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抗二氧化碳腐蝕井筒水泥材料研究獲新進(jìn)展

2022-02-24 15:49:23 作者：腐蝕與防護(hù) 來源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

CO2捕集、利用與封存技術(shù)是現(xiàn)行最有效的CO2減排技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)的重要技術(shù)支撐。近日，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所的科研團(tuán)隊(duì)利用超臨界CO2對(duì)納米黏土材料進(jìn)行改性處理，發(fā)現(xiàn)改性納米黏土阻礙了CO2向水泥石內(nèi)部的侵入，并對(duì)溶解區(qū)域具有一定的修復(fù)作用，使得井筒水泥石耐久性得以提高。

據(jù)介紹，CO2注入井、監(jiān)測(cè)井等井筒的固井水泥在CO2腐蝕作用下的耐久性是保障CO2長(zhǎng)期有效封存的關(guān)鍵。因此，開發(fā)CO2注入和監(jiān)測(cè)井用水泥抗腐蝕劑，評(píng)價(jià)井筒水泥抗CO2腐蝕劑的性能，闡明抗CO2腐蝕作用機(jī)理，可有效提高井筒水泥耐久性，保障CO2注入井和監(jiān)測(cè)井長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行，具有重要的工程價(jià)值和研究意義。

基于上述需求，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所CO2地質(zhì)封存組研究團(tuán)隊(duì)利用超臨界CO2對(duì)納米黏土材料進(jìn)行改性處理，利用透射電鏡（TEM）與選區(qū)電子衍射（SAED）分析，獲得了改性納米黏土的微觀結(jié)構(gòu)與納米晶體物相；利用高溫高壓反應(yīng)釜模擬高濃度CO2腐蝕環(huán)境，對(duì)添加改性納米黏土材料的井筒水泥石和對(duì)照組腐蝕過程開展研究，并基于微米CT表征手段，提出了CT切片特征分析算法，通過統(tǒng)計(jì)分析大孔隙、水泥基質(zhì)和碳化層的分布概率，得到描述井筒水泥石腐蝕導(dǎo)致的大孔隙、水泥基質(zhì)和碳化層演變過程的平均化概率分布圖，進(jìn)而評(píng)價(jià)改性納米黏土提升井筒水泥石耐CO2腐蝕的性能。

抗CO2腐蝕納米黏土材料微觀形貌與晶體結(jié)構(gòu)

基于CT掃描的井筒水泥CO2腐蝕過程分析框架圖

井筒水泥對(duì)照組（MT）和改性組（MC）CO2腐蝕后大孔隙、水泥基質(zhì)、碳化層分布圖

抗CO2腐蝕納米黏土材料作用機(jī)理圖

研究結(jié)果表明，由于超臨界改性納米黏土材料的加入，井筒水泥石在長(zhǎng)期CO2腐蝕后其大孔隙的擴(kuò)展和水泥基質(zhì)的流失被控制；改性納米黏土阻礙了CO2向水泥石內(nèi)部的侵入，并對(duì)溶解區(qū)域具有一定的修復(fù)作用，使得井筒水泥石耐久性得以提高。

研究人員表示，為進(jìn)一步提高CO2利用效率、拓展其利用途徑，可利用超臨界CO2的獨(dú)特性質(zhì)，進(jìn)行新型超臨界CO2改性材料開發(fā)，為高附加值、多元化利用CO2提供新思路。

相關(guān)成果近期已發(fā)表于水泥和混凝土材料研究期刊Construction and Building Materials，上。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)、湖北省博士后創(chuàng)新研究崗位以及四川省科技項(xiàng)目的資助。

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