将二氧化碳转化为地下固体矿物质以实现更稳定的储存

在地下矿化二氧化碳是一种潜在的碳储存方法。图片来源：CortlandJohnson/太平洋西北国家实验室

NatureReviewsChemistry上的一篇新的科学评论文章讨论了二氧化碳(CO2)如何在地下岩石表面的超薄膜水中从气体转化为固体。这些称为碳酸盐的固体矿物既稳定又常见。

“随着全球气温升高，寻找碳储存方法的紧迫性也在增加，”太平洋西北国家实验室(PNNL)实验室研究员和合著者凯文·罗索说。“通过批判性地审视我们目前对碳矿化过程的理解，我们可以找到解决未来十年工作必不可少的差距。”

地下矿化代表了一种将CO2锁定、无法逃回空气中的方法。但研究人员首先需要知道它是如何发生的，然后才能预测和控制现实系统中的碳酸盐形成。

“减少人类排放需要从根本上了解如何储存碳，”PNNL化学家QuinMiller说，他是期刊封面上科学评论的共同主要作者。“迫切需要整合模拟、理论和实验来探索矿物碳化问题。”

地下和水中

一种选择是将CO2泵入地下，而不是将CO2排放到空气中。理论上，将CO2置于地下深处可以隔离碳。然而，气体泄漏仍然是一个问题。但是，如果可以将CO2气体泵入富含镁和铁等金属的岩石中，则CO2可以转化为稳定且常见的碳酸盐矿物。PNNL在Wallula的玄武岩试点项目是一个致力于研究碳酸盐中CO2储存的现场站点。

虽然这些地下环境通常以水为主，但当注入的CO2取代水时，气态二氧化碳向固体碳酸盐的转化也可能发生，从而在与岩石接触时形成极薄的残余水膜。但是这些高度受限的系统的行为与CO2与水池接触时的行为不同。

在薄膜中，水和CO2的比例控制着反应。少量金属从岩石中浸出，在薄膜和岩石表面发生反应。这导致产生新的碳酸盐材料。

回顾中总结的米勒领导的先前工作表明，镁在薄水膜中的行为类似于钙。水膜的性质在系统如何反应中起着核心作用。

了解这些碳酸盐的形成方式和时间需要结合实验室实验和理论建模研究。实验室工作使研究人员能够调整水与CO2的比例并实时观察碳酸盐的形成。团队可以查看不同时间点存在哪些特定化学物质，从而提供有关反应途径的基本信息。

然而，基于实验室的工作有其局限性。研究人员无法观察单个分子或了解它们如何相互作用。化学模型可以通过精确预测分子如何移动来填补这一空白，为实验提供概念支柱。它们还允许研究人员在难以通过实验获得的条件下研究矿化。

“模型与实验室或实地研究之间存在重要的协同作用，”加州大学欧文分校教授、该文章的共同主要作者MJQomi说。“实验数据为现实中的模型奠定了基础，而模型提供了对实验的更深层次的洞察力。”Qomi与PNNL团队合作了三年，并计划研究吸附水膜中的碳酸盐矿化。

从基础科学到解决方案

该团队概述了需要回答以使这种碳储存形式实用的关键问题。研究人员必须了解矿物质在不同条件下如何反应，特别是在模拟真实储存地点的条件下，包括在超薄水膜中。这一切都应该通过建模和实验室实验的综合结合来完成。

矿化有可能使碳安全地储存在地下。了解CO2如何与不同的矿物质发生反应有助于确保泵入地表下的物质留在那里。来自矿化工作的基础科学见解可以导致实用的CO2储存系统。玄武岩试点项目是连接小规模基础科学和大规模研究应用的重要研究场所。

“这项工作结合了对基本地球化学见解的关注和解决关键问题的目标，”米勒说。“如果不优先考虑脱碳技术，世界将继续变暖到人类无法承受的程度。”

Miller、Rosso和ToddSchaef是这项研究的PNNL作者。这项工作是与加州大学欧文分校的MJQomi和SiavashZare以及怀俄明大学的JohnKaszuba合作完成的。