尋找二氧化碳捕集與封存自然鑰匙
——記中國地質(zhì)大學(xué)教授毛世德

王 芳 于德萍

毛世德于桂林漓江開展野外考察

一塊礦石的內(nèi)部有什么？透過礦石，人們或許可以從里面發(fā)現(xiàn)氣體、水、鹽等成分，礦物在成長過程中將這些成分捕獲并封存，便形成了流體包裹體。如果清楚了解流體包裹體的組成、壓力、體積、溫度等物理化學(xué)性質(zhì)，便會得到“一把由自然通向人類社會運(yùn)轉(zhuǎn)的鑰匙”。

試想一下，在國家提出“雙碳”目標(biāo)，大力提倡綠色經(jīng)濟(jì)的當(dāng)下，如果能夠?qū)⒐S等地排放的大量二氧化碳捕集并封存，是不是可以更快地實現(xiàn)綠色發(fā)展？對微觀流體包裹體等地質(zhì)流體的研究還對能源的開發(fā)、了解地質(zhì)的演變起著重要推動作用。

多年來，中國地質(zhì)大學(xué)（以下簡稱“地大”）教授毛世德堅持致力于地質(zhì)流體熱力學(xué)模型的建立及物理化學(xué)理論模型在地球化學(xué)中的應(yīng)用研究，并在常見流體包裹體體系熱力學(xué)性質(zhì)的計算模擬、實驗與應(yīng)用等領(lǐng)域作出了一系列國際前沿性成果。隨著研究的深入，他對那些堅硬、粗糙的礦石越發(fā)著迷，他清楚，在深埋礦石的深處，有他科研報國、為社會發(fā)展作貢獻(xiàn)的夢想大道。

將軍縣里走出的科學(xué)家

在皖西邊陲、大別山腹地，有一個縣，名曰金寨縣，也被人們稱為將軍縣。在革命戰(zhàn)爭年代，那里曾有10萬金寨兒女為國捐軀，并走出了59位開國將軍，包括分別被毛主席稱為“陜南王”和“游擊專家”的陳先瑞中將和林維先中將等。因而這里也被譽(yù)為“紅軍的搖籃，將軍的故鄉(xiāng)”，而愛國的精神也像氧氣一樣流淌在這里的每一寸土地上。

毛世德從小生長在這片土地上，幼時，父母經(jīng)常和他說長大以后要做個對國家有用的人。而自懂事起，他便將這句話記在了心里。不過當(dāng)時在邊遠(yuǎn)山區(qū)，并沒有人能夠指點他如何實現(xiàn)自己的夢想。高考結(jié)束后，他考入了安徽一所師范院校化學(xué)系，畢業(yè)后以“雙優(yōu)生”身份進(jìn)入了家鄉(xiāng)縣城一所中專學(xué)校，從事教師工作。縣城里的普通生活，日子一眼就能望到邊，他希望自己能培養(yǎng)更多學(xué)生取得好的成績，但同時又常常會感到不甘。他經(jīng)常想起自己要為國家作貢獻(xiàn)的志向，心里希望自己能夠在更加前沿的地方為國家出更多的力，因此，他決定自學(xué)考研，走科研報國之路。

自此，校園里多了一位“不一樣”的老師。彼時學(xué)校老師人手短缺，毛世德僅一人就先后承擔(dān)了化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、英語、計算機(jī)等數(shù)門課程的教學(xué)工作。尋常老師在每天繁忙緊湊的課程結(jié)束之后，都會抓緊時間休息一下來補(bǔ)充體力，但毛世德是個例外，一天忙碌的教學(xué)工作下來，他還會抽出晚上的時間來學(xué)習(xí)自己買回的考研資料，一直到夜里12點左右。盡管學(xué)業(yè)沉重，但好在數(shù)年的教學(xué)經(jīng)歷早已讓他在多門學(xué)科上打下了牢固的基礎(chǔ)。刻苦帶來的回報是他成功考上了成都理工大學(xué)地球化學(xué)專業(yè)，自此，他正式開始與地質(zhì)研究結(jié)緣。

作為一門交叉學(xué)科，地球化學(xué)專業(yè)涉及的知識范圍非常廣泛，包括數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、計算機(jī)等，學(xué)習(xí)與研究的難度并不小。所幸，毛世德除了擁有扎實的學(xué)科基礎(chǔ)之外，還擁有超強(qiáng)的執(zhí)行力。在校期間，為了深入地掌握國際統(tǒng)一使用的編程語言，他自己買來相關(guān)的教程書，然后不分白天黑夜地跟書里的內(nèi)容“死磕”，總結(jié)編程語言的思路和規(guī)則。最終，這門很多學(xué)生看來難如登天的課程，他兩個月就吃透了。后來的事實也證明，嫻熟的編程能力為他在科研工作中建立模型提供了莫大的幫助。

碩士畢業(yè)后，為了在科研學(xué)習(xí)上更上一層樓，他考入中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球化學(xué)專業(yè)，從事地質(zhì)流體熱力學(xué)性質(zhì)的研究。從本科時期的化學(xué)專業(yè)到碩士階段的地球化學(xué)專業(yè)，最后再到博士時期的地質(zhì)流體，毛世德的研究范圍在逐步收窄的同時，他對于專業(yè)內(nèi)容及其應(yīng)用的理解卻在不斷加深。他清楚意識到，在當(dāng)下二氧化碳濃度不斷升高導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇的形勢下，若是想加快實現(xiàn)綠色發(fā)展，將二氧化碳?xì)怏w封存在深部咸水層中不失為一種安全有效的處理方法。而要想實現(xiàn)這一目標(biāo)，則要了解清楚地質(zhì)流體封存條件下的熱力學(xué)性質(zhì)及動力學(xué)過程。為此，在博士時期，毛世德就開始進(jìn)行二氧化碳、甲烷、氮?dú)獾葰怏w在電解質(zhì)水溶液中的溶解度模型和流體包裹體的PVTx性質(zhì)等計算模擬的研究。整個博士階段，他在相關(guān)領(lǐng)域的研究不斷深入，除了發(fā)表3篇《科學(xué)引文索引》（SCI）論文外，還獲得了中國科學(xué)院院長優(yōu)秀獎等。埋首耕耘結(jié)碩果，毛世德意識到——多年埋于內(nèi)心深處的科研報國的想法是時候該踐行了。

苦心鉆研終得碩果累累

任職中國地質(zhì)大學(xué)后，毛世德聚焦地質(zhì)流體熱力學(xué)模型的建立及物理化學(xué)理論模型在地球化學(xué)中的應(yīng)用，開展了深入的科學(xué)研究。地大作為入選我國“211”工程的重點院校，其前身是由北京大學(xué)、清華大學(xué)、天津大學(xué)、唐山鐵道學(xué)院等校的地質(zhì)、工程等科系合并組建的北京地質(zhì)學(xué)院。當(dāng)年在北京地質(zhì)學(xué)院的首屆開學(xué)典禮上，我國地質(zhì)學(xué)家、原地質(zhì)部部長李四光將其稱為“新中國驚天動地的事業(yè)”。因此，地大在科研風(fēng)格上務(wù)實不務(wù)虛，充分結(jié)合國家需求，注重成果的質(zhì)量及實際應(yīng)用效果。

地大深厚的科研底蘊(yùn)和務(wù)實的研究態(tài)度，極大地推動了毛世德的科研工作。在學(xué)校的支持和多項國家自然科學(xué)基金項目的資助下，毛世德通過多年的研究，取得了一系列創(chuàng)新成果。比如，他通過開展國家自然科學(xué)基金面上項目“多組分氣-水-鹽體系的PVTx和氣-液相平衡性質(zhì)的理論模擬及其在流體包裹體中的應(yīng)用”，帶領(lǐng)團(tuán)隊開展了寬廣溫度、壓力范圍內(nèi)常見多組分地質(zhì)流體體系的理論研究。

毛世德（前排中）團(tuán)隊（9名研究生中有3名博士生和6名碩士生）

眾所周知，油氣是支撐我國社會向前發(fā)展的重要能源，而探明天然氣流體混合物的PVTx和VLE性質(zhì)，對于探討油氣來源、油氣儲運(yùn)和油氣開采具有重要的意義。不僅如此，相關(guān)研究還是油氣包裹體研究中確定捕獲溫度與捕獲壓力的基礎(chǔ)。由于實驗數(shù)據(jù)的有限性，具有預(yù)測性的熱力學(xué)狀態(tài)方程越來越受到科研人員的青睞，并逐漸成為一個強(qiáng)有力的有效工具。通過深入探索，毛世德帶領(lǐng)團(tuán)隊成員采用一種通用的具有良好外延性的Helmholtz自由能狀態(tài)方程方法，成功預(yù)測了主要組分天然氣流體混合物（CH4-C2H6-C3H8-CO2-N2）的PVTx和VLE性質(zhì)。此外，在相關(guān)研究項目中，毛世德還開展了多組分電解質(zhì)水溶液PVTx性質(zhì)的模擬，并且建立了二氧化碳、氮?dú)狻⒀鯕夂蜌鍤庠诙嘟M分電解質(zhì)溶液中溶解度模型。在開展多組分電解質(zhì)水溶液PVTx性質(zhì)的模擬過程中，他和團(tuán)隊首先建立了一個精確的關(guān)于二元Li2SO4-H2O、Na2SO4-H2O、K2SO4-H2O、MgSO4-H2O體系的PVTx模型，計算的結(jié)果與實驗精度相近；然后結(jié)合一個簡單的混合法則及先前的二元鹵化物-水體系（LiCl-H2O、NaCl-H2O、KCl-H2O、MgCl2-H2O和CaCl2-H2O）的密度模型，提出了一個預(yù)測性的PVTx模型。模型可以用來計算無限稀表觀摩爾體積及二氧化碳在混合電解質(zhì)水溶液的體積或密度，對于推動深部咸水層二氧化碳的地質(zhì)儲存意義重大。

毛世德在多組分電解質(zhì)溶液中溶解度模型的研究同樣也可以服務(wù)于二氧化碳的地質(zhì)儲存。要知道，深部咸水層一直是二氧化碳地質(zhì)捕獲和封存的最佳選擇之一，二氧化碳及不純組分如氮?dú)狻⒀鯕夂蜌鍤庖黄鸱獯鎰t可減少成本。由于咸水層主要包含Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+、Cl-和SO42-離子，因此定量了解二氧化碳、氮?dú)狻⒀鯕夂蜌鍤庠谏畈肯趟畬又械娜芙舛蕊@得非常必要。在研究過程中，毛世德基于Pitzer電解質(zhì)活度系數(shù)理論和氣相流體狀態(tài)方程，提出了一個改進(jìn)的溶解度模型，可以精確地計算二氧化碳、氮?dú)狻⒀鯕夂蜌鍤庠谏鲜鲭x子電解質(zhì)溶液中的溶解度，與大量可靠的實驗數(shù)據(jù)相比，平均溶解度誤差為5%左右，在實驗誤差范圍之內(nèi)。這一模型有效的溫度-壓力-離子強(qiáng)度范圍為273～450K，1～500bar，0～5mol·kg-1，因此可以應(yīng)用于二氧化碳捕獲與儲存條件下咸水層中二氧化碳溶解度捕獲量的計算。

毛世德（右二）在中國科技大學(xué)參加學(xué)術(shù)會議

當(dāng)然，毛世德在地質(zhì)流體領(lǐng)域的研究成果遠(yuǎn)不止這些。他還建立了石英在CO2-H2O-NaCl溶液中的溶解度模型，開展了關(guān)于H2S-H2O和H2S-H2ONaCl體系氣液相平衡和PVTx性質(zhì)預(yù)測的研究，并且還針對自然界中常見的氣-水-鹽體系，如CO2、H2O、CH4、CO2-H2O、CH4-H2O、CH4-CO2、NaCl-H2O、CO2-H2O-NaCl和CH4-H2O-NaCl，基于相變溫度和（或）激光Raman數(shù)據(jù)，成功開發(fā)了一款流體包裹體計算軟件——FICS2017。這一軟件帶有應(yīng)用界面，考慮到了常見的二相和三相包裹體體系，以實驗數(shù)據(jù)為輸入變量，并結(jié)合了最新的熱力學(xué)模型，讓使用者可以獲得相關(guān)流體包裹體體系的物理化學(xué)參數(shù)，為國內(nèi)外同行提供了非常大的便利。

目前，大部分建立的模型已經(jīng)得到了實際應(yīng)用，在能源開采及儲存、二氧化碳封存等領(lǐng)域發(fā)揮著有效作用，比如，其新建的狀態(tài)方程就通過結(jié)合包裹體氫氧同位素分析，應(yīng)用到了云南三江地區(qū)金頂和核桃坪等礦床的研究中，探討了成礦溫度與壓力。研究搬下高閣，落到實處，是毛世德最想看到的。當(dāng)然，最讓他欣慰的是，自己所研發(fā)出的一系列成果，正是國家所需，這是他實現(xiàn)自己心中志向的最好證明。

為未來培育桃李

除科研工作之外，毛世德還一直肩負(fù)著本科生、碩士生和博士生的教學(xué)任務(wù)。在教學(xué)過程中，他延續(xù)了自己一貫以來務(wù)實的工作風(fēng)格，尤其注重對學(xué)生科研道德及報國情懷的教導(dǎo)。對他而言，解決實際科學(xué)問題、揭示自然奧秘，以及滿足國家需求應(yīng)當(dāng)是科研工作者的終極追求，毛世德希望自己的每一個學(xué)生都能在科研道路上走得更遠(yuǎn)，并且通過科研為國家作出貢獻(xiàn)。他堅信，在一代又一代科研工作者前赴后繼的努力下，國家一定會發(fā)展得越來越好。但實現(xiàn)這一想法的前提是，科研工作者必須遵守學(xué)術(shù)誠信，只有這樣才能有真正的實力為國家發(fā)展獻(xiàn)策出力。

在強(qiáng)調(diào)科研道德的同時，毛世德還注重提高學(xué)生的見識，為此，他參與編寫了“十二五”國家級規(guī)劃教材，在大量比較國內(nèi)外教材的基礎(chǔ)上，把國外優(yōu)秀教材的內(nèi)容引入國內(nèi)教學(xué)，及時更新知識體系結(jié)構(gòu)，改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，使之與國際同類課程同步，并在教學(xué)中將原理與應(yīng)用緊密結(jié)合，使學(xué)生對專業(yè)內(nèi)容有充分的學(xué)習(xí)。不僅如此，他還不斷要求自己往更深的領(lǐng)域鉆研，始終站在相關(guān)科研的前端，并將其傳授給學(xué)生。他一直鼓勵學(xué)生要相信自己，是金子在哪兒都能發(fā)光。

毛世德清楚，人才培育亦如雕琢玉器，需要時間來打磨，他也希望，隨著自己日復(fù)一日、年復(fù)一年的用心傳授，可以有越來越多的學(xué)生實現(xiàn)走向地球化學(xué)研究更深處的夢想。他會帶領(lǐng)他們向領(lǐng)域里的卡脖子難題發(fā)起挑戰(zhàn)，比如進(jìn)一步研究如何通過建立模型來檢驗二氧化碳、水、巖石在相互作用的情況下能否形成碳酸鹽巖；通過實驗和模型進(jìn)一步破解巖石的裂隙究竟能夠儲存多少二氧化碳等。他希望，在溫室效應(yīng)日益加劇的當(dāng)下，通過自己和團(tuán)隊的努力，可以將更多的二氧化碳以安全有效的方式封存進(jìn)大自然中。

回首來時路，無論是能源開采，還是二氧化碳封存，毛世德所有研究的初心只有一個——就是滿足社會發(fā)展所需。他說，若要追溯這份初心是什么時候形成的，應(yīng)當(dāng)是在“將軍縣”里聽長輩講先烈的故事時便開始萌芽了。此后數(shù)十年，這株幼芽在他的人生中不斷成長，直至枝繁葉茂，碩果滿枝。如今，他也希望這樣的夢想種子能夠種在更多年輕人的心中，帶大家一起去探尋和大自然和諧共存的奧秘。