BGTECH推荐|武汉大学胡冉等:孔隙尺度屏蔽效应对石灰岩微流控中碳酸钙溶解速率的影响
- 2026-08-25 21:32:58
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文章链接：
https://doi.org/10.1016/j.bgtech.2025.100186
引用格式：
Zhang, Y., Hu, R., Zhou, C., Yang, Z. B., and Chen, Y. (2025). Pore-scale investigation of shielding effects on CaCO3 dissolution rate in limestone-based microfluidics. Biogeotechnics, 100186.
摘要介绍
碳酸盐矿物溶解与次生矿物沉淀的耦合过程广泛存在于二氧化碳地质封存、地下水污染修复及油气储层开发等地球化学工程中，不仅决定孔隙结构演化，还直接影响反应传输效率。然而，CaCO₃溶解与CaSO₄次生沉淀之间的相互作用机制，以及沉淀层对CaCO₃持续溶解速率的调控作用仍缺乏孔隙尺度上的直接证据。本研究基于天然石灰岩微流控芯片，结合原位流动可视化实验与SEM-EDS微观表征技术，在恒定pH条件下系统研究不同硫酸根浓度对CaCO₃溶解—CaSO₄沉淀耦合行为的影响。研究揭示了溶解主导与沉淀主导两种典型反应模式，明确了硫酸钙沉淀层由疏松多孔向致密连续结构演化过程中形成的"屏蔽效应"，能够显著降低CaCO₃反应表面积，使平均溶解速率降低近一个数量级。
研究背景与意义
矿物溶解-沉淀耦合过程是流体岩石相互作用中的关键控制机制，在CO₂地质封存、地下水修复及能源开发等工程领域发挥着重要作用。当酸性含硫酸根流体与石灰岩接触时，CaCO₃持续溶解释放Ca²⁺，随后Ca²⁺与SO₄²⁻结合生成石膏沉淀，形成复杂的溶解-沉淀耦合反应。已有研究主要关注该过程对渗透率及孔隙结构演化的影响，但对于CaCO₃持续溶解过程中，次生石膏沉淀如何改变反应界面、限制传质过程，并进一步反馈调控溶解速率，仍缺乏直接观测和定量分析。特别是在孔隙尺度上，沉淀层的形成方式、微观结构及其屏蔽作用尚未得到充分揭示。因此，本研究利用真实石灰岩微流控平台开展可视化实验，从孔隙尺度揭示硫酸根浓度对CaCO₃溶解与CaSO₄沉淀竞争关系的影响机制，阐明不同沉淀结构形成的物理化学过程，为理解复杂矿物反应动力学及提高反应传输模型预测精度提供理论基础。
研究方法
采用天然石灰岩制备准二维微流控芯片开展流动反应试验。在恒定流量、保持溶液pH不变的条件下，通过调节HCl、H₂SO₄及Na₂SO₄配比，设置0, 0.025, 0.05, 0.10及0.20 mol/L 5种硫酸根浓度，每组试验均重复一次，以研究不同SO₄²⁻浓度下矿物溶解—沉淀行为。
利用荧光显微镜结合高速CMOS相机连续记录裂隙内CaCO₃溶解、CO₂气泡生成及CaSO₄沉淀形成过程；
采用扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）对沉淀层微观形貌及矿物组成进行分析。同时，通过图像分割与后处理方法计算CaCO₃溶解体积及平均溶解速率，并结合石膏饱和指数（SI）定量评价沉淀层对溶解过程的影响。
研究结果
(1) 揭示两种典型溶解-沉淀耦合模式
实验结果表明，不同硫酸根浓度决定了CaCO₃溶解与CaSO₄沉淀之间的竞争关系。当SO₄²⁻浓度低于0.05 mol/L时，体系表现为溶解主导模式。此时形成的石膏沉淀层较为疏松、多孔，酸液能够持续穿透沉淀层到达石灰岩表面，使CaCO₃持续发生溶解反应。当SO₄²⁻浓度高于0.05 mol/L时，体系转变为沉淀主导模式。大量石膏在矿物表面快速沉积并形成连续致密覆盖层，阻断酸液进一步接触CaCO₃，使矿物溶解速率迅速下降。
(2) 屏蔽效应显著抑制CaCO₃溶解
SEM及EDS分析表明，不同硫酸根浓度下形成的石膏沉淀层具有明显不同的微观结构。低浓度条件下形成的石膏层孔隙丰富，能够维持H⁺向矿物表面的持续扩散，因此CaCO₃始终保持较高溶解速率。而高浓度条件下形成的石膏层则呈现致密连续结构，有效覆盖矿物表面，大幅减少反应界面面积，形成明显的屏蔽效应，最终导致CaCO₃几乎停止继续溶解。
(3) 建立平均溶解速率与饱和指数的定量关系
研究进一步建立了平均溶解速率与石膏饱和指数之间的定量关系：logRavg= −1.1SI − 4.23. 结果表明，随着体系过饱和程度增加，石膏沉淀不断增强，其形成的覆盖层持续削弱CaCO₃与酸液之间的接触，从而降低整体反应速率。该经验关系可为大尺度反应传输模拟提供矿物反应速率预测依据，并有助于提高CO₂地质封存、地下水修复等工程中流体-岩石耦合反应模拟的准确性。
图1. 试验流程示意图
图2. 不同硫酸根浓度(pH=1)条件下裂隙内矿物溶解—沉淀耦合过程的动态演化
图3. 实验后样品的 SEM-BSE 与 EDS 微观表征结果
图4. CaCO₃溶解速率演化及其与石膏饱和指数的关系
作者介绍
胡冉，武汉大学教授、博士生导师，国家青年科学基金A类项目（原国家杰出青年科学基金项目）和国家优秀青年基金获得者，现任水资源工程与调度全国重点实验室副主任。主要从事岩体多相渗流、渗流侵蚀以及库坝渗流等方面的教学与科研工作，自主研发了微观渗流可视化观测技术和设备，提出了多相渗流和渗流侵蚀模式的理论判别体系，研发了面向长期防渗安全的库坝渗流反馈分析平台。发表论文80余篇，出版专著1部，主编和参编团标3部，授权发明专利13项，中国大坝工程学会库坝渗流与控制专委会副秘书长、中国岩石力学与工程学会岩体物理数学模拟专委会副主任委员等。
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涵盖生物矿化菌群激发与培育、生物矿化机理与理论、生物岩土仿生原理与理论、植物岩土相互作用、生物岩土材料特性、生物固化岩土与地基工程特性与理论以及液化灾害防治、文物保护、沙漠修复、土壤/水污染治理、碳封层等领域的相关研究进展及工程实践成果，推动全球绿色生态建设，服务国家 “双碳”战略，世界范围内第一本专注于该领域的英文期刊。
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