作者:张章 来源:中国科学报 发布时间:2013-8-1 9:47:21
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科学家探索二氧化碳封存新模式


 
图片来源:美国西北太平洋国家实验室
 
科学家希望玄武岩能够储藏及永久矿化大量的气体。在玄武岩中,溶解的二氧化碳能够与钙和镁发生化学反应,并在数十年中形成石灰岩。
 
8月初,科学家将把1000吨纯二氧化碳泵入美国西北部深埋于地下的多孔岩石中。他们的目标是为人类活动产生的二氧化碳寻找一个永远的家。
 
7月17日,美国能源部西北太平洋国家实验室(PNNL)的研究人员开始为瓦卢拉镇附近的哥伦比亚河玄武岩地层进行注射。大约1600万年前,这些岩石开始出现孔隙,当时岩浆曾流经现在的哥伦比亚河流域。当岩浆开始冷却时,二氧化碳气泡便向其边缘移动,于是形成了夹在实体岩石之间的多层小孔。
 
当向地下泵送这些温室气体时,“我们实际将二氧化碳归还回了它们原本的家。”该试验的领导者、PNNL环境工程师Pete McGrail说。该试验也是一个更大的能源部门碳隔离项目的一部分。
 
瓦卢拉工程是第二个将目标锁定为玄武岩构造的试验,科学家希望这些岩石能够储藏及永久矿化大量的气体。在玄武岩中,溶解的二氧化碳能够与钙和镁发生化学反应,并在数十年中形成石灰岩。
 
将二氧化碳封存之后,被实体岩石覆盖的多孔玄武岩层,能够阻止气体泄漏。这将能够消除对于封存气体泄漏的担忧。一般而言,利用砂岩储集层等作为封存地点的其他二氧化碳深埋计划都被泄漏问题所困扰。
 
研究人员称,玄武岩反应是自然风化过程的一部分,在整个地质时期内,它有助于调节大气中的二氧化碳水平。科学家已经在实验室分析了相关矿化作用,目前只是在实地进行测试。
 
另外,研究人员还在进行另一个玄武岩工程。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进行,去年已经进行了首次二氧化碳注射,今年还将进行另一轮注射。
 
效力于冰岛工程的美国哥伦比亚大学拉蒙—多哈堤地球观测站地球化学家Juerg Matter表示,早期结果看起来很有希望。“矿化反应很可能要比我们预想的更快。”对瓦卢拉工程也有贡献的Matter说,假定玄武岩适用于此,“降低了泄漏的风险,你就能很容易地离开贮藏库”。
 
在瓦卢拉,研究人员已经对注射部位附近二氧化碳泄漏到土壤和地下水的标记进行了监视。一旦注射完成,他们将开始从注射井提取样本,以检测水化学结果、追踪碳同位素变化,以及检查反应的其他证据。McGrail指出,实验室测试和计算机模拟结果显示,一般而言大约20%的二氧化碳将在10~15年中被矿化。
 
但是该试点项目将在一个较短的时间尺度上操作。注射结束14个月后,该研究小组计划钻凿另一个注射井,并提取岩芯进行结果评估。McGrail表示:“在那个阶段,我们希望能够得到一些碳化的岩石。”
 
实际上,这里涉及到碳捕集与封存技术。该技术是指将大型发电厂所产生的二氧化碳收集起来,并用各种方法储存以避免其排放到大气中的一种技术。这种技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、可行的方法。因此,完成封存仅是成功的一半:科学家和工程师还必须找出如何从工业设施里捕获二氧化碳,并以最节约成本的方式将它们运输到隔离地点。
 
二氧化碳的捕集方式主要有三种:燃烧前捕集、富氧燃烧和燃烧后捕集。捕集到的二氧化碳必须运输到合适的地点进行封存,可以使用汽车、火车、轮船以及管道来进行运输。而且即使一个碳矿化产业能够启动,要在全球水平上建立它,将需要完成一个重建石油工业规模的任务量。
 
“停止使用化石燃料更可取,还是进行大规模碳封存更好?”这一问题的科学观点存在分歧。但是如果碳封存更受欢迎,那许多人认为玄武岩将变得十分重要。虽然迄今为止,大规模使用玄武岩封存温室气体的支持者已在美国西北部和东南部,以及印度对这些岩石构造进行了开发,但是还有许多人将目光投向离岸地区,这里的海床将能容纳未来几个世纪排放的二氧化碳。
 
二氧化碳封存研究到目前为止趋向于关注砂岩储集层而非玄武岩。拉蒙—多哈堤地球观测站海洋地质学家David Goldberg表示,这里有两个主要原因。这些构造相对普遍,并且石油企业习惯于与砂岩“共事”,使得它们能更简单地从一个发电厂或其他来源将二氧化碳运送到隔离地点。
 
这可能意味着与海洋玄武岩相比,砂岩更经济适用,至少短期内是如此。但是,Goldberg表示,埋藏全球批量的二氧化碳的最好地点是离岸地区,这里覆盖着沉积物和海水,因此比较安全。
 
Goldberg补充道,美国西海岸离岸地区的单一构造有潜力储藏该国1个世纪里排放的所有二氧化碳,这里的预计总储量为685立方千米。“如果我们能解决所有问题,海洋将具有很多可用之处。”他说。
 
“但是这些都不便宜。”夏威夷大学地球化学家Kevin Johnson说。Johnson与McGrail小组共同进行实验室研究。“而且这是一个社会重要性问题——气候情况是否变得糟糕到足以为成本辩护。”(张章)
 
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由于过度使用化石原料产生了过多二氧化碳,而人类无法消费多出的庞大部分,所以造成了一系列气候和生态问题,于是碳捕集与封存概念应运而生。二氧化碳封存的方法有许多种,一般说来可分为地质封存和海洋封存两类。
 
地质封存一般是将二氧化碳注入地质结构中,这些地质结构可以是油田、气田、咸水层以及无法开采的煤矿等。研究表明,二氧化碳性质稳定,可以在相当长的时间内被封存。若地质封存点经过谨慎的选择、设计与管理,注入其中的气体可封存1000年以上。海洋封存是指将二氧化碳通过轮船或管道运输到深海海底进行封存。
 
作为一项新的减排技术,碳捕集与封存技术尚处于研发阶段,并未开始大规模商业推广,在技术上和制度上都存在着许多问题和障碍。在政策法规方面,对于碳捕集与封存技术的应用,特别是二氧化碳的运输与封存,缺乏明确的监管监测相关法律法规将会成为严重的阻碍。
 
目前,与碳捕集与封存技术相关的国际法律框架可分为两个方面: 一是对碳捕集与封存的技术界定,如《联合国气候变化框架公约》及其《京都议定书》等;二是对于捕集的二氧化碳在海洋封存的规定,如《联合国海洋法公约》和《防止倾倒废物和其他物质污染海洋的公约》等。
 
欧盟一直以来不但是碳捕集与封存技术研发的先驱,同时也始终积极倡导碳捕集与封存的相关立法和各方面实施的制度化和规范化。欧盟委员会为加强对碳捕集与封存实施的管理,于2008年1月发布了二氧化碳封存指令草案。该指令为应对气候变化、确保二氧化碳的地质封存不对环境造成危害提供了法律框架。此外,欧盟还成立了专门的技术委员会,对碳捕集与封存的具体实施进行指导和协助。
 
《中国科学报》 (2013-08-01 第3版 国际)
 
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