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新知|二氧化碳的“捕捉”与“封存”

北极星大气网  来源:河北日报  作者:王璐丹  2021/5/6 9:16:10  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:碳中和 碳捕捉 二氧化碳

北极星大气网讯:今年,碳中和成为被频频提及的热词。

碳中和,是指国家、企业、产品、活动或个人,在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量,通过植树造林、节能减排等形式,自己抵消自己产生的排放量,实现正负抵消,达到相对“零排放”。

在众多碳中和技术路径中,有一个治理思路,因其可高效降低大气二氧化碳浓度的前景而格外引人注意,那就是碳捕捉

那么,排出去的二氧化碳,怎么能捕捉回来呢?

全球碳预算总额将在2045年耗尽

地球温度正在上升,极端天气、森林火灾、冰架垮塌等新闻层出不穷。遏制气候变暖成为国际社会迫在眉睫的问题。而二氧化碳作为最主要的温室气体,被认为是遏制气候变暖的突破点。

因此,碳中和概念应运而生。

“大家都知道,以石油、煤炭和天然气为代表的化石能源,是现代工业的基础,它们都是由古代生物的遗骸经历一系列复杂变化形成。”专家介绍,这些深藏地壳深处、花费成千上万年完成转化的富碳资源,在过去不到一百年的时间,被人类挖出、提炼、转化、焚烧……驱动人类文明走向物资繁盛,也成为二氧化碳的主要来源。

河北师范大学资源与环境科学学院教师张曼举例,比如手机,其生产过程会产生大约100千克的二氧化碳排放;汽车发动机每燃烧1升燃料,会向大气层释放约2.5千克的二氧化碳;生产1千克牛肉,会产生将近300千克的碳排放……

面对这一困境,2015年12月12日的巴黎气候变化大会上通过了《巴黎协定》。《巴黎协定》约定,各国的长期目标是将全球平均气温,较前工业化时期上升幅度控制在2℃以内,并尽力将其限制在1.5℃以内。以其目标上限2℃计算,全球碳排放允许的总量为1万亿吨。这是人类第一次清晰界定了环境承受的极限边界。

经过政府间气候变化专门委员会(ICPP)测算,自19世纪工业革命以来,全世界累积排放已超过6000亿吨,超过该预算总额的60%。根据当前的排放速度估算,若不采取强力干涉措施,全球碳预算总额将在2045年耗尽。

“碳预算超支,不仅意味着全球升温2℃导致的海平面上升,还标志着人类调控气候变化的彻底失败。”张曼说,随着两极冰川融化,升温速度越来越快,最终将会导致一场关乎人类存亡的灾难。

“从逻辑上讲,减少大气中的二氧化碳有两个努力方向。”张曼说,其一,减少输入,在最短时间内转变我们的能源获取方式,不再使用石油、煤炭、天然气等富碳燃料,减少人类活动产生的二氧化碳;其二,增加去路,尽最大可能提高环境和人工二氧化碳的固定能力,直接降低大气中的二氧化碳浓度。

方案一目前可谓困难重重。因此,提高环境和人工二氧化碳的固定能力的方案二,成为当前技术研发的热点。

“植物的光合作用让其具有了强大的固碳功能,但时效性慢,难以在短时间内遏制强劲的二氧化碳增加趋势。”因此,张曼表示,工程干预进行碳捕捉是固碳主要研究思路。

把二氧化碳封存在地下

碳捕集及储存,是一种收集二氧化碳,将它们运输至储存地点并长期封存的技术。专家介绍,简单来说,就是找个坑把二氧化碳埋了,不让它逃进大气层里捣乱。

但具体要在哪挖坑,怎么埋?

“其实埋二氧化碳也没什么特别的,埋地里、埋水里都可以,关键是坑要挖得深,埋要埋得严实。”张曼说,二氧化碳封存的方法一般说来可分为地质封存和矿物封存两类。

地质封存一般是将超临界状态(气态液态的混合体)的二氧化碳注入深层地质结构中进行封存。常见的适宜碳封存的地质结构包括油田、气田、咸水层、不可开采的煤矿等。

“地下深部咸水层因具有分布广泛、储存量大等特点而被视为二氧化碳长期封存的最优场地。然而,由于储层应力场改变以及存在的天然裂缝、断层等地质结构、构造,二氧化碳在封存过程中存在泄漏风险。”专家介绍。

基于此,对二氧化碳运移过程进行实时监测成为国际学界的一个热门课题。

2019年,中国科学院武汉岩土力学研究所科研人员在实验室利用岩芯驱替夹持器模拟超临界二氧化碳的稳定驱替过程。实验结果表明,岩芯表面动态应变响应与二氧化碳注入压力相关且保持线性增长关系。

“光纤布拉格光栅传感器是近年来发展起来的一种新型光纤传感器。”该研究负责人说,依据实验中的光纤布拉格光栅测量结果可知,这种监测技术可观测二氧化碳流体运移路径及相应前缘信息,因而可应用于二氧化碳封存现场渗漏监测。

对此,张曼表示,如果地质封存点经过谨慎的考察与精心的管理,确定没有泄露,注入地层中的二氧化碳可封存一千年以上。

与地质封存相似,矿物封存也需要把二氧化碳注入到地下。

张曼说,地质封存只是单纯的物理封存法,而矿物封存是通过一系列的化学反应(主要是CO2与含Mg和Ca的矿物发生的放热反应),在催化剂的辅助下,把气体二氧化碳转化成稳定的固体碳酸盐(主要是菱镁矿MgCO3和方解石CaCO3)。

事实上,二氧化碳转化成碳酸盐的现象在自然界中是普遍存在的。“比如我们常见的大理石和石灰岩就有很大一部分是这样形成的。”专家表示,这样的自然现象虽然存在,但化学反应非常缓慢,往往需要数百年甚至上千年的时间才能观测到显著的变化。

美国和欧盟的一些机构从2012年开始在冰岛实施名为“碳固定”的试点项目。冰岛有多座活火山,火山喷发形成的玄武岩广泛存在于地下,这种岩石的钙、镁、铁含量高,可与二氧化碳发生化学反应,生成固态的碳酸盐矿物质。

研究人员先把此前收取的二氧化碳与水混合,然后注入地下400米至800米深处的玄武岩层中。研究结果显示,所注入的二氧化碳含量的95%至98%在不到两年内便发生了钙化(即转化为固态碳酸盐)。

专家表示,固态碳酸盐矿物质没有泄漏风险,因而这种方式可以永久且对环境无害地封存二氧化碳。玄武岩是地球上最常见的岩石类型之一,在世界许多地方的大陆边缘地带广泛存在,因此有潜力用于大量封存二氧化碳。

二氧化碳再利用

把二氧化碳储存在地下只是选择之一。在2018年,加拿大和美国的科学家们描述了一个更有趣的解决方案。

他们认为,捕获的二氧化碳可以转化成其他分子,以制造燃料来储存由风力涡轮机或太阳能电池板产生的能量。

碳捕捉后进行能量开发,科学家最先考虑的是,采用太阳能模拟植物光合作用,将二氧化碳固定成燃料。结果发现,即便实现了这个反应,也只能算是对高品位能源的储能再释放,有些得不偿失。

直到热机工作原理的新认识出现,相关技术才有了突飞猛进的发展。

“以往热机工作都是通过燃料燃烧,加热腔室,获取密闭空间的气体膨胀,从而驱动热机运转。不难想到,加热不是热机工作的目的,而只是手段。”专家介绍,如果燃料原本就是极低温的,恢复到正常温度,也会产生巨大膨压,即便不燃烧,也能驱动热机运转。

二氧化碳恰是这样一种神奇物质。

“常压下,它以零下78.5℃超低温、固态干冰的形式存在;到了约10个大气压的环境中,又会变成液体流动,便于输送。”专家说,如果用干冰作为工作介质,就可以吸收环境中的热量,从而受热气化。如果这一过程被限制在一个封闭容器中,就可以得到数十个大气压的常温二氧化碳气体。理论上,这种高压、常温气体,完全可以推动气动机械做功。

根据这一理念,低温热机迅速诞生。碳捕捉完成后形成的干冰物质,作为驱动热机运转的燃料,气化后释放到空气中,之后再次被捕捉回来,从而保持一种人类活动与大气状态之间的平衡。

此外,将二氧化碳代替石油做化工原料也是一个绝妙的固碳方案。

“这种方法是把二氧化碳作为工业生产的原料使用。”专家说,当前绝大多数的人造材料、合成制品,都是石油化工的产物。也就是说,这些都源自地球上的动植物数亿年前收集的二氧化碳。

从理论上讲,以今天人类对物质的认识和改造水平,完全可以将捕捉到的二氧化碳用于制备当前从石油中衍生得到的化学品和材料。而技术的关键在于,改造的过程中,如何才能有效地控制成本。

可喜的是,截至目前,基于二氧化碳的产品开发技术,已经衍生出诸如建筑材料、化学品、塑料聚合物、碳纤维和碳材料等极具潜力的分支。

“比起焚烧产生的热量所带来的经济效益,二氧化碳巨大的潜在利用价值,才是真正的宝藏。碳捕捉技术,不仅正视二氧化碳排放的问题,还首次将二氧化碳作为一种资源加以重视。”张曼表示,未来,随着碳捕捉技术成熟,回收成本降低,利用捕捉的二氧化碳进行工业生产,将变得十分寻常。

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