寻找二氧化碳捕集与封存自然钥匙——记中国地质大学教授毛世德

王 芳 于德萍

毛世德于桂林漓江开展野外考察

一块矿石的内部有什么？透过矿石，人们或许可以从里面发现气体、水、盐等成分，矿物在成长过程中将这些成分捕获并封存，便形成了流体包裹体。如果清楚了解流体包裹体的组成、压力、体积、温度等物理化学性质，便会得到“一把由自然通向人类社会运转的钥匙”。

试想一下，在国家提出“双碳”目标，大力提倡绿色经济的当下，如果能够将工厂等地排放的大量二氧化碳捕集并封存，是不是可以更快地实现绿色发展？对微观流体包裹体等地质流体的研究还对能源的开发、了解地质的演变起着重要推动作用。

多年来，中国地质大学（以下简称“地大”）教授毛世德坚持致力于地质流体热力学模型的建立及物理化学理论模型在地球化学中的应用研究，并在常见流体包裹体体系热力学性质的计算模拟、实验与应用等领域作出了一系列国际前沿性成果。随着研究的深入，他对那些坚硬、粗糙的矿石越发着迷，他清楚，在深埋矿石的深处，有他科研报国、为社会发展作贡献的梦想大道。

将军县里走出的科学家

在皖西边陲、大别山腹地，有一个县，名曰金寨县，也被人们称为将军县。在革命战争年代，那里曾有10万金寨儿女为国捐躯，并走出了59位开国将军，包括分别被毛主席称为“陕南王”和“游击专家”的陈先瑞中将和林维先中将等。因而这里也被誉为“红军的摇篮，将军的故乡”，而爱国的精神也像氧气一样流淌在这里的每一寸土地上。

毛世德从小生长在这片土地上，幼时，父母经常和他说长大以后要做个对国家有用的人。而自懂事起，他便将这句话记在了心里。不过当时在边远山区，并没有人能够指点他如何实现自己的梦想。高考结束后，他考入了安徽一所师范院校化学系，毕业后以“双优生”身份进入了家乡县城一所中专学校，从事教师工作。县城里的普通生活，日子一眼就能望到边，他希望自己能培养更多学生取得好的成绩，但同时又常常会感到不甘。他经常想起自己要为国家作贡献的志向，心里希望自己能够在更加前沿的地方为国家出更多的力，因此，他决定自学考研，走科研报国之路。

自此，校园里多了一位“不一样”的老师。彼时学校老师人手短缺，毛世德仅一人就先后承担了化学、物理、数学、英语、计算机等数门课程的教学工作。寻常老师在每天繁忙紧凑的课程结束之后，都会抓紧时间休息一下来补充体力，但毛世德是个例外，一天忙碌的教学工作下来，他还会抽出晚上的时间来学习自己买回的考研资料，一直到夜里12点左右。尽管学业沉重，但好在数年的教学经历早已让他在多门学科上打下了牢固的基础。刻苦带来的回报是他成功考上了成都理工大学地球化学专业，自此，他正式开始与地质研究结缘。

作为一门交叉学科，地球化学专业涉及的知识范围非常广泛，包括数学、物理、化学、计算机等，学习与研究的难度并不小。所幸，毛世德除了拥有扎实的学科基础之外，还拥有超强的执行力。在校期间，为了深入地掌握国际统一使用的编程语言，他自己买来相关的教程书，然后不分白天黑夜地跟书里的内容“死磕”，总结编程语言的思路和规则。最终，这门很多学生看来难如登天的课程，他两个月就吃透了。后来的事实也证明，娴熟的编程能力为他在科研工作中建立模型提供了莫大的帮助。

硕士毕业后，为了在科研学习上更上一层楼，他考入中国科学院地质与地球物理研究所地球化学专业，从事地质流体热力学性质的研究。从本科时期的化学专业到硕士阶段的地球化学专业，最后再到博士时期的地质流体，毛世德的研究范围在逐步收窄的同时，他对于专业内容及其应用的理解却在不断加深。他清楚意识到，在当下二氧化碳浓度不断升高导致温室效应加剧的形势下，若是想加快实现绿色发展，将二氧化碳气体封存在深部咸水层中不失为一种安全有效的处理方法。而要想实现这一目标，则要了解清楚地质流体封存条件下的热力学性质及动力学过程。为此，在博士时期，毛世德就开始进行二氧化碳、甲烷、氮气等气体在电解质水溶液中的溶解度模型和流体包裹体的PVTx性质等计算模拟的研究。整个博士阶段，他在相关领域的研究不断深入，除了发表3篇《科学引文索引》（SCI）论文外，还获得了中国科学院院长优秀奖等。埋首耕耘结硕果，毛世德意识到——多年埋于内心深处的科研报国的想法是时候该践行了。

苦心钻研终得硕果累累

任职中国地质大学后，毛世德聚焦地质流体热力学模型的建立及物理化学理论模型在地球化学中的应用，开展了深入的科学研究。地大作为入选我国“211”工程的重点院校，其前身是由北京大学、清华大学、天津大学、唐山铁道学院等校的地质、工程等科系合并组建的北京地质学院。当年在北京地质学院的首届开学典礼上，我国地质学家、原地质部部长李四光将其称为“新中国惊天动地的事业”。因此，地大在科研风格上务实不务虚，充分结合国家需求，注重成果的质量及实际应用效果。

地大深厚的科研底蕴和务实的研究态度，极大地推动了毛世德的科研工作。在学校的支持和多项国家自然科学基金项目的资助下，毛世德通过多年的研究，取得了一系列创新成果。比如，他通过开展国家自然科学基金面上项目“多组分气-水-盐体系的PVTx和气-液相平衡性质的理论模拟及其在流体包裹体中的应用”，带领团队开展了宽广温度、压力范围内常见多组分地质流体体系的理论研究。

毛世德（前排中）团队（9名研究生中有3名博士生和6名硕士生）

众所周知，油气是支撑我国社会向前发展的重要能源，而探明天然气流体混合物的PVTx和VLE性质，对于探讨油气来源、油气储运和油气开采具有重要的意义。不仅如此，相关研究还是油气包裹体研究中确定捕获温度与捕获压力的基础。由于实验数据的有限性，具有预测性的热力学状态方程越来越受到科研人员的青睐，并逐渐成为一个强有力的有效工具。通过深入探索，毛世德带领团队成员采用一种通用的具有良好外延性的Helmholtz自由能状态方程方法，成功预测了主要组分天然气流体混合物（CH4-C2H6-C3H8-CO2-N2）的PVTx和VLE性质。此外，在相关研究项目中，毛世德还开展了多组分电解质水溶液PVTx性质的模拟，并且建立了二氧化碳、氮气、氧气和氩气在多组分电解质溶液中溶解度模型。在开展多组分电解质水溶液PVTx性质的模拟过程中，他和团队首先建立了一个精确的关于二元Li2SO4-H2O、Na2SO4-H2O、K2SO4-H2O、MgSO4-H2O体系的PVTx模型，计算的结果与实验精度相近；然后结合一个简单的混合法则及先前的二元卤化物-水体系（LiCl-H2O、NaCl-H2O、KCl-H2O、MgCl2-H2O和CaCl2-H2O）的密度模型，提出了一个预测性的PVTx模型。模型可以用来计算无限稀表观摩尔体积及二氧化碳在混合电解质水溶液的体积或密度，对于推动深部咸水层二氧化碳的地质储存意义重大。

毛世德在多组分电解质溶液中溶解度模型的研究同样也可以服务于二氧化碳的地质储存。要知道，深部咸水层一直是二氧化碳地质捕获和封存的最佳选择之一，二氧化碳及不纯组分如氮气、氧气和氩气一起封存则可减少成本。由于咸水层主要包含Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-和SO42-离子，因此定量了解二氧化碳、氮气、氧气和氩气在深部咸水层中的溶解度显得非常必要。在研究过程中，毛世德基于Pitzer电解质活度系数理论和气相流体状态方程，提出了一个改进的溶解度模型，可以精确地计算二氧化碳、氮气、氧气和氩气在上述离子电解质溶液中的溶解度，与大量可靠的实验数据相比，平均溶解度误差为5%左右，在实验误差范围之内。这一模型有效的温度-压力-离子强度范围为273～450K，1～500bar，0～5mol·kg-1，因此可以应用于二氧化碳捕获与储存条件下咸水层中二氧化碳溶解度捕获量的计算。

毛世德（右二）在中国科技大学参加学术会议

当然，毛世德在地质流体领域的研究成果远不止这些。他还建立了石英在CO2-H2O-NaCl溶液中的溶解度模型，开展了关于H2S-H2O和H2S-H2ONaCl体系气液相平衡和PVTx性质预测的研究，并且还针对自然界中常见的气-水-盐体系，如CO2、H2O、CH4、CO2-H2O、CH4-H2O、CH4-CO2、NaCl-H2O、CO2-H2O-NaCl和CH4-H2O-NaCl，基于相变温度和（或）激光Raman数据，成功开发了一款流体包裹体计算软件——FICS2017。这一软件带有应用界面，考虑到了常见的二相和三相包裹体体系，以实验数据为输入变量，并结合了最新的热力学模型，让使用者可以获得相关流体包裹体体系的物理化学参数，为国内外同行提供了非常大的便利。

目前，大部分建立的模型已经得到了实际应用，在能源开采及储存、二氧化碳封存等领域发挥着有效作用，比如，其新建的状态方程就通过结合包裹体氢氧同位素分析，应用到了云南三江地区金顶和核桃坪等矿床的研究中，探讨了成矿温度与压力。研究搬下高阁，落到实处，是毛世德最想看到的。当然，最让他欣慰的是，自己所研发出的一系列成果，正是国家所需，这是他实现自己心中志向的最好证明。

为未来培育桃李

除科研工作之外，毛世德还一直肩负着本科生、硕士生和博士生的教学任务。在教学过程中，他延续了自己一贯以来务实的工作风格，尤其注重对学生科研道德及报国情怀的教导。对他而言，解决实际科学问题、揭示自然奥秘，以及满足国家需求应当是科研工作者的终极追求，毛世德希望自己的每一个学生都能在科研道路上走得更远，并且通过科研为国家作出贡献。他坚信，在一代又一代科研工作者前赴后继的努力下，国家一定会发展得越来越好。但实现这一想法的前提是，科研工作者必须遵守学术诚信，只有这样才能有真正的实力为国家发展献策出力。

在强调科研道德的同时，毛世德还注重提高学生的见识，为此，他参与编写了“十二五”国家级规划教材，在大量比较国内外教材的基础上，把国外优秀教材的内容引入国内教学，及时更新知识体系结构，改进教学内容，使之与国际同类课程同步，并在教学中将原理与应用紧密结合，使学生对专业内容有充分的学习。不仅如此，他还不断要求自己往更深的领域钻研，始终站在相关科研的前端，并将其传授给学生。他一直鼓励学生要相信自己，是金子在哪儿都能发光。

毛世德清楚，人才培育亦如雕琢玉器，需要时间来打磨，他也希望，随着自己日复一日、年复一年的用心传授，可以有越来越多的学生实现走向地球化学研究更深处的梦想。他会带领他们向领域里的卡脖子难题发起挑战，比如进一步研究如何通过建立模型来检验二氧化碳、水、岩石在相互作用的情况下能否形成碳酸盐岩；通过实验和模型进一步破解岩石的裂隙究竟能够储存多少二氧化碳等。他希望，在温室效应日益加剧的当下，通过自己和团队的努力，可以将更多的二氧化碳以安全有效的方式封存进大自然中。

回首来时路，无论是能源开采，还是二氧化碳封存，毛世德所有研究的初心只有一个——就是满足社会发展所需。他说，若要追溯这份初心是什么时候形成的，应当是在“将军县”里听长辈讲先烈的故事时便开始萌芽了。此后数十年，这株幼芽在他的人生中不断成长，直至枝繁叶茂，硕果满枝。如今，他也希望这样的梦想种子能够种在更多年轻人的心中，带大家一起去探寻和大自然和谐共存的奥秘。