科学家探索二氧化碳封存新模式

照片来源:西北太平洋国家实验室

科学家希望玄武岩能储存并永久矿化大量气体。在玄武岩中，溶解的二氧化碳可以与钙和镁发生化学反应，几十年后形成石灰石。

八月初，科学家将向美国西北部深埋地下的多孔岩石中注入1000吨纯二氧化碳。他们的目标是为人类活动产生的二氧化碳找到一个永久的家园。

7月17日，美国能源部西北太平洋国家实验室(PNNL)的研究人员开始在瓦卢拉镇附近的哥伦比亚河注入玄武岩地层。大约1600万年前，当岩浆流经现在的哥伦比亚河流域时，这些岩石开始出现孔隙。当岩浆开始冷却时，二氧化碳气泡向其边缘移动，从而形成夹在固体岩石之间的多层孔隙。

当把这些温室气体泵入地下时，“我们实际上把二氧化碳送回了它们原来的家园。”领导这项实验的PNNL环境工程师皮特·麦克格雷说。该测试也是能源行业一个更大的碳封存项目的一部分。

瓦卢拉项目是针对玄武岩结构的第二个实验。科学家希望这些岩石能储存并永久矿化大量气体。在玄武岩中，溶解的二氧化碳可以与钙和镁发生化学反应，几十年后形成石灰石。

二氧化碳密封后，固体岩石覆盖的多孔玄武岩层可以防止气体泄漏。这将消除对密封气体泄漏的担忧。总的来说，其他使用砂岩储层和其他储存场所的二氧化碳深埋计划受到泄漏问题的困扰。

研究人员表示，玄武岩反应是自然风化过程的一部分，有助于调节整个地质时期大气中的二氧化碳水平。科学家已经在实验室分析了相关的矿化，目前他们只是在现场进行测试。

此外，研究人员仍在进行另一个玄武岩项目。该项目位于冰岛，由美国和欧洲科学家以及雷克雅未克能源公司联合实施。去年进行了第一次二氧化碳注入，今年将进行另一轮注入。

为冰岛项目工作的美国哥伦比亚大学拉蒙-多哈地球观测站的地球化学家尤格·马特说，早期的结果看起来很有希望。"矿化反应可能比我们预期的要快."马特也参与了瓦尔鲁拉项目，他说，假设玄武岩适用于这个目的，“减少泄漏的风险，你可以很容易地离开储存库”。

在卢拉，研究人员已经监测到二氧化碳泄漏到注入点附近的土壤和地下水中的迹象。一旦注入完成，他们将开始从注入井中取样，以检测水化学结果，跟踪碳同位素变化，并检查其他反应证据。麦格劳指出，实验室测试和计算机模拟结果显示，一般来说，大约20%的二氧化碳将在10-15年内被矿化。

然而，试点项目将在较短的时间范围内运作。注入后14个月，研究小组计划钻另一口注入井，提取岩心以评估结果。麦克格雷说:“在那个阶段，我们希望得到一些碳化的岩石。”

事实上，这涉及碳捕获和储存技术。这项技术是指收集大型发电厂产生的二氧化碳，并以各种方式储存起来，以避免排放到大气中的技术。这项技术被认为是未来大规模减少温室气体排放和全球变暖最经济可行的方法。因此，密封仅仅是成功的一半:科学家和工程师还必须找到如何从工业设施中捕获二氧化碳，并以最具成本效益的方式将其运送到隔离场所。

捕获二氧化碳有三种主要方法:燃烧前捕获、富氧燃烧和燃烧后捕获。捕获的二氧化碳必须运输到合适的地方储存，可以通过汽车、火车、轮船和管道运输。即使碳矿化工业可以启动，要在全球范围内建立，它也需要完成重建石油工业规模的任务。

“停止使用化石燃料还是进行大规模碳封存更好？”在这个问题上，科学观点有分歧。但是如果碳封存更受欢迎，许多人认为玄武岩将变得非常重要。尽管大规模使用玄武岩来隔离温室气体的支持者到目前为止已经在美国西北部和东南部以及印度开发了这些岩层，但许多人仍将目光投向近海，在未来几个世纪，那里的海底将能够遏制二氧化碳排放。

到目前为止，二氧化碳封存研究倾向于集中在砂岩储层，而不是玄武岩。雷蒙-多哈地球观测站的海洋地质学家大卫·戈德堡说，有两个主要原因。这些结构相对来说比较常见，石油公司习惯于“使用”砂岩，这使得他们更容易将二氧化碳从发电厂或其他来源输送到孤立的地点。

这可能意味着至少在短期内，砂岩比海洋玄武岩更经济、更适用。然而，戈德堡表示，掩埋全球大量二氧化碳的最佳地点是近海地区，那里覆盖着沉积物和海水，因此更安全。

戈德堡补充说，美国西海岸的一个单一建筑有潜力储存该国在一个世纪内排放的所有二氧化碳，估计总量为685立方公里。"如果我们能解决所有的问题，海洋将有许多用途."他说。

“但这些并不便宜。”夏威夷大学地球化学家凯文·约翰逊说。约翰逊和麦克格雷团队联合进行了实验室研究。“这是一个具有社会重要性的问题——气候是否变得糟糕到足以证明成本是合理的。”(张张)

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由于过度使用化石材料来产生太多的二氧化碳，而人类又不能消耗太多的二氧化碳，导致了一系列的气候和生态问题，碳捕获和储存的概念应运而生。储存二氧化碳的方式有很多种，通常可分为地质储存和海洋储存。

地质封存通常是将二氧化碳注入地质构造，地质构造可以是油田、气田、咸水层和不可开采的煤矿。研究表明，二氧化碳是稳定的，可以密封很长时间。如果仔细选择、设计和管理地质储存场所，注入的气体可以储存1000多年。海洋封存是指通过船只或管道将二氧化碳运输到深海海底进行封存。

作为一种新的减排技术，碳捕集与封存技术仍处于研发阶段，尚未开始大规模商业推广，存在诸多技术和制度问题及障碍。在政策法规方面，对碳捕获和封存技术的应用，特别是二氧化碳的运输和封存，缺乏明确的监管和相关法律法规的监督，将成为一个严重的障碍。

目前，与碳捕获和储存技术相关的国际法律框架可分为两个方面:一是碳捕获和储存的技术定义，如《联合国气候变化框架公约》及其《京都议定书》；第二，有将捕获的二氧化碳封存在海洋中的规定，例如《联合国海洋法公约》和《防止倾倒废物及其他物质污染海洋公约》。

欧盟不仅是碳捕获和储存技术研发的先锋，而且一直积极倡导碳捕获和储存所有方面的相关立法和实施的制度化和标准化。为了加强碳捕获和储存的管理，欧盟委员会于2008年1月发布了一项二氧化碳储存指令草案。该指令为应对气候变化和确保二氧化碳的地质储存不会对环境造成损害提供了法律框架。此外，欧盟还设立了一个特别技术委员会，以指导和协助碳捕获和储存的具体实施。

中国科学新闻(2013-08-01第三版国际版)