新知｜二氧化碳的“捕捉”与“封存”(2)

    “光纤布拉格光栅传感器是近年来发展起来的一种新型光纤传感器。”该研究负责人说，依据实验中的光纤布拉格光栅测量结果可知，这种监测技术可观测二氧化碳流体运移路径及相应前缘信息，因而可应用于二氧化碳封存现场渗漏监测。

    对此，张曼表示，如果地质封存点经过谨慎的考察与精心的管理，确定没有泄露，注入地层中的二氧化碳可封存一千年以上。

    与地质封存相似，矿物封存也需要把二氧化碳注入到地下。

    张曼说，地质封存只是单纯的物理封存法，融易新媒体，而矿物封存是通过一系列的化学反应（主要是CO2与含Mg和Ca的矿物发生的放热反应），在催化剂的辅助下，把气体二氧化碳转化成稳定的固体碳酸盐（主要是菱镁矿MgCO3和方解石CaCO3）。

    事实上，二氧化碳转化成碳酸盐的现象在自然界中是普遍存在的。“比如我们常见的大理石和石灰岩就有很大一部分是这样形成的。”专家表示，这样的自然现象虽然存在，但化学反应非常缓慢，往往需要数百年甚至上千年的时间才能观测到显著的变化。

    美国和欧盟的一些机构从2012年开始在冰岛实施名为“碳固定”的试点项目。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，可与二氧化碳发生化学反应，生成固态的碳酸盐矿物质。

    研究人员先把此前收取的二氧化碳与水混合，然后注入地下400米至800米深处的玄武岩层中。研究结果显示，所注入的二氧化碳含量的95％至98％在不到两年内便发生了钙化（即转化为固态碳酸盐）。

    专家表示，固态碳酸盐矿物质没有泄漏风险，因而这种方式可以永久且对环境无害地封存二氧化碳。玄武岩是地球上最常见的岩石类型之一，在世界许多地方的大陆边缘地带广泛存在，因此有潜力用于大量封存二氧化碳。

    二氧化碳再利用

    把二氧化碳储存在地下只是选择之一。在2018年，加拿大和美国的科学家们描述了一个更有趣的解决方案。

    他们认为，捕获的二氧化碳可以转化成其他分子，以制造燃料来储存由风力涡轮机或太阳能电池板产生的能量。

    碳捕捉后进行能量开发，科学家最先考虑的是，采用太阳能模拟植物光合作用，将二氧化碳固定成燃料。结果发现，即便实现了这个反应，也只能算是对高品位能源的储能再释放，有些得不偿失。

    直到热机工作原理的新认识出现，相关技术才有了突飞猛进的发展。

    “以往热机工作都是通过燃料燃烧，加热腔室，获取密闭空间的气体膨胀，从而驱动热机运转。不难想到，加热不是热机工作的目的，而只是手段。”专家介绍，如果燃料原本就是极低温的，恢复到正常温度，也会产生巨大膨压，即便不燃烧，也能驱动热机运转。

    二氧化碳恰是这样一种神奇物质。

    “常压下，它以零下78.5℃超低温、固态干冰的形式存在；到了约10个大气压的环境中，又会变成液体流动，便于输送。”专家说，如果用干冰作为工作介质，就可以吸收环境中的热量，从而受热气化。如果这一过程被限制在一个封闭容器中，就可以得到数十个大气压的常温二氧化碳气体。理论上，这种高压、常温气体，完全可以推动气动机械做功。

    根据这一理念，低温热机迅速诞生。碳捕捉完成后形成的干冰物质，作为驱动热机运转的燃料，气化后释放到空气中，之后再次被捕捉回来，从而保持一种人类活动与大气状态之间的平衡。

    此外，将二氧化碳代替石油做化工原料也是一个绝妙的固碳方案。

    “这种方法是把二氧化碳作为工业生产的原料使用。”专家说，当前绝大多数的人造材料、合成制品，都是石油化工的产物。也就是说，这些都源自地球上的动植物数亿年前收集的二氧化碳。

    从理论上讲，以今天人类对物质的认识和改造水平，完全可以将捕捉到的二氧化碳用于制备当前从石油中衍生得到的化学品和材料。而技术的关键在于，改造的过程中，如何才能有效地控制成本。