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清潔能源有助于減排二氧化碳。新華社發(fā)

今年，碳中和成為被頻頻提及的熱詞。

碳中和，是指國家、企業(yè)、產(chǎn)品、活動或個人，在一定時間內(nèi)直接或間接產(chǎn)生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，通過植樹造林、節(jié)能減排等形式，自己抵消自己產(chǎn)生的排放量，實現(xiàn)正負抵消，達到相對“零排放”。

在眾多碳中和技術(shù)路徑中，有一個治理思路二氧化碳方案，因其可高效降低大氣二氧化碳濃度的前景而格外引人注意，那就是碳捕捉。

那么，排出去的二氧化碳，怎么能捕捉回來呢？

全球碳預(yù)算總額將在2045年耗盡

地球溫度正在上升，極端天氣、森林火災(zāi)、冰架垮塌等新聞層出不窮。遏制氣候變暖成為國際社會迫在眉睫的問題。而二氧化碳作為最主要的溫室氣體，被認(rèn)為是遏制氣候變暖的突破點。

因此，碳中和概念應(yīng)運而生。

“大家都知道，以石油、煤炭和天然氣為代表的化石能源，是現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)，它們都是由古代生物的遺骸經(jīng)歷一系列復(fù)雜變化形成。”專家介紹，這些深藏地殼深處、花費成千上萬年完成轉(zhuǎn)化的富碳資源，在過去不到一百年的時間，被人類挖出、提煉、轉(zhuǎn)化、焚燒……驅(qū)動人類文明走向物資繁盛二氧化碳方案，也成為二氧化碳的主要來源。

河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教師張曼舉例，比如手機，其生產(chǎn)過程會產(chǎn)生大約100千克的二氧化碳排放；汽車發(fā)動機每燃燒1升燃料，會向大氣層釋放約2.5千克的二氧化碳；生產(chǎn)1千克牛肉，會產(chǎn)生將近300千克的碳排放……

面對這一困境，2015年12月12日的巴黎氣候變化大會上通過了《巴黎協(xié)定》。《巴黎協(xié)定》約定，各國的長期目標(biāo)是將全球平均氣溫，較前工業(yè)化時期上升幅度控制在2℃以內(nèi)，并盡力將其限制在1.5℃以內(nèi)。以其目標(biāo)上限2℃計算，全球碳排放允許的總量為1萬億噸。這是人類第一次清晰界定了環(huán)境承受的極限邊界。

經(jīng)過政府間氣候變化專門委員會（ICPP）測算，自19世紀(jì)工業(yè)革命以來，全世界累積排放已超過6000億噸，超過該預(yù)算總額的60%。根據(jù)當(dāng)前的排放速度估算，若不采取強力干涉措施，全球碳預(yù)算總額將在2045年耗盡。

“碳預(yù)算超支，不僅意味著全球升溫2℃導(dǎo)致的海平面上升，還標(biāo)志著人類調(diào)控氣候變化的徹底失敗。”張曼說，隨著兩極冰川融化，升溫速度越來越快，最終將會導(dǎo)致一場關(guān)乎人類存亡的災(zāi)難。

“從邏輯上講，減少大氣中的二氧化碳有兩個努力方向。”張曼說，其一，減少輸入，在最短時間內(nèi)轉(zhuǎn)變我們的能源獲取方式，不再使用石油、煤炭、天然氣等富碳燃料，減少人類活動產(chǎn)生的二氧化碳；其二，增加去路，盡最大可能提高環(huán)境和人工二氧化碳的固定能力，直接降低大氣中的二氧化碳濃度。

方案一目前可謂困難重重。因此，提高環(huán)境和人工二氧化碳的固定能力的方案二，成為當(dāng)前技術(shù)研發(fā)的熱點。

“植物的光合作用讓其具有了強大的固碳功能，但時效性慢，難以在短時間內(nèi)遏制強勁的二氧化碳增加趨勢。”因此，張曼表示，工程干預(yù)進行碳捕捉是固碳主要研究思路。

把二氧化碳封存在地下

碳捕集及儲存，是一種收集二氧化碳，將它們運輸至儲存地點并長期封存的技術(shù)。專家介紹，簡單來說，就是找個坑把二氧化碳埋了，不讓它逃進大氣層里搗亂。

但具體要在哪挖坑，怎么埋？

“其實埋二氧化碳也沒什么特別的，埋地里、埋水里都可以，關(guān)鍵是坑要挖得深，埋要埋得嚴(yán)實。”張曼說，二氧化碳封存的方法一般說來可分為地質(zhì)封存和礦物封存兩類。

地質(zhì)封存一般是將超臨界狀態(tài)（氣態(tài)液態(tài)的混合體）的二氧化碳注入深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)中進行封存。常見的適宜碳封存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)包括油田、氣田、咸水層、不可開采的煤礦等。

“地下深部咸水層因具有分布廣泛、儲存量大等特點而被視為二氧化碳長期封存的最優(yōu)場地。然而，由于儲層應(yīng)力場改變以及存在的天然裂縫、斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，二氧化碳在封存過程中存在泄漏風(fēng)險。”專家介紹。

基于此，對二氧化碳運移過程進行實時監(jiān)測成為國際學(xué)界的一個熱門課題。

2019年，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所科研人員在實驗室利用巖芯驅(qū)替夾持器模擬超臨界二氧化碳的穩(wěn)定驅(qū)替過程。實驗結(jié)果表明，巖芯表面動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)與二氧化碳注入壓力相關(guān)且保持線性增長關(guān)系。

“光纖布拉格光柵傳感器是近年來發(fā)展起來的一種新型光纖傳感器。”該研究負責(zé)人說，依據(jù)實驗中的光纖布拉格光柵測量結(jié)果可知，這種監(jiān)測技術(shù)可觀測二氧化碳流體運移路徑及相應(yīng)前緣信息，因而可應(yīng)用于二氧化碳封存現(xiàn)場滲漏監(jiān)測。

對此，張曼表示，如果地質(zhì)封存點經(jīng)過謹(jǐn)慎的考察與精心的管理，確定沒有泄露，注入地層中的二氧化碳可封存一千年以上。

與地質(zhì)封存相似，礦物封存也需要把二氧化碳注入到地下。

張曼說，地質(zhì)封存只是單純的物理封存法，而礦物封存是通過一系列的化學(xué)反應(yīng)（主要是CO2與含Mg和Ca的礦物發(fā)生的放熱反應(yīng)），在催化劑的輔助下，把氣體二氧化碳轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的固體碳酸鹽（主要是菱鎂礦METO3和方解石CaCO3）。

事實上，二氧化碳轉(zhuǎn)化成碳酸鹽的現(xiàn)象在自然界中是普遍存在的。“比如我們常見的大理石和石灰?guī)r就有很大一部分是這樣形成的。”專家表示，這樣的自然現(xiàn)象雖然存在，但化學(xué)反應(yīng)非常緩慢，往往需要數(shù)百年甚至上千年的時間才能觀測到顯著的變化。

美國和歐盟的一些機構(gòu)從2012年開始在冰島實施名為“碳固定”的試點項目。冰島有多座活火山，火山噴發(fā)形成的玄武巖廣泛存在于地下，這種巖石的鈣、鎂、鐵含量高，可與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)的碳酸鹽礦物質(zhì)。

研究人員先把此前收取的二氧化碳與水混合，然后注入地下400米至800米深處的玄武巖層中。研究結(jié)果顯示，所注入的二氧化碳含量的95％至98％在不到兩年內(nèi)便發(fā)生了鈣化（即轉(zhuǎn)化為固態(tài)碳酸鹽）。

專家表示，固態(tài)碳酸鹽礦物質(zhì)沒有泄漏風(fēng)險，因而這種方式可以永久且對環(huán)境無害地封存二氧化碳。玄武巖是地球上最常見的巖石類型之一，在世界許多地方的大陸邊緣地帶廣泛存在，因此有潛力用于大量封存二氧化碳。

二氧化碳再利用

把二氧化碳儲存在地下只是選擇之一。在2018年，加拿大和美國的科學(xué)家們描述了一個更有趣的解決方案。

他們認(rèn)為氨氣檢測儀，捕獲的二氧化碳可以轉(zhuǎn)化成其他分子，以制造燃料來儲存由風(fēng)力渦輪機或太陽能電池板產(chǎn)生的能量。

碳捕捉后進行能量開發(fā)，科學(xué)家最先考慮的是，采用太陽能模擬植物光合作用，將二氧化碳固定成燃料。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，即便實現(xiàn)了這個反應(yīng)，也只能算是對高品位能源的儲能再釋放，有些得不償失。

直到熱機工作原理的新認(rèn)識出現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)才有了突飛猛進的發(fā)展。

“以往熱機工作都是通過燃料燃燒，加熱腔室，獲取密閉空間的氣體膨脹，從而驅(qū)動熱機運轉(zhuǎn)。不難想到，加熱不是熱機工作的目的柴油報警器，而只是手段。”專家介紹，如果燃料原本就是極低溫的，恢復(fù)到正常溫度，也會產(chǎn)生巨大膨壓，即便不燃燒，也能驅(qū)動熱機運轉(zhuǎn)。

二氧化碳恰是這樣一種神奇物質(zhì)。

“常壓下，它以零下78.5℃超低溫、固態(tài)干冰的形式存在；到了約10個大氣壓的環(huán)境中，又會變成液體流動，便于輸送。”專家說，如果用干冰作為工作介質(zhì)，就可以吸收環(huán)境中的熱量，從而受熱氣化。如果這一過程被限制在一個封閉容器中，就可以得到數(shù)十個大氣壓的常溫二氧化碳氣體。理論上，這種高壓、常溫氣體，完全可以推動氣動機械做功。

根據(jù)這一理念，低溫?zé)釞C迅速誕生。碳捕捉完成后形成的干冰物質(zhì)，作為驅(qū)動熱機運轉(zhuǎn)的燃料，氣化后釋放到空氣中，之后再次被捕捉回來，從而保持一種人類活動與大氣狀態(tài)之間的平衡。

此外，將二氧化碳代替石油做化工原料也是一個絕妙的固碳方案。

“這種方法是把二氧化碳作為工業(yè)生產(chǎn)的原料使用。”專家說，當(dāng)前絕大多數(shù)的人造材料、合成制品，都是石油化工的產(chǎn)物。也就是說，這些都源自地球上的動植物數(shù)億年前收集的二氧化碳。

從理論上講，以今天人類對物質(zhì)的認(rèn)識和改造水平，完全可以將捕捉到的二氧化碳用于制備當(dāng)前從石油中衍生得到的化學(xué)品和材料。而技術(shù)的關(guān)鍵在于，改造的過程中，如何才能有效地控制成本。

可喜的是，截至目前，基于二氧化碳的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)二氧化碳方案，已經(jīng)衍生出諸如建筑材料、化學(xué)品、塑料聚合物、碳纖維和碳材料等極具潛力的分支。

“比起焚燒產(chǎn)生的熱量所帶來的經(jīng)濟效益，二氧化碳巨大的潛在利用價值，才是真正的寶藏。碳捕捉技術(shù)，不僅正視二氧化碳排放的問題，還首次將二氧化碳作為一種資源加以重視。”張曼表示，未來，隨著碳捕捉技術(shù)成熟，回收成本降低，利用捕捉的二氧化碳進行工業(yè)生產(chǎn)，將變得十分尋常。（河北日報記者王璐丹）

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