CO2矿化作用常见于地质岩石碳封存中

发表时间:2019-03-19 20:46

九州大学领导的研究人员对二氧化碳与岩石表面反应形成碳酸盐矿物进行了计算机模拟,展示了“矿物捕集”如何用于碳封存中。

地质圈闭在这里起主要作用。地球的地下岩石和沉积物为长期碳储存提供了巨大的潜在空间。为了支持这一点,日本九州大学领导的国际组织最近的一项计算研究表明,被捕集的二氧化碳如何能转化为无害的矿物质。

地球表面下的岩石具有很强的多孔性,捕集过程包括从排放源收集二氧化碳后将其注入孔隙。尽管通常认为二氧化碳比较稳定,不能与岩石发生化学反应,但它可以通过物理吸附紧紧地吸附在表面。最终溶解在水中,形成碳酸,碳酸能与水金属反应形成碳酸盐矿物。

这项研究的第一作者,来自九州大学国际碳中性能源研究所(I2CNER)的Jihui Jia认为:“矿化是长期封存二氧化碳最稳定的方法,将二氧化碳锁定在一个完全安全的形式并且禁止再排放。这曾经被认为需要几千年过程的观点正在迅速改变。由于化学反应在实验室很难重现,所以人们对其理解不够透彻。这就是建模的切入点。”

正如《物理化学杂志C》所报道的,最初进行的模拟是为了预测二氧化碳与劈开的石英表面碰撞时会发生什么——石英(SiO2)在地壳中含量丰富。当模拟轨迹被回放时,可以看到二氧化碳分子从其线性O=C=O形状弯曲,形成与石英结合的三元CO3单元。

在第二轮模拟中,添加了水分子来模拟石油和天然气钻井现场下方经常出现的“地层水”。有趣的是,水分子自发地攻击活性CO3结构,破坏Si-O键生成碳酸盐离子。就像碳酸一样,碳酸盐离子可以与溶解的金属阳离子(如Mg2+Ca2+Fe2+)反应,将碳永久地结合成矿物形式。

模拟表明,二氧化碳矿化的两个步骤——碳化(与岩石结合)和水解(与水反应)都是有利的。此外,自由的碳酸盐离子可以通过水解,而不仅仅是像以前假设的那样,通过碳酸的离解。这些见解依赖于一种复杂的分子动力学形式,它不仅模拟原子间的物理碰撞,而且模拟化学本质的电子转移。

该研究的主要作者Takeshi Tsuji指出:“该研究结果提出了一些改善地质圈闭的方法。石英要捕集二氧化碳,它必须是一个劈开的表面,因此硅和氧原子有活性的“悬垂”键。然而,在现实生活中,表面可能受到氢键和阳离子的保护,这将阻止矿化。我们需要一种方法去除这些阳离子或使表面脱氢。”

越来越多的证据表明,捕集到的二氧化碳矿化速度比先前认为的要快得多。虽然这是令人兴奋的,九州的论文强调了化学的复杂和微妙之处。目前,该小组建议对其他丰富岩石(如玄武岩)进行进一步研究,以确定地球化学圈闭在人类面临的最大技术挑战中所起的作用。

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