中国报告大厅网讯，在全球碳中和目标加速推进的背景下，二氧化碳捕集、利用与封存技术已成为应对气候变化的关键路径。其中，基于水合物的碳封存技术因其相对温和的压力温度条件、高气体容量及长期稳定性等优势，正受到学术界与产业界的广泛关注。硅藻土作为一种天然的多孔硅质材料，其独特的中空结构和巨大的比表面积，为调控水合物生成过程提供了新的可能性。当前研究多集中于硅藻土对天然气水合物的促进作用，而针对CO2水合物体系的系统性研究仍显不足。深入探究硅藻土对CO2水合物生成动力学、形态演变及电化学敏感性的影响机制，不仅有助于揭示多孔介质中水合物形成的物理化学规律，更为优化海底碳封存选址、提升封存效率提供了重要的理论依据和技术参考。

  一、硅藻土实验体系构建：高纯度材料与可视化反应装置

  《2025-2030年中国硅藻土行业市场深度研究及发展前景投资可行性分析报告》指出，实验选取纯度大于99.5%的硅藻土配置饱和悬浮溶液，设计水合物的生成动力学、形态学及沉降行为的观察实验，以探究其对CO2水合物生成的影响。硅藻土的比表面积为98平方米/克，中值粒径为75微米，购自西亚化学科技(山东)有限公司。CO2气体纯度≥99.99%，购自常州市武进华阳气体有限公司。

  实验装置包括可视化多功能反应釜和液塑限联合测定仪。反应釜整体为不锈钢材质，最大工作压力为30兆帕，最低温度为-20℃，容积为1500毫升(外径为150毫米，内径为120毫米，深度为150毫米)。为满足不同角度补光和观察的需求，反应釜进行了四视窗设计，视窗采用蓝宝石镜片并通过螺栓连接端盖实现高压密封。反应釜内设置压力传感器(精度为0.1兆帕)和温度传感器(精度为0.1℃)，实时获得釜内的压力和温度变化情况，数据采集系统每隔0.5秒记录一次实验数据。

  利用电荷耦合器件高速相机和显微镜分别监测CO2水合物形成和分解过程的宏观和微观形态。液塑限联合测定仪包括圆锥仪、显示屏、控制开关等，圆锥仪质量为76克，锥角为30°，用于测定硅藻土的界限含水率，计算电化学敏感性以阐明细粒材料的电化学敏感性对水合物形成的影响机理。

  实验设置初始压力为4.0兆帕，初始温度为7.0℃，利用去离子水、2摩尔/升盐水、煤油这3种流体中的液限来计算硅藻土的电化学敏感性指数。实验分为两部分：在反应釜中进行CO2水合物的生成和分解实验;对硅藻土颗粒进行液塑限实验，获得其电化学敏感性指数。

  二、硅藻土对水合物生成动力学的影响：诱导时间与温压特性

  实验选取去离子水体系作为对照组，与硅藻土体系中水合物的生成和分解行为进行对比。实验初始温度为7.0℃，根据CO2水合物的相平衡条件得出此时压力为2.8兆帕，实验初始压力为4.0兆帕，提供了1.2兆帕的初始相对驱动力。

  水合物成核是一个放热过程，因此成核过程伴随着温度上升和压力骤降。通常水合物成核还会伴随着首个可视水合物颗粒的出现，因为实验出现温度峰值的时间均迟于首个可视水合物颗粒出现的时间，因此将观察到首个可视水合物颗粒出现的时间视为诱导成核时间。

  对照组设置相同的初始条件，去离子水的诱导成核时间仅为75秒，硅藻土的诱导成核时间是去离子水组的7.87倍(590秒)。反应釜中出现明显水合物时硅藻土所需的温度比去离子水体系更低。硅藻土表面通常带有负电荷，但在酸性条件下，硅藻土颗粒表面的羟基被质子化，从而导致硅藻土颗粒表面电荷转变为正电荷。

  由于表面电荷的相互作用使得硅藻土在水中具有相对较高的分散性和吸附性，硅藻土表面的电荷与水中的离子相互作用，同时也降低了水的活度，与去离子水体系相比抑制了水合物前期的生成，因此水合物成核需要更长的诱导时间和更低的温度。硅藻土是海洋沉积物的重要组成部分，硅藻土内部独特的多孔隙空间结构相对于黏土颗粒更有利于促进水合物的形成，其颗粒直径较小，仅为75微米，但其较大的比表面积可以提供更多的成核位点和气液接触面积，因此一定程度上也可以促进水合物的生成。

  水合物完全生成的时间取决于反应釜容器的压力随时间的变化速率。硅藻土中水合物完全生成的时间(3240秒)小于去离子水组(3600秒)，且反应完全结束时硅藻土比去离子水组的温度条件更加温和，即温度比去离子水组高0.8℃。当压力小于3.8兆帕时，硅藻土对水合物生成的促进作用逐渐明显，使水合物在硅藻土体系中的完全生成时间比去离子水体系中缩短了10%，温度上升了0.8℃。

  三、硅藻土对气体吸收与转化率的影响：传质障碍与消耗差异

  硅藻土体系中的总消耗气体物质的量和水-水合物的转化率数据显示：去离子水组总消耗气体物质的量为0.62摩尔，水-水合物转化率为10.35%;硅藻土组总消耗气体物质的量为0.30摩尔，水-水合物转化率为4.91%。

  去离子水体系在消耗气体物质的量和转化率方面的优势比较明显，去离子水组消耗气体物质的量和转化率几乎均为硅藻土的2倍。这可能是由于硅藻土在水中发生了快速沉降，形成了较为密实的硅藻土层，在后期的反应过程中导致CO2难以继续扩散进入硅藻土中，造成了传质阻碍，因此导致硅藻土中消耗气体物质的量和转化率偏小。

  相反，去离子水体系中可以溶解更多的CO2气体，增加气体和液体的接触面积，促进水合物的生成，同时也会消耗更多的水转化为水合物。硅藻土的沉降行为致使传质困难，因此水合物的转化率仅为4.91%，视窗中的水合物面积占比为59.04%，硅藻土体系消耗气体的物质的量与去离子水体系消耗气体的物质的量之比为48.39%。

  四、硅藻土体系中水合物形态演变：气液界面与表面张力作用

  为确定硅藻土颗粒对水合物生长形态演变的影响，在压力为3.5～4.0兆帕时，对去离子水和硅藻土体系水合物生成过程中的形态演变及ImageJ软件占比进行分析。

  去离子水体系和硅藻土体系设置相同的初始条件，即压力为4.0兆帕，温度为7.0℃。去离子水体系首先在气液接触界面出现水合物薄膜，然后水沿反应釜壁向上迁移，水合物沿着反应釜容器壁生长，最终进入气相和水相。主要原因是当反应釜内的初始温度低于水合物相平衡温度时，CO2水合物优先在水相与CO2气相的交界面处形成一层水合物薄膜，随着CO2气体扩散，水合物薄膜逐渐变厚并趋于稳定状态，直到大量水合物生成时冲破水合物薄膜改变其稳定状态。

  在硅藻土体系中，可以观察到硅藻土与水迅速发生分层，大量硅藻土沉积至底部。由于硅藻土是非黏性土，吸水现象不明显，虽然表面带有电荷，但由于颗粒的重力作用大于颗粒间的相互作用力，所以发生了快速沉降。水合物首先在上方悬浮液和气体的接触界面处以气泡状呈现，然后在硅藻土颗粒的悬浮液中以气泡状向下延伸，逐渐形成密实的乳白色块状水合物。

  在实验中都明显观察到CO2的上方也形成了水合物，一般情况下水合物是不会在液态CO2中进行生长的，但是在特定情况下，当固态水合物优先形成时，液态水和固态水合物之间存在表面张力，在表面张力的牵引作用下，液态水沿反应釜侧壁和固态水合物表面向上迁移，从而形成了新的气液接触界面，导致在CO2上方也形成了水合物。

  硅藻土行业分析指出，ImageJ软件计算分析的可视窗截面内去离子水和硅藻土体系中水合物的面积占比显示：去离子水组在6.5℃时水合物面积1.34平方厘米(占比13.93%)，4.5℃时5.68平方厘米(占比59.04%)，3.0℃时6.64平方厘米(占比69.02%);硅藻土组在6.5℃时水合物面积0(占比0)，4.5℃时2.46平方厘米(占比25.57%)，3.0℃时2.73平方厘米(占比28.38%)。

  去离子水体系中水合物的生成速率和最终的水合物面积明显大于硅藻土体系的，这是由于硅藻颗粒表面电荷与水分子的相互作用降低了水的活度引发了后期传质障碍。

  五、硅藻土电化学敏感性分析：孔隙流体化学响应机制

  通过界限含水率的实验，探究硅藻土的电化学敏感性对水合物生成的影响。选取去离子水、2摩尔/升盐水以及煤油作为孔隙流体，分别测量出3种孔隙流体中硅藻土的液限和塑限，进一步计算电化学敏感性。