碳封存有望通过捕获大气中的二氧化碳并将其注入地表深处，使其永久固化成岩石，从而应对温室气体排放。美国环境保护署估计，现有碳封存技术或可消除燃煤电厂二氧化碳排放量的最高90%。
尽管这类技术或许能成功清除大气中的温室气体，麻省理工学院地球、大气与行星科学系的研究人员发现，二氧化碳注入地下后，转化为岩石的量比此前设想的要少。
研究团队考察了二氧化碳注入地下后与周围环境发生的化学反应，发现二氧化碳在地下迁移时，只有少量气体会转化为岩石。其余气体则以更不稳定的形态存在。
“如果它转化成岩石，就会稳定下来并永久留在那里，”博士后研究员 Yossi Cohen 说。“然而，如果它仍处于气态或液态，就会保持流动性，并可能重新回到大气中。”
Cohen 与麻省理工学院地球、大气与行星科学系地球物理学教授 Daniel Rothman 本周在《英国皇家学会会刊 A 辑》期刊上详细介绍了研究结果。
目前的地质碳封存技术旨在将二氧化碳注入地表下约7,000英尺处，这一深度相当于五座以上帝国大厦首尾相接的高度。在这样的深度，二氧化碳可储存在深层咸水含水层中：这些大型卤水区域能够与二氧化碳发生化学反应，使气体固化。
Cohen 和 Rothman 希望对二氧化碳注入含卤水岩层环境后发生的化学反应进行建模。二氧化碳被泵入地下后，会迅速进入岩石中的空隙，排开已有的流体，例如卤水。留下的是二氧化碳气泡，以及溶解在水中的二氧化碳。溶解的二氧化碳以碳酸氢盐和碳酸的形式存在，由此形成酸性环境。二氧化碳要沉淀或固化成岩石，需要碱性环境，例如卤水。
研究人员对两个主要区域之间的化学反应进行了建模：一个是二氧化碳浓度高、pH值低的酸性区域，另一个是充满卤水（即咸水）、pH值较高的区域。由于不同碳酸盐物种在水中扩散或流动时的反应各不相同，研究人员逐一描述了这些反应，并将它们纳入反应扩散模型——即模拟二氧化碳在含卤水岩层环境中流动时化学反应的模型。
研究团队分析二氧化碳富集区域与卤水区域之间的化学反应后发现，二氧化碳会固化，但只发生在界面处。该反应实际上会在二氧化碳与卤水相遇的位置形成一道固体屏障，阻止大部分二氧化碳与卤水发生反应。
“这基本上会封闭通道，使物质无法再进一步进入卤水，因为一接触卤水就会固化，”Cohen 说。“原先的预期是，大部分二氧化碳会变成固态矿物。我们的研究表明，沉淀出来的量会少得多。”
Cohen 和 Rothman 指出，他们的理论预测还需要通过实验研究来确定这一效应的程度。
“实验有助于确定哪种岩石能够最大限度地减少这种堵塞现象，”Cohen 说。“岩石孔隙的孔隙度和连通性等许多因素，都会决定二氧化碳是否以及何时矿化。我们的研究揭示了这一问题的新特征，或有助于找出适合长期封存的最佳地质构造。”
本文由 麻省理工学院新闻合作发布。发布本文并不意味着世界经济论坛认同其中观点。
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作者：Jennifer Chu 为麻省理工学院新闻撰稿
图片：太阳出现在供热厂烟囱冒出的浓烟后方。路透社/Stringer
