셰일 가스의 효율적인 개발과 CO₂ 지질 저장이라는 이중 목표를 달성하기 위해 초임계 CO₂ (Sc-CO₂) 치환 기술이 좋은 응용 전망을 보여주고 있다. 그러나 현재 Sc-CO₂가 셰일 다공질 매질에서 CH₄를 치환하는 미시 메커니즘에 대한 체계적인 인식이 부족하며, 특히 공극 규모 차원에서의 물질 전달 메커니즘에 대한 이해가 충분하지 않다. 셰일 나노공극-기질 구조를 기반으로 2차원 공극 규모 모델을 구축하여 대류-확산-흡착 작용 하에서 Sc-CO₂ (온도 40 ℃, 압력 8 MPa)의 셰일 가스 치환 미시 프로세스 및 영향 요인을 체계적으로 연구하였다. 연구 결과는 다음과 같다: ① 공극 공간에서 Sc-CO₂는 대류-확산 작용을 통해 추진성 농도 전선을 형성하여 자유 CH₄를 효과적으로 치환한다. 기질 공간에서는 Sc-CO₂가 강한 흡착 친화력을 바탕으로 흡착 상태 CH₄를 점진적으로 대체하며, 흡착량은 “무흡착—증가—포화”의 3단계 특성을 나타내고, CH₄ 흡착량은 “포화 유지—탈착—제로화” 과정을 거친다. ② 확산 계수 (D_s)가 증가함에 따라 Sc-CO₂의 기질 내 흡착 작용이 강화되나 공극 내 대류-확산 작용은 약화되어 공극 내 Sc-CO₂ 농도가 감소하고 CH₄ 농도는 증가한다. ③ 전달 선택성 (sel)이 증가함에 따라 Sc-CO₂의 기질 내 흡착은 강화되나 공극 내 대류-확산 작용이 억제되어 Sc-CO₂ 농도 감소, 평형 시간 연장 현상이 나타나며 CH₄의 이동 거동은 sel의 영향을 적게 받는다. ④ 탈착 속도 상수 (k_d) 증가가 CH₄ 탈착을 현저히 촉진하며 공극 내 총 CH₄ 농도가 증가하는 반면, Sc-CO₂는 강한 흡착 작용으로 k_d 변화에 둔감하여 흡착량과 농도를 안정적으로 유지한다.

대류-확산-흡착;물질 전달;공극 규모 모사;나노 규모;초임계 이산화탄소 (Sc-CO₂);회수율 향상;셰일 가스