新知｜二氧化碳的“捕捉”與“封存”

清潔能源有助於減排二氧化碳。新華社發

今年，碳中和成為被頻頻提及的熱詞。

碳中和，是指國家、企業、產品、活動或個人，在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，透過植樹造林、節能減排等形式，自己抵消自己產生的排放量，實現正負抵消，達到相對“零排放”。

在眾多碳中和技術路徑中，有一個治理思路，因其可高效降低大氣二氧化碳濃度的前景而格外引人注意，那就是碳捕捉。

那麼，排出去的二氧化碳，怎麼能捕捉回來呢？

全球碳預算總額將在2045年耗盡

地球溫度正在上升，極端天氣、森林火災、冰架垮塌等新聞層出不窮。遏制氣候變暖成為國際社會迫在眉睫的問題。而二氧化碳作為最主要的溫室氣體，被認為是遏制氣候變暖的突破點。

因此，碳中和概念應運而生。

“大家都知道，以石油、煤炭和天然氣為代表的化石能源，是現代工業的基礎，它們都是由古代生物的遺骸經歷一系列複雜變化形成。”專家介紹，這些深藏地殼深處、花費成千上萬年完成轉化的富碳資源，在過去不到一百年的時間，被人類挖出、提煉、轉化、焚燒……驅動人類文明走向物資繁盛，也成為二氧化碳的主要來源。

河北師範大學資源與環境科學學院教師張曼舉例，比如手機，其生產過程會產生大約100千克的二氧化碳排放；汽車發動機每燃燒1升燃料，會向大氣層釋放約2.5千克的二氧化碳；生產1千克牛肉，會產生將近300千克的碳排放……

面對這一困境，2015年12月12日的巴黎氣候變化大會上通過了《巴黎協定》。《巴黎協定》約定，各國的長期目標是將全球平均氣溫，較前工業化時期上升幅度控制在2℃以內，並盡力將其限制在1.5℃以內。以其目標上限2℃計算，全球碳排放允許的總量為1萬億噸。這是人類第一次清晰界定了環境承受的極限邊界。

經過政府間氣候變化專門委員會（ICPP）測算，自19世紀工業革命以來，全世界累積排放已超過6000億噸，超過該預算總額的60%。根據當前的排放速度估算，若不採取強力干涉措施，全球碳預算總額將在2045年耗盡。

“碳預算超支，不僅意味著全球升溫2℃導致的海平面上升，還標誌著人類調控氣候變化的徹底失敗。”張曼說，隨著兩極冰川融化，升溫速度越來越快，最終將會導致一場關乎人類存亡的災難。

“從邏輯上講，減少大氣中的二氧化碳有兩個努力方向。”張曼說，其一，減少輸入，在最短時間內轉變我們的能源獲取方式，不再使用石油、煤炭、天然氣等富碳燃料，減少人類活動產生的二氧化碳；其二，增加去路，盡最大可能提高環境和人工二氧化碳的固定能力，直接降低大氣中的二氧化碳濃度。

方案一目前可謂困難重重。因此，提高環境和人工二氧化碳的固定能力的方案二，成為當前技術研發的熱點。

“植物的光合作用讓其具有了強大的固碳功能，但時效性慢，難以在短時間內遏制強勁的二氧化碳增加趨勢。”因此，張曼表示，工程干預進行碳捕捉是固碳主要研究思路。

把二氧化碳封存在地下

碳捕集及儲存，是一種收集二氧化碳，將它們運輸至儲存地點並長期封存的技術。專家介紹，簡單來說，就是找個坑把二氧化碳埋了，不讓它逃進大氣層裡搗亂。

但具體要在哪挖坑，怎麼埋？

“其實埋二氧化碳也沒什麼特別的，埋地裡、埋水裡都可以，關鍵是坑要挖得深，埋要埋得嚴實。”張曼說，二氧化碳封存的方法一般說來可分為地質封存和礦物封存兩類。

地質封存一般是將超臨界狀態（氣態液態的混合體）的二氧化碳注入深層地質結構中進行封存。常見的適宜碳封存的地質結構包括油田、氣田、鹹水層、不可開採的煤礦等。

“地下深部鹹水層因具有分佈廣泛、儲存量大等特點而被視為二氧化碳長期封存的最優場地。然而，由於儲層應力場改變以及存在的天然裂縫、斷層等地質結構、構造，二氧化碳在封存過程中存在洩漏風險。”專家介紹。

基於此，對二氧化碳運移過程進行實時監測成為國際學界的一個熱門課題。

2019年，中國科學院武漢岩土力學研究所科研人員在實驗室利用巖芯驅替夾持器模擬超臨界二氧化碳的穩定驅替過程。實驗結果表明，巖芯表面動態應變響應與二氧化碳注入壓力相關且保持線性增長關係。

“光纖布拉格光柵感測器是近年來發展起來的一種新型光纖感測器。”該研究負責人說，依據實驗中的光纖布拉格光柵測量結果可知，這種監測技術可觀測二氧化碳流體運移路徑及相應前緣資訊，因而可應用於二氧化碳封存現場滲漏監測。

對此，張曼表示，如果地質封存點經過謹慎的考察與精心的管理，確定沒有洩露，注入地層中的二氧化碳可封存一千年以上。

與地質封存相似，礦物封存也需要把二氧化碳注入到地下。

張曼說，地質封存只是單純的物理封存法，而礦物封存是透過一系列的化學反應（主要是CO2與含Mg和Ca的礦物發生的放熱反應），在催化劑的輔助下，把氣體二氧化碳轉化成穩定的固體碳酸鹽（主要是菱鎂礦MgCO3和方解石CaCO3）。

事實上，二氧化碳轉化成碳酸鹽的現象在自然界中是普遍存在的。“比如我們常見的大理石和石灰岩就有很大一部分是這樣形成的。”專家表示，這樣的自然現象雖然存在，但化學反應非常緩慢，往往需要數百年甚至上千年的時間才能觀測到顯著的變化。

美國和歐盟的一些機構從2012年開始在冰島實施名為“碳固定”的試點專案。冰島有多座活火山，火山噴發形成的玄武岩廣泛存在於地下，這種岩石的鈣、鎂、鐵含量高，可與二氧化碳發生化學反應，生成固態的碳酸鹽礦物質。

研究人員先把此前收取的二氧化碳與水混合，然後注入地下400米至800米深處的玄武岩層中。研究結果顯示，所注入的二氧化碳含量的95％至98％在不到兩年內便發生了鈣化（即轉化為固態碳酸鹽）。

專家表示，固態碳酸鹽礦物質沒有洩漏風險，因而這種方式可以永久且對環境無害地封存二氧化碳。玄武岩是地球上最常見的岩石型別之一，在世界許多地方的大陸邊緣地帶廣泛存在，因此有潛力用於大量封存二氧化碳。

二氧化碳再利用

把二氧化碳儲存在地下只是選擇之一。在2018年，加拿大和美國的科學家們描述了一個更有趣的解決方案。

他們認為，捕獲的二氧化碳可以轉化成其他分子，以製造燃料來儲存由風力渦輪機或太陽能電池板產生的能量。

碳捕捉後進行能量開發，科學家最先考慮的是，採用太陽能模擬植物光合作用，將二氧化碳固定成燃料。結果發現，即便實現了這個反應，也只能算是對高品位能源的儲能再釋放，有些得不償失。

直到熱機工作原理的新認識出現，相關技術才有了突飛猛進的發展。

“以往熱機工作都是透過燃料燃燒，加熱腔室，獲取密閉空間的氣體膨脹，從而驅動熱機運轉。不難想到，加熱不是熱機工作的目的，而只是手段。”專家介紹，如果燃料原本就是極低溫的，恢復到正常溫度，也會產生巨大膨壓，即便不燃燒，也能驅動熱機運轉。

二氧化碳恰是這樣一種神奇物質。

“常壓下，它以零下78.5℃超低溫、固態乾冰的形式存在；到了約10個大氣壓的環境中，又會變成液體流動，便於輸送。”專家說，如果用乾冰作為工作介質，就可以吸收環境中的熱量，從而受熱氣化。如果這一過程被限制在一個封閉容器中，就可以得到數十個大氣壓的常溫二氧化碳氣體。理論上，這種高壓、常溫氣體，完全可以推動氣動機械做功。

根據這一理念，低溫熱機迅速誕生。碳捕捉完成後形成的乾冰物質，作為驅動熱機運轉的燃料，氣化後釋放到空氣中，之後再次被捕捉回來，從而保持一種人類活動與大氣狀態之間的平衡。

此外，將二氧化碳代替石油做化工原料也是一個絕妙的固碳方案。

“這種方法是把二氧化碳作為工業生產的原料使用。”專家說，當前絕大多數的人造材料、合成製品，都是石油化工的產物。也就是說，這些都源自地球上的動植物數億年前收集的二氧化碳。

從理論上講，以今天人類對物質的認識和改造水平，完全可以將捕捉到的二氧化碳用於製備當前從石油中衍生得到的化學品和材料。而技術的關鍵在於，改造的過程中，如何才能有效地控制成本。

可喜的是，截至目前，基於二氧化碳的產品開發技術，已經衍生出諸如建築材料、化學品、塑膠聚合物、碳纖維和碳材料等極具潛力的分支。

“比起焚燒產生的熱量所帶來的經濟效益，二氧化碳巨大的潛在利用價值，才是真正的寶藏。碳捕捉技術，不僅正視二氧化碳排放的問題，還首次將二氧化碳作為一種資源加以重視。”張曼表示，未來，隨著碳捕捉技術成熟，回收成本降低，利用捕捉的二氧化碳進行工業生產，將變得十分尋常。（河北日報記者王璐丹）