郭雪飛張敏吉周微任宏偉鄭力文蘇貝胡玉斌劉紀(jì)化

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028;2.中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司 天津 300131;3.山東大學(xué) 青島 266237;4.威海市藍(lán)色經(jīng)濟(jì)研究院有限公司 威海 264400)

0 引言

工業(yè)革命以來(lái),大氣中二氧化碳濃度從280 ppm增長(zhǎng)至418 ppm[1],二氧化碳濃度的人為排放增加導(dǎo)致全球升溫[2]。2021年政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)報(bào)告[3]指出,近年來(lái)人類(lèi)影響導(dǎo)致的全球變暖速度在過(guò)去2000年里是前所未有的,基于模型對(duì)未來(lái)全球溫度的推算發(fā)現(xiàn),在高二氧化碳排放的場(chǎng)景中21世紀(jì)末全球平均升溫高達(dá)4.4℃,即使在低二氧化碳排放的場(chǎng)景中21世紀(jì)末的全球平均升溫也將達(dá)1.4 ℃(圖1)。研究表明全球平均溫度每上升0.5℃,極端天氣的強(qiáng)度和頻率將持續(xù)增加。因此,升溫以及極端天氣頻發(fā)對(duì)人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展造成不利影響[4-6]。

圖1 5種溫室氣體排放場(chǎng)景下全球升溫溫度[3]Fig.1 Global surface temperature for five scenarios of greenhouse gas emission[3]

為了控制和減緩二氧化碳等溫室氣體排放導(dǎo)致的全球氣候變化,2015年多個(gè)國(guó)家簽署了《巴黎協(xié)定》,明確指出將全球溫度控制在自工業(yè)革命以來(lái)升溫2 ℃以?xún)?nèi),并努力做到將溫度控制在1.5 ℃以?xún)?nèi),以降低全球氣候變化導(dǎo)致的生態(tài)效應(yīng)[7]。為了控制全球升溫及降低生態(tài)影響,需要減少二氧化碳的排放量(減排)并增加大氣二氧化碳的移除量(增匯)。目前全球能源供給結(jié)構(gòu)中化石能源(石油、天然氣、煤)仍占有較高比例[8-9],僅通過(guò)減少二氧化碳的排放無(wú)法保證人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的前提下實(shí)現(xiàn)將全球平均升溫控制在1.5℃。而人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳排放量的增加大大超過(guò)了自然界從大氣中去除二氧化碳的能力[10],因此人為將大氣中過(guò)量的二氧化碳清除是可持續(xù)發(fā)展的必要條件,研發(fā)負(fù)排放技術(shù)是實(shí)現(xiàn)全球平均升溫1.5℃的重要途徑之一。海洋作為地球上最大的活躍碳庫(kù),占全球面積的71%,其碳庫(kù)儲(chǔ)量是大氣的50倍,是陸地的20倍[11-12]。海洋系統(tǒng)增匯潛力巨大,是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要技術(shù)路線之一。

1 海洋碳庫(kù)及儲(chǔ)碳機(jī)制

海洋系統(tǒng)中碳的存在形式主要包括溶解無(wú)機(jī)碳、溶解有機(jī)碳、顆粒有機(jī)碳。海水中大部分碳是以溶解無(wú)機(jī)碳的形式存在,其次為溶解有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳(圖2)。海洋中的溶解有機(jī)碳又根據(jù)可利用性分為易降解溶解有機(jī)碳和惰性溶解有機(jī)碳[13],惰性溶解有機(jī)碳在海洋中具有較高的比例,占海洋溶解有機(jī)碳的95%。溶解無(wú)機(jī)碳、溶解有機(jī)碳和顆粒有機(jī)碳在海洋中的碳庫(kù)儲(chǔ)量分別為37 400 Gt、662 Gt、20 Gt[13-14]。

圖2 海洋碳儲(chǔ)的主要機(jī)制[13]Fig.2 The major mechanisms for formation of oceanic carbon reservoirs[13]

海洋中的儲(chǔ)碳機(jī)制包括:溶解度泵、碳酸鹽泵、生物泵和微型生物碳泵[12]。溶解度泵受海-氣界面的二氧化碳分壓差的影響,大氣中二氧化碳分壓高于海洋表面時(shí),二氧化碳由大氣進(jìn)入海洋,該機(jī)制在調(diào)節(jié)全球氣候以及海洋碳循環(huán)中起到重要的作用。碳酸鹽泵是指顆石藻等鈣化生物固定海水中的碳酸鹽形成鈣質(zhì)外殼,并沉降至海底封存的機(jī)制,在該過(guò)程中,碳酸鹽沉淀會(huì)釋放出等量的二氧化碳,因此該機(jī)制也被稱(chēng)為碳酸鹽反泵[15-16]。生物泵是指真核微藻等通過(guò)光合作用將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳,并在食物網(wǎng)中逐級(jí)傳遞,最終以顆粒有機(jī)碳的形態(tài)由表層海水向深海沉降的過(guò)程。生物泵的通量隨著深度的增加逐漸降低,能夠沉降至海底的有機(jī)碳量?jī)H占表層海水固碳量的0.1%～1%,大部分有機(jī)碳在移出混合層前被微型生物利用轉(zhuǎn)化[17-18]。然而海洋中部分的有機(jī)碳沒(méi)有被礦化為二氧化碳,海洋中的微型生物將易降解溶解有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為惰性溶解有機(jī)碳,從而實(shí)現(xiàn)將溶解有機(jī)碳長(zhǎng)期封存,該機(jī)制稱(chēng)為微型生物碳泵[19]。與生物泵不同,微型生物碳泵不受沉降等過(guò)程的影響,存在于整個(gè)海洋中。惰性有機(jī)碳可以在長(zhǎng)時(shí)間尺度保持穩(wěn)定,不再參與海洋中的碳循環(huán)。

2 海洋增匯途徑

工業(yè)革命以來(lái)海洋吸收了近1/3人為排放的二氧化碳[20],具有巨大的固碳潛力。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)海洋增匯進(jìn)行了探索,提出了海洋施肥(氮、磷、鐵)、人工上升流、海洋生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、大型海藻養(yǎng)殖、海洋堿化等方法[21-23]。通過(guò)向表層海水人為添加或者通過(guò)上升流的形式補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)鹽刺激浮游植物的生長(zhǎng)繁殖,進(jìn)而促進(jìn)光合作用,固定更多的二氧化碳,進(jìn)而增強(qiáng)生物泵和微型生物碳泵的固碳潛力[24]。Jiao等[25]提出浮游植物在富營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下產(chǎn)生的有機(jī)碳活性更高,被細(xì)菌利用轉(zhuǎn)化為二氧化碳,因此通過(guò)刺激浮游植物生長(zhǎng)繁殖進(jìn)而增強(qiáng)海洋碳匯的方式需要對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的添加量進(jìn)行合理的評(píng)估,以維持固碳量和細(xì)菌呼吸消耗之間的平衡,提高固碳效率。大型海藻養(yǎng)殖碳匯則是在大型海藻人工養(yǎng)殖過(guò)程中,隨著養(yǎng)殖海藻的光合生長(zhǎng),提高海域顆粒有機(jī)碳和溶解有機(jī)碳通量,同時(shí)通過(guò)海藻收獲從海水中移出生物質(zhì)碳,用于工業(yè)生產(chǎn),從而實(shí)現(xiàn)海洋系統(tǒng)的增匯效果[26-27]。海洋堿化是指在海洋表層添加破碎后的堿性礦物以加速其風(fēng)化的機(jī)制[28]。堿性礦物可以顯著提升海水的堿度。近年來(lái)由于海洋中二氧化碳大量的吸收導(dǎo)致表層海水的緩沖能力降低,提升堿度可以恢復(fù)海水對(duì)二氧化碳的緩沖能力[29]。

3 海洋堿化增匯技術(shù)

美國(guó)國(guó)家科學(xué)院在2021年報(bào)告[21]中指出對(duì)海洋增匯的手段進(jìn)行了評(píng)估,海洋堿化的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)中等且可行性高。海洋-大氣界面的二氧化碳的交換是海洋碳循環(huán)的重要過(guò)程之一,堿性礦物添加對(duì)表層海水中二氧化碳的消耗能夠增強(qiáng)海洋的匯效應(yīng)或者降低海洋的源效應(yīng)。此外,堿性礦物可以緩解海洋酸化導(dǎo)致的生態(tài)效應(yīng)[30]。p H 是海洋生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵的環(huán)境因子,海水p H 的改變會(huì)導(dǎo)致海洋生物的組織滲透壓發(fā)生改變,對(duì)珊瑚等酸堿平衡能力弱的生物造成組織損傷[31]。同時(shí),海洋酸化會(huì)導(dǎo)致海水中的碳酸根離子濃度降低,將對(duì)海洋中的生物鈣化過(guò)程產(chǎn)生影響[32]。焦念志[26]在缺氧海區(qū)生態(tài)修復(fù)增匯工程中提出,通過(guò)在缺氧酸化海域施加堿性礦物以實(shí)現(xiàn)在增匯的同時(shí)能夠解決環(huán)境問(wèn)題,應(yīng)用潛力巨大。模型研究表明,在海洋中大范圍的施加堿性礦物可以有效地吸收海洋中的二氧化碳,提高海洋的碳匯能力[28,33-34]。

堿性礦物主要包括硅酸鹽礦物、碳酸鹽礦物。研究表明,硅酸鹽礦物相對(duì)碳酸鹽礦物的增匯潛力更大,每摩爾的硅酸鹽礦物(硅灰石、橄欖石和鈣長(zhǎng)石等)在海洋中溶解至少可以吸收1.5摩爾的二氧化碳,而碳酸鹽礦物僅能吸收0.5摩爾[28],硅酸鹽礦物相對(duì)于碳酸鹽礦物具有更高的固碳潛力。此外,堿性硅酸鹽礦物溶解能有效提高海水堿度、緩解海水酸化的同時(shí),其溶解釋放的溶解硅潛在促進(jìn)硅藻生長(zhǎng)[35],進(jìn)而增強(qiáng)生物泵,進(jìn)一步提高增匯潛力,因此硅酸鹽礦物相對(duì)于碳酸鹽礦物具有更高的增匯潛力。

橄欖石作為堿性硅酸鹽礦物之一,橄欖石相對(duì)于其他硅酸鹽礦物具有更高的風(fēng)化速率[36],每摩爾橄欖石溶解可以吸收4摩爾二氧化碳,因此得到了廣泛的研究[35,37]。橄欖石在自然界中分布廣泛,通常分布于上地幔和俯沖帶中[38]。橄欖石在我國(guó)主要分布在內(nèi)蒙古、陜西、河南、湖北等地,其中河南西峽與湖北宜昌的橄欖石產(chǎn)量高,應(yīng)用廣泛。橄欖石在挪威、瑞典、意大利等地均有分布[39]。

橄欖石的溶解在海水中受比表面積、p H、溫度等諸多因素的影響。橄欖石的比表面積越大,橄欖石的溶解速率越快。Rigopoulos等[40]通過(guò)將橄欖石研磨增加橄欖石的比表面積提高了橄欖石對(duì)二氧化碳的吸收速率。Hangx等[41]結(jié)合實(shí)驗(yàn)室橄欖石溶解動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)不同粒徑的橄欖石在海水中的固碳效率進(jìn)行研究,10μm 粒徑橄欖石完全溶解需要23年,而300 μm 粒徑橄欖石的溶解需要700年,使用橄欖石進(jìn)行海洋堿化需要粒徑小于10μm才能在15～20 年內(nèi)得到可觀的增匯效果。Wogelius等[42]通過(guò)不同p H 下橄欖石溶解實(shí)驗(yàn)證明,p H 與橄欖石的溶解速率成反比。海洋中二氧化碳的溶解會(huì)影響海水的p H,因此海水中二氧化碳濃度會(huì)對(duì)橄欖石的溶解速率造成影響,Wolff-Boenisch等[43]驗(yàn)證了橄欖石在高二氧化碳分壓下的溶解速率更高。工業(yè)革命以來(lái),近1/3人為排放的二氧化碳被海洋吸收,導(dǎo)致海洋酸化,這將進(jìn)一步促進(jìn)橄欖石的溶解。Prigiobbe等[44]在不同的溫度下對(duì)橄欖石的溶解速率進(jìn)行了評(píng)估,研究表明,橄欖石的溶解速率與溫度成正比,其中90℃下的反應(yīng)溫度是25℃下的100倍。

在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中,海洋的p H 和溫度等條件無(wú)法人為的大范圍調(diào)控,因此通過(guò)提高橄欖石的比表面積以增加橄欖石的溶解速率是海洋橄欖石堿化的關(guān)鍵。K?hler等[45]提出橄欖石粒徑在1μm左右才能在被移出大洋混合層前完全溶解。從碳足跡的角度而言,橄欖石的破碎和研磨過(guò)程會(huì)釋放更多的二氧化碳,因此,在大洋施加橄欖石具有一定的局限性。Montserrat等[35]提出了在近海施加橄欖石的方案,一方面是將大粒徑橄欖石施加在大陸架海域,借助海流的剪應(yīng)力可以促進(jìn)橄欖石的磨損,進(jìn)而促進(jìn)橄欖石的溶解;另一方面是通過(guò)將小粒徑的橄欖石施加在海灘和潮間帶,借助潮汐以促進(jìn)橄欖石的磨損和溶解。高堿度的海水通過(guò)溶解度泵吸收更多大氣中的二氧化碳,而在該過(guò)程中,高堿度海水的擴(kuò)散受海水交換速率的影響,停留時(shí)間會(huì)對(duì)固碳速率造成影響,在海流的作用下由近海海域輸送至遠(yuǎn)海,增加海-氣交換界面面積將進(jìn)一步提高固碳速率。

為了加速橄欖石的溶解速率以及高堿度海水的擴(kuò)散,將橄欖石的反應(yīng)體系以海上平臺(tái)的形式布放在近海海域,并通過(guò)風(fēng)能、潮汐能、太陽(yáng)能等清潔能源對(duì)橄欖石進(jìn)行破碎、研磨以加速橄欖石的溶解,高堿度的海水可以快速地輸送至周?chē)Ｓ?提高固碳效率,同時(shí)可以避免在近岸海域溶解產(chǎn)物的過(guò)量累積造成的生態(tài)影響。此外,該方式可以與海上油氣平臺(tái)等高二氧化碳排放點(diǎn)源結(jié)合,進(jìn)一步提高橄欖石溶解效率。在過(guò)去的數(shù)年里,海洋油氣勘探已成為全球油氣資源的重要戰(zhàn)略替代,海洋油氣能源供應(yīng)在全球能源供應(yīng)中的占比具有增長(zhǎng)的趨勢(shì)[46]。我國(guó)近海油氣資源增長(zhǎng)潛力大,具有可持續(xù)發(fā)展性[47]。此外,兩者的結(jié)合可以減少橄欖石海上平臺(tái)搭建的成本。因此,在我國(guó)海上油氣開(kāi)采平臺(tái)進(jìn)行橄欖石增匯具有廣闊的應(yīng)用前景(圖3)。

圖3 橄欖石在近海的增強(qiáng)風(fēng)化[35]Fig.3 Schematic diagram of enhanced olivine weathering in coastal systems[35]

4 結(jié)論與建議

化石能源是現(xiàn)代人類(lèi)社會(huì)的主要能源,其開(kāi)發(fā)和利用推動(dòng)了社會(huì)的高速發(fā)展,但同時(shí)也造成了溫室氣體的二氧化碳大量排放,導(dǎo)致全球變暖、海平面升高、水體酸化缺氧等負(fù)面環(huán)境效應(yīng),嚴(yán)重威脅著人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。海洋作為地表最大碳庫(kù),增匯潛力巨大,相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用有望捕集與封存大氣二氧化碳,助力碳中和的實(shí)現(xiàn)。目前,存在多種海洋增匯技術(shù)途徑,其中以海洋堿化增匯技術(shù)的增匯潛力相對(duì)較大、機(jī)理研究相對(duì)完備。橄欖石作為堿性硅酸鹽礦物之一,相比于碳酸鹽礦物具有更高的固碳效率,相對(duì)于其他硅酸鹽礦物則具有更高的風(fēng)化速率。同時(shí),橄欖石礦在我國(guó)具有豐富且廣泛的礦儲(chǔ)量,是我國(guó)實(shí)施海洋堿化增匯技術(shù)的理想礦物。

添加橄欖石以增加海洋的固碳效能,受控于橄欖石在海洋環(huán)境的溶解速率。海水溶解橄欖石受礦物粒徑(比表面)、環(huán)境p H、溫度以及海流沖刷機(jī)械力等諸多因素影響,其中橄欖石的粒徑是堿化增匯人為調(diào)控的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有研究表明,橄欖石添加實(shí)現(xiàn)海水堿化增匯,以機(jī)械破碎為數(shù)十微米粒徑且在近岸陸架海域投放實(shí)施為效率最佳的技術(shù)實(shí)施條件。盡管,現(xiàn)已具備橄欖石堿化海水增匯的理論基礎(chǔ),同時(shí)海洋堿化增匯技術(shù)是人為加速堿性礦物的自然風(fēng)化過(guò)程,是針對(duì)全球變暖基于自然的解決方案,潛在環(huán)境生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)小,但仍缺乏廣域大規(guī)模實(shí)施橄欖石堿化海水增匯對(duì)生態(tài)環(huán)境影響的直觀證據(jù),亟待進(jìn)行相關(guān)研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外,橄欖石破碎和長(zhǎng)途運(yùn)輸涉及能耗,以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的成本-效益問(wèn)題。一方面需要相關(guān)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析研究;另一方面需要多技術(shù)融合開(kāi)發(fā)多場(chǎng)景應(yīng)用的海洋堿化增匯工程裝備。其中,通過(guò)將橄欖石海上反應(yīng)平臺(tái)與海上油氣平臺(tái)進(jìn)行結(jié)合,不僅可以節(jié)省橄欖石海上平臺(tái)的基建成本,橄欖石對(duì)油氣平臺(tái)的生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳的捕集轉(zhuǎn)化將進(jìn)一步提高二氧化碳的固定效率,有效實(shí)現(xiàn)碳封存。