二氧化碳的捕捉与封存

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二氧化碳的捕捉与封存原理浅析

张宁云姚蕾

江苏省无锡市第一中学 江苏无锡 214000

关键词：CO2捕捉与封存 原理浅析

大气中的CO2与地球上的生命活动息息相关，绿色植物光合作用需要CO2，人呼吸产生CO2……。随着化石能源的大量使用，排放到大气中越来越多的CO2引发的温室效应正逐渐并加速影响着人们的生活方式。

1 CO2与全球气温

地球适合人类及其他生物生存，归功于CO 2等温室气体引起的温室效应。大气中的温室气体允许部分太阳辐射透过并到达地面，使地球表面温度升高；同时，这些温室气体又能吸收从地球表面发出的长波辐射，使热量留在大气层内，仅让一部分热量散发到宇宙空间 [1]，温室气体维持地球平均气温的平衡。 CO2在空气中含量的不断增加，加剧了温室效应，引起地球表面温度上升 [1]等现象。人类活动极有可能是20世纪中叶以来全球气候变暖的主要原因，其可能性超过95% [2]。

科学家指出只有将气温上升幅度限制在1.5℃以内才能维持我们熟悉的生活方式，美国德州农工大学（TexasA&M）的气候科学家徐杨杨（音译）与一位同事把超过3℃的气候变暖称为“灾难性的”，如今全球平均气温比工业化之前高出约1℃。联合国环境署发布 告称截止2100年，全球气温可能升温3℃以上，距离实现1.5℃的温控目标还存在160~190亿吨CO2当量的减排差距。目前，全球每年CO2排放量为400亿~500亿吨，以此趋势5年后气温升幅将突破1.5℃大关，此后，人类每向大气中额外排放1吨CO2就必须从大气中清除1.2吨CO2[3]。CO2捕捉迫在眉睫。

2CO2捕捉与封存

二氧化碳捕捉与封存技术（简称CCS技术）是将化石燃料中的碳以二氧化碳的形式从工业或相关能源的排放源中分离出来，输送到封存地点，并使之长期与大气隔绝的技术。该技术主要包括：二氧化碳的分离和捕捉，二氧化碳的地质封存或海洋封存等[4]。目前，全世界有近200个捕碳项目，我国已把CCS技术作为前沿技术列入国家中长期科技发展规划，并在相关技术领域取得突破[5]。

2.1 绿色植物储碳放氧

绿色植物通过光合作用从空气中吸收CO2放出氧气，将其转变为自身的组成部分，简要原理如下：

绿色植物的生命活动包含光合作用与呼吸作用，光合作用吸收10.5毫克 CO2的同时呼吸作用放出0.5毫克 CO2，呼吸作用放出的 CO2几乎可以忽略不计。据测定，一般来说，速生树种，树冠深绿色的叶片，在光照较强温度25℃左右，空气中的 CO2含量较高的条件下，光合作用最强，比如杨树吸收的 CO2为1g·m -2 ·h -1 ，一般树木树叶的有效叶面积大概是它覆盖土地面积的5倍，以每天光照10小时计算，每天每亩杨树吸收的 CO2为

1g·m -2·h -1×666.7m 2×10h×5=33335g ，约等于25个成年人呼吸出的 CO2。一颗冠径5.8米的杨树吸收的 CO2与一个成年人呼出的 CO2相当 [6]，绿色植物的储碳功能不容小觑。2010年全球保护区森林的总面积将达4.6亿hm 2，森林每年约固碳4.0~6.2PgC，吸收了化石燃料 CO2排放量的30%左右 [7]。依据联合国粮食及农业组织（FAO）定期汇编的统计数据，全球森林面积自1990年以来下降了3%，但全球人工林面积有所增加，我国的人工林面积对全球的贡献比较大。但现有的木材市场与森林管理要全球规划，森林面积正在减小，而且种植树木会对全球粮食安全产生影响，这些需要全球的各个国家合作协调。

2.2 生物炭贮能减排[8]

将农作物、肥料、有机物、煤炭等在无氧环境下高温加热，产生燃料和生物炭。利用捕捉的 CO2与生物炭的气化反应，减排又贮能，即：

CO 2(g) + C (s) = 2CO (g) △ H = +172kJ ·mol -1

又称为布氏反应（Boudouard），此反应为吸热反应，1Kg碳气化后变成CO吸收14333kJ的热量，可折合为3.98度电的发热量，同时吸收3.67Kg CO2，即耗费1度电吸收了约1Kg的 CO2，生成了CO作为燃料贮能，贮能和减排同时发生。一个300 MW发电厂，8 h谷电时间段中，如果50%的电能被贮存，一年就有120万度电被贮存，可减少47万吨 CO2的排放。

图1:布氏反应气相成分与温度和时间的关系

从上图1可以看出在温度1200℃时，兼顾了反应速率（反应很快）与CO的转化率（几乎为100%），因此从理论上分析了生物炭贮能减排的条件与可能性。产生生物炭后的生物废料残渣可作为肥料用于农田，改善土壤质量，还有利于改善能源的单一性。但这种方法需要消耗大量的电能，需要一个大型的电热炉等加热设备和大型的CO 2分离机，并且生物的多样性也可能遭遇威胁，依然存在很多技术难题有待解决。

2.3 增强风化和矿物碳化

碱性工业矿物含有高质量的活性氧化物，利用富含钙、镁的工业固态碱性废物作为 CO2隔离的原料，如将在钙镁氧矿物中碱土金属（如蛇纹石和橄榄石）与 CO2结合形成稳定的钙镁基碳酸盐，这是减少工业 CO2排放的安全和快速的途径 [9]。将矿石粉碎磨成粉末，撒布在海洋中，矿石粉末则会与海水发生反应，将 CO2转化为碳酸盐，沉入深海；撒在农田中，岩石粉末会从空气中吸收 CO2用来增强土壤肥力。简要原理如下：

CO2 + CaCO3 + H2O= Ca2+ + 2HCO3- ；

2CO2 + CaSiO3 + H2O= Ca2+ + 2HCO3- + SiO2 ；

CO2 + CaSiO3 = CaCO3+ SiO2

释放到大气中的大部分二氧化碳，首先会溶解在海水中变成碳酸氢根，二氧化碳与碳酸钙和水溶液发生溶解反应能得到钙离子和碳酸氢根离子，溶解了的钙离子和碳酸氢根离子会増加海水的碱性，二氧化碳就能以碳酸氢根离子的形式储存在海水中，最后经过2000-8000年的时间变成碳酸盐沉积在海底（伯纳等，1983）。

硅酸盐的风化作用与碳酸盐矿物分解类似，每摩尔的硅酸盐矿物风化反应能比碳酸盐矿物的风化反应多储存两倍量的二氧化碳。实际上，海洋和陆地的风化作用都会发生上述的两个反应，最终形成稳定的SiO 2沉淀需要花成千上万年的时间（卡尔代拉和兰皮诺，1990）。 释放到大气中的二氧化碳大多会变成碳酸盐沉积物沉淀在海底，而它的阳离子取决于硅酸盐矿物风化反应脱离出来的阳离子，最终也可能生成碳酸钙和二氧化硅。鼓励陆上或海洋内的碳酸盐或硅酸盐矿物风化反应（科勒等，2010，舒伊林和克里格斯曼，2006），把矿物切碎并运输到空旷的地方，这样能増加风化反应的表面积，加速反应 [10]。

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2.4 海洋施肥

浮游植物的光合作用固定了全球近40%的碳。铁在浮游植物对氮的吸收、固氮菌对N 2的固定、叶绿素的合成、卟啉生物合成、光合作用电子的传输等生物过程发挥着非常重要的作用。海水中铁的浓度很低，是许多海域浮游植物生长的限制因子 [11]。在海洋中撒入铁屑，能促进浮游生物的生长，浮游生物将 CO2吸入体内，转化为糖或细胞物质，它们死亡后会沉入海底。在上述过程中，可溶性痕量铁起到了一个非常重要的作用。1999 年，在澳大利亚以南的南大洋进行了现场加铁实验，也称 SOIREE 实验，铁施肥可提高浮游植物的生物量和光合作用率，并引起水体中 CO2和营养要素含量降低 [11]。持续海洋铁施肥增加的二氧化碳沉降保守估计每年潜在上限约为1-3.7Gt，如果能保证持续向南大洋，赤道太平洋，近极地北太平洋铁匮乏洋区施加铁肥，那么在本世纪末，海洋铁施肥増加的总的二氧化碳沉降量为85-315 Gt（奥蒙和博普，2006） [10]。 

但海洋施肥固碳会有很多负面效应。铁施肥可能导致有害赤潮的发生，这势必将进一步

危害生态系统，大规模的铁施肥可能对海洋生物产生非区域性的影响，长期的、大面积的生物量减低，对整个海洋渔业产量将产生显著的负作用，大规模的铁施肥可引发低氧和厌氧条件，则有利于CH 4和N 2O的产生，二者是比 CO2更强的温室气体。海洋施肥固碳存在一定风险，Buesseler 等认为不推荐将其作为缓解气候变化的方法用于推广 [12]。

2.5 吸附捕捉CO2

吸收法分为物理吸收法和化学吸收法两种。物理吸收法采用乙醇、聚乙二醇等高沸点溶剂通过不断改变CO2和吸收剂之间的压力、温度来实现CO2的吸收和解吸，从而实现CO2的分离。化学吸收法是通过原料气与吸收剂之间的化学反应来实现对CO2的吸收。氨基在化学吸收法中应用非常广泛。常见的氨基溶液有很多种，（1）醇胺溶液：醇胺分子中至少含有1个具有降低化合物蒸汽压的羟基，同时这个羟基还能够提供必要的碱性环境，醇胺分子的构成当中还应当含有一个可以促进酸性气体吸收的氨基；（2）氨基修饰吸附剂：碳纳米管、石墨烯、金属有机骨架材料、介孔材料等复合材料或者优化的新型方法在捕捉CO2将会是一个趋势，这些吸附剂在用氨基进行修饰后表现出了良好的捕捉CO2的能力[13]。CO2的传统吸收方法是有机胺水溶液，离子液体具有优良的溶解等性能，离子液体在吸收CO2方面有独特的效果。Muldoon等测试了一系列离子液体在不同压强下对CO2的吸收能力，结果表明，离子液体中含有越多的氟烷基链越容易吸收CO2。功能型离子液体如含氨基的咪唑类离子液体，新型聚离子液体如Wilke发现3-（4-氯化苄基）-1-乙烯基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐离子液体为聚合单体，制备了聚离子液体，聚离子液体对CO2的捕获容量最高达到0.46mg CO2g-1。离子液体捕获CO2具有蒸汽压低、速度快、含量高、热稳定性好等优点，设计合成具有低黏度、低毒或无毒、低成本的功能型离子液体是未来的突破点和研究点[14]。

2.6 封存CO2

碳封存就是把捕集到的大量 CO2安全存储于地质结构层中，从而有效减少 CO2对大气的排放。上述捕捉 CO2的过程是通过一定形式将 CO2转化为其他物质封存于生物体、海洋、地壳、特殊功能的物质里，既是捕捉也包含封存，也可以直接分离出高纯 CO2封存于地下，封存于海洋里，而废弃油田和咸水层是地质封存 CO2的首选 [10]。所谓地质封存，就是将 CO2存放在地下地层中的自然孔隙中；所谓深海封存，是指把 CO2注入深海中以进行长时间的存储 [15]。对于地质封存，研究最为广泛且技术最为成熟的是枯竭气藏封存、 CO2-EOR、 CO2-ECBM和深部盐水层封存，枯竭气田由于具有良好的封闭性和完善的井场基础设施，是 CO2封存的首选。 CO2地质封存储存深度一般在800m以下，因为这样的温度和压力可以使 CO2保持在超临界状态。由于溶解了二氧化碳的盐水密度会比周围的流体高，因此，随着时间的推移，二氧化碳与盐水的混合物会沉积在地层底部，从而圈闭了二氧化碳，而混合物沉积一段时间后，便会在储层形成碳酸物质，易于与岩石中的碱性矿物（如MgO、CaO等）发生反应，形成碳酸盐（如MgCO 3、CaCO 3等），由此，二氧化碳经过化学转化永久的储存在地层中 [10]。海洋封存就是将二氧化碳注入到深海，使之溶于海水或是在海底形成二氧化碳湖泊 [16]。联合国政府间气候变化专口委员会（2005,2011a）估计，地质封存每年最少固碳量为550Gt（约2000 Gt CO2）。地质封存存在一定的风险，向脆性岩层注入大量的二氧化碳很可能会引起地震，从而影响地层的密封性，造成二氧化碳泄露。

上述浅析了六种常见的 CO2捕捉和封存的方法，有些方法已经比较成熟并用于实践中，有的方法因为会带来较大的风险还在试验优化阶段，有的方法成本太大，有的存在土地资源的限制甚至于法律层面的限制（比如公海的规范使用），有的方法还会有意外的收获，比如石油企业采油时可将现在的注水、注气改为注入二氧化碳，不仅可以提高油田的单井石油采收率，还能掩埋二氧化碳，将二氧化碳置换原油而长期储存于油岩中，实现石油的绿色开发 [5]。 CO2在大气中的浓度依然逐年增加，为了守护全人类共同且唯一的家园，保护人类命运共同体，我们应该努力，世界上多个国家都在努力着。

参考 献

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[3]理查德康尼夫.环球科学, 2019,159(2):58

[4]彭峰.现代法学,2016,38(3):137

[5]杨磊.应用能源技术,2014(1):11

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[7]徐英明,李昊,李鑫,等.林业与环境科学,2018,34(1):124-127

[8]金家敏.广州化工,2017,45(6):42-43

[9]蔡光华,刘松玉,曹菁菁,等.南京工程学院学 （自然科学版）,2017,15(1):2

[10]钟沅珊.《气候干预：二氧化碳脱碳及可靠封存》（第三章）翻译实践 告.成都:西南石油大学硕士学位论 ,2016:37-40

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[12]穆景利,韩建波,霍传林,等.海洋环境科学,2011,30(2):282-285

[13]吕宏婷,贾庆明,伍水生,等.化工新型材料,2015,43(3):216-217

[14]李娜.内蒙古石油化工,2015(17):110-111

[15]刘宇,曹江,朱声宝.前沿科学（季刊）,2010,4(13):48

[16]匡建超,王众,霍志磊.中外能源 ,2012,17(12):21

江苏省无锡市第一中学，张宁云，姚蕾

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