿物的成核和生长、高温高压非理想条件下的速率常数和矿物反应比表面积等参数。这些参数的变化将会导致模拟结果的差异。估算的速率常数值的差异通常在一个数量级以内，然而文献中矿物的比表面积会相差几个数量级。

比表面积一般通过BET吸附法测量或用几何近似法估算。近年来，图像和图像分析成为量化矿物比表面积的新方法。然而，获得高分辨率图像和图像处理是耗时的、高成本的。本文采用不同分辨率成像得到的比表面积和传统方法得到的矿物比表面积数据模拟矿物反应和反应速率的变化。比较不同模拟结果中矿物体积分数、主要离子浓度、pH值和孔隙度的变化。

全文小结

在反应运移模型中分别采用图像分析法、文献中BET测量值和几何近似法得到的比表面积模拟CO₂饱和盐水与矿物反应在储层条件下随时间的变化，观察模拟结果中矿物体积分数、离子浓度和孔隙度等参数的变化，得出以下结论。

1. 本文研究揭示由图像分辨率的差异导致比表面积的取值变化较小（小于1个数量级），这个变化对短期和长期矿物组分变化和离子浓度变化的数值模拟结果几乎没有影响，对长期孔隙率变化的数值模拟结果有小幅影响。

2. 比表面积取值对矿物反应和反应速率的影响程度取决于矿物反应速率和时间尺度。对于反应速率较大的矿物，例如方解石和菱铁矿，比表面积的差异对矿物组分变化的短期模拟结果产生很大的影响，然而比表面积的差异对长期模拟结果的影响很小。对于反应速率较低的矿物，例如钾长石和白云母，尽管比表面积的差异对短时间模拟结果影响很小，在长期模拟结果中矿物体积分数的模拟结果将会产生很大差异。

3. 对于反应速率较大的矿物长期模拟和反应速率较小的矿物短期模拟，采用图像分析获得的比表面积和其他方法计算的比表面积进行模拟得到的结果相近。但是对于反应速率较大的矿物短期模拟和反应速率较小的矿物长期模拟，采用不同的比表面积分析方法对矿物反应速率和孔隙度的数值模拟结果会产生很大的影响。总体而言，图像分析法获得的矿物比表面积的可靠度较几何近似法和BET测量法高。

本期撰稿志愿者：

张力为

中科院武汉岩土力学研究所

研究员

张力为，中国科学院武汉岩土力学研究所研究员。主要从事二氧化碳地质利用与封存的地球化学研究。研究方向有：高浓度CO2腐蚀水泥石机理及腐蚀过程表征、抗CO2腐蚀水泥基材料研发及抗蚀机理研究、碳化反应过程对多孔介质中流体流动的影响、矿物溶解与沉淀过程数值模拟等。

刘思楠，中国科学院武汉岩土力学研究所硕士研究生，主要研究方向为二氧化碳地质利用与封存的地球化学反应过程数值模拟。

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