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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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封存二氧化碳

2016-02-29 20:37:20

“三九”不冷、“九九”结冰,这是典型的极端天气,也是温室效应的常态化表现。除了通过节能减排来减少碳排放之外,人类是否还有其他办法处理温室气体呢?

 

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2014 年,全世界二氧化碳排放量在2013 年的基础上上升了2.5%,将总排放量推向了400 亿吨大关。虽然关于2015 年的统计数据还没有最终发布,但相信情况仍不容乐观。温室气体导致的气温上升会引发一系列不可逆的极端自然灾害,比如干旱、洪水、冰川融化和海平面上升等等。

世界气象组织表示,2013 年全球碳排放量以近30 年来最快的速度增长,截止2013 年的14 年间,总量已经增长了34%。如今,大气中二氧化碳的浓度已经达到了工业革命前的142%,去年它的空气浓度量已高达400ppm,远远超过了地球可以承载的极限值。

为了遏制温室效应,科学家们进行着各种实验,希望找出一些对付二氧化碳行之有效的方法。

 

搁浅的海洋增铁计划

25 年前,美国海洋学家约翰·马丁说过一句意味深长的话:“给我半船铁,我能还给你一个冰川期。”在美国加利福尼亚附近的莫斯兰丁海洋实验室供职期间,马丁就确信,储存在大海里的铁对气候变化起着重要作用。铁的缺乏会抑制海洋浮游植物的生长,因为这些浮游植物需要铁来完成酶的制造。马丁说,如果给缺铁的海域“补铁”,使其中的铁含量增加,那么浮游植物就会生机勃勃,进而通过光合作用,将海洋表面的二氧化碳剥离,从而遏制全球变暖。

因为种种原因,马丁没能在有生之年进行相关实验。直到1993 年,他的继承者们才将设想付诸实施。结果表明,缺铁的水域含铁量一旦提高,确实能使海藻茂盛。在许多人眼里,这绝对是一个既能减少大气中二氧化碳含量,又能得到可观回报的好办法。

但某些持反对意见的科学家却认为,谁也无法只通过小范围的增铁实验,就能推测出大面积水域增铁的效果,谁也不知道持续增铁会带来怎样的影响。至少从表面来看,增铁带来的最直接的影响仅是改变了这些生物的食物链结构。

也有人认为,海水增铁还可能产生比二氧化碳更剧烈的温室气体,比如乙炔——浮游植物腐烂后释放出来的气体。德国大气科学家马可·劳伦斯在给《科学》杂志写的一封信中说道:“浮游植物会产生能够改变大气中云的含量的二甲硫化物和腐蚀臭氧层的二甲卤化物,这是海水增铁可能带来的出人意料的气候和大气变化,也是反对增铁做法的最有力依据。”

其实,马丁在生前已对这种不良后果提出过警示,他曾在著作中写道:“我认为,最大的危险是,在给海水增铁前我们根本不了解海水增铁可能会给增铁水域带来的后果,小至细胞,大到生态系统将会发生什么变化。”

 

深海的归宿

如果依靠增铁的方法难以避免对环境造成影响,那我们有没有可能就把碳蕴藏在海洋里呢?

浮游植物的繁殖局限在海洋表层水域,这样它们才可以凭借阳光的照射进行光合作用。如果大气中的二氧化碳溶解在海里,那么生物就可以利用海水中的二氧化碳进行光合作用。在这个过程中,氧原子将被释放,碳会成为固体有机物的构成成分。

 

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不过这也有问题,当浮游植物的猎食者在食用植物和吸入二氧化碳时,以这种方式被“固定”起来的碳很容易返回大气层。要想让碳保持固体形式,就必须把碳沉入海水表层以下,让一切反应在那里发生。倘若真能如此,那显然把碳封存得越深越好。

美国马萨诸塞州沃兹霍勒海洋学研究所的海洋化学家肯·比塞勒表示,如果人们想要把碳封存在水里,那水深至少要在500 米左右,毕竟那些富含碳的质量较重的物质,一般都会落到这个深度,譬如死后浮游生物的细胞、猎食者的尸体以及它们的固体粪便。

 

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将二氧化碳直接封存于地下,以提高石油采收率。

 

初试井藏法

想要将碳贮藏在合适的区域,就得依靠碳捕捉与封存技术,这也是目前防止温室效应加剧的重要手段之一。日本科学家多年来一直在积极探索碳封存的方法。为了能获得足够的资金支持,他们甚至还成立了拥有法人资格的实体企业,其中最著名的就是日本碳捕捉与封存调查公司。目前,该公司已经获得了来自电力、石油等领域35 家公司的出资支持。据该公司负责人石井正一介绍,他们在陆地和海底采用挖掘深井封存二氧化碳的实验进展顺利,这是人类首次以这种方法阻遏温室效应的蔓延。

在美英等国,碳捕捉与封存也在石油生产基地进行。他们通常是把二氧化碳压入油层,然后快速采掘原本较难采集的石油,这是一箭双雕的好办法。

不过,回收和储存从氢制造设备中排出的二氧化碳,且不使其排放到大气中,这过程看似简单,但技术含量却极高。目前,日本碳捕捉与封存调查公司的科学家已经建成了二氧化碳分离和回收设施。此外,他们还于2014 8 月中旬开始,在陆地上开凿了3500 米和5800 米两口深井,并已成功注入了二氧化碳。为了确认被封存的二氧化碳不会泄漏,设施周围还配备了用于测定温度、压力和振动的设备,并利用电脑模拟试验来验证效果。

当然,向海底深井灌注二氧化碳比陆地操作要麻烦一些,必须附加相当于230 倍标准大气压的压力才能将二氧化碳贮存。此外,设施的温度还要恒定在40℃,使二氧化碳处在介于气体和液体之间的“超临界”状态,然后方可使其进入地层缝隙中。

科学家期望,被灌注入海的二氧化碳能够慢慢地溶解到周围的水中,并像钟乳洞那样,与矿物发生化学反应而固定起来。

由于有“遮蔽层”的存在,溶入二氧化碳的水不会有较大的位置移动。只要附近的断层不发生严重的地层错位或人为移动,二氧化碳就会一直停留在该处。不过也有科学家担心,二氧化碳对地层缝隙间的水产生的压力会促使断层移动,一旦断层出现移动,那么二氧化碳就会重新跑回到大气中。

这种方法固然有弊有利,但似乎除了依靠科技手段处理二氧化碳外,目前人们还找不到其他更好的方法。澳大利亚已经率先启用了全球第一座大规模的碳捕捉和碳封存设施,很多发达国家甚至已经开始把二氧化碳直接封存于地下深部咸水层(超过800 米深),或用其提高石油采收率,以此优化环境、增加社会效益。这些举措对于类似我国这样的富煤国家而言,相信会是一个可资借鉴的选择和对策,未来十年将是决定全球碳捕获、利用与封存技术进步最重要的时期。

 

CCUS在中国

CCUSCarbon CaptureUtilization and Storage),即碳捕获、利用与封存技术,这是我国低碳发展的必然选择。虽然与发达国家相比,中国在这方面还处于起步阶段,但通过近几年的不断实践,我国已在该领域取得了突破性进展。例如,中国首个二氧化碳封存至地下咸水层的全流程示范工程已建成投产4年多,累计封存二氧化碳15万吨。

 

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