【视点】二氧化碳竟然可以矿化变成石头

CO2在玄武岩层中的矿化速度非常惊人，远远超过了研究人员预期，在不到2年的时间内，该项目近95%的CO2被矿化

工业革命之后，CO2的大量排放引发了全球变暖、极端天气频发以及气候变迁等全球性环境问题。这些频发的环境问题起了全球的广泛关注。为了遏制因气候变化带来的全球性环境恶化，CO2深度减排是人类实现可持续发展目标的必经之路。各国政府和国际组织在CO2减排方面投入了大量的资金和人力。

近日，由南安普敦大学、哥伦比亚大学和冰岛大学等多国研究小组合作参与的碳捕集和封存(Carbon dioxide Capture and Storage，CCS)CarbFix项目，为CO2的有效减排带来了新契机，文章发表在2016年6月10日出版的Science上。

研究人员宣称，他们将CO2注入玄武岩层中，CO2与岩石发生了快速的化学反应并形成了新的碳酸盐矿物，通过这一方法，CO2被永久的“禁锢”在玄武岩含水层里。这是科学家首次成功的将CO2转化为环境友好的碳酸盐矿物并永久封存在玄武岩中。CO2在玄武岩层中的矿化速度非常惊人，远远超过了研究人员预期，在不到2年的时间内，该项目近95%的CO2被矿化[1]。

CCS是什么?

20世纪70年代，CCS(碳捕集和封存)兴起于美国，当时是利用CO2进行驱油以提高石油采收率的技术。经过多年发展，CCS逐渐成为在气候背景条件下控制温室气体排放的重要手段。2005年，政府间气候变化专门委员会(IPCC)给出了CCS的定义，即将CO2 从工业或相关能源产业的排放源中分离出来，输送并封存在地质构造中，长期与大气隔绝的过程。CCS的基本操作思路可以归纳为：从排放源分离捕获CO2，通过高压管道压缩后运输到封存地点，最后将CO2与大气隔离，达到永久封存的目的。

CCS技术环节解析(CCS在中国：现状、挑战和机遇)[2]

提高能源利用率、开发利用替代能源(可再生能源和核能)以及CCS技术被视为CO2减排的三种重要手段。但就目前人类利用能源技术的水平而言，风能、太阳能等清洁能源在世界能源结构中所占比例还比较低，且单位发电成本也高于化石能源，所以短时间内还难以作为国家支撑能源。因此，现阶段化石燃料依然是人类赖以生活的主要能源。难以把控的CO2源头排放，就使得寻求减少化石燃料使用过程中产生的CO2排放的有效方法显得更为重要。

2008年国际能源署(IEA)的报告中显示，全球气温在升高2℃的情况下，2020年、2030年以及2050年，由提高能效带来的减排份额将分别占当年能源相关减排量的65%、57%和54%。而CCS的减排贡献则会从2020年的3%(占总减排量的比例)提高到10%(2030年)，并在2050年达到19%，CCS的减排比重逐渐上升。因此，为了将大气环境中的CO2控制在相对稳定的水平，CCS因其储量大和减排的高效性被广泛研究应用[4]。

各技术减排量当年能源相关减排量的百分比(%)(IEA,2009)[4]

CO2安全封存是CCS是最终落脚点，这一环节从某种程度决定着CCS技术的可行性。目前常用的封存方式包括：海洋封存(将CO2直接释放到海洋水体或者注入海底沉积层中)、地质封存(将CO2封存在地质构造中，常见的封存CO2的地质构造包括石油和天然气田、不可开采的煤田以及深盐沼池构造等)以及将CO2固化成无机碳酸盐。

最安全的CCS技术获突破性进展

多年来，矿化封存的“固碳”手段因其反应时间缓慢(100~1000年)而不被重视。与此同时，利用玄武岩含水层为储层类型的玄武岩封存手段，也因为研究起步晚、技术不够成熟而未获得足够重视，但其独特的化学俘获机理可以确保CO2永久安全高效的被封存起来，且具有足够低的泄露风险。

冰岛的CarbFix项目是玄武岩封存的工程实例，在历经2年的跟踪探测后，玄武岩封存技术终于可以挺直腰板向世人宣称，它是名副其实的最安全最理想的CO2埋存方法。

其实在这之前，世界上有许多实验项目都在寻求碳捕集与封存的最佳方法，但鲜有成效，成本与技术依旧难以迈过的关坎。

据估算封存1吨CO2的费用介于50~100美金之间。除此之外，技术难题仍然是实验项目能否成功的关键点，在何处储存这些被捕获的气体就是重中之重。目前许多科学家担心岩石层的龟裂会导致被封存的CO2泄露的问题。

CarbFix“固碳”项目的实施地点位于冰岛首都雷克雅未克以东25公里的地热发电厂附近。之所以选择冰岛，是由于冰岛有多座活火山，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CO2发生化学反应，生成固态的碳酸盐矿物质。玄武岩是地球上最常见的岩石类型之一，在地球的大陆边缘地带广泛存在。

以往研究人员大都采用砂岩来封存CO2，砂岩含水层非常不活泼，所以普通的CCS点需要几个世纪的时间完成碳酸化。与砂岩不同的是，玄武岩石中含有大量可以与CO2进行反应形成碳酸盐矿物的重金属。起初Matter等模拟了玄武岩封存CO2过程，模拟数据表明，CO2最快的矿化时间至少是10年左右，但工程实际中在对地下水中溶解的碳的测量表明，95%以上被注入的碳在2年内已经转化为方解石等矿物质。

CarbFix“固碳”项目进行了两个阶段的试验，第一阶段将175t 纯CO2注入到玄武岩层中(2012年1月到3月间);第二阶段将73t CO2-H2S混合气体注入玄武岩层中。由于在碳捕集后，分离提纯CO2在整个碳捕集经费中占比非常重，因此如果跳过提纯步骤，直接将混合气体注入地下，会大大降低项目运行成本。因此第二阶段的混合气体的应用是为了评估技术的可行性。

CarbFix“固碳”项目注入部位的地址横切面(图片来源：Science)

图中显示，HN02为深为2000m的注入井，在深度为150~1300m之间分布着8个监测井。地表以下400~800m 之间的玄武岩层是反应发生位置。为了防止在注入过程中，CO2的泄露，CarbFix“固碳”项目采用了在注射过程中，同时将二氧化碳溶解在水中，溶于水的CO2活跃度大大降低，并且溶于水中的CO2可以快速与富含钙、镁、铁的矿石发生反应，所以水的加入大大降低了CO2的泄漏率，提高了其矿化速率。

但在这过程中，需要消耗大量水资源，这就引发了许多科学家的不满，有人提出，这是对日益消减的水资源的浪费，因此，用水量的问题也许会成为项目后续大规模应用的限制因素。

“迅速碳酸化表明，这是一个可以将CO2永久地储存在地下并且没有泄漏的风险的可行方法，而且由于玄武岩在陆地或沿海都很多，发电厂不需靠近沉积岩或枯竭的油井就可以利用CCS。” Matter说。他同时提到，在华盛顿瓦卢拉附近的哥伦比亚河的玄武岩层也有一个类似的项目，其未发表的数据也得出了相似的结论。未参与这一项目的斯坦福大学地质学家Sally Benson教授评价到，这一项目是CCS领域的一大进展[3]。

参考文献：

[1]Matter J M, Stute M, Snæbjörnsdottir S Ó, et al. Rapid carbon mineralizationfor permanent disposal of anthropogenic carbon dioxide emissions[J]. Science,2016, 352(6291):1312-1314.

[2]政府间气候变化专门委员会,IPCC特别报告：CO2 捕集和封存——决策者摘要和技术摘要, 剑桥大学出版社, 伦敦, 2005.

[3]http://www.sciencemag.org/news/2016/06/underground-injections-turn-carbon-dioxide-stone

[4] IEA, World Energy Outlook 2009,Paris: France, 2009.