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碳截存

碳截存（英语：Carbon sequestration，或称碳储存（英语：carbon storage））是把捕集到的碳（二氧化碳）储存于碳汇（或称碳库（carbon pool））的过程。[2]（p. 2248）碳截存是种自然发生的过程，但也可运用技术来增强或是达成，例如透过人为的碳捕集与封存项目来进行。截存有两种主要的做法：地质封存和生物截存（可用biosequestration表达）。[3]

示意图，显示人类活动产生的二氧化碳如何经地质和生物方式截存的过程。[1]

二氧化碳 (CO2) 可经生物、化学和物理等自然过程从大气中捕集。[4]这些过程会因土地利用改变和施行农业活动而被加速，例如将农业用地转为种植可快速生长的非农作物。 [5]人们设计及安装设备来大规模捕集由工业生产的二氧化碳，[4]然后储存在地下卤水含水层或旧油田内。其他涉及碳截存的技术包括生物能源与碳捕获和储存（BECCS）、生物炭、加速风化（英语：enhanced weathering）、直接空气捕获和储存（DACCS）。

森林、海岸海藻林和其他形式的植物在生长时会吸收二氧化碳，将其结合成生物质。但这种生物储存方式因无法保证能长期封存，而被认为是种不稳定的碳汇。例如野火或疾病等自然事件、经济压力和不断变化的政治优先事项就会导致封存的碳重新释放进入大气。[6]由大气中移除的二氧化碳也可利用注入地下或转变为不溶性碳酸盐形式（矿物封存）储存在地壳中。这类做法被认为是稳定的做法 - 二氧化碳可无限期封存，持续相当长的时间（数千到数百万年）。

有几种海洋碳截存技术虽被提出，但迄今尚未有大规模应用：海藻种植（英语：Seeweed farming）、海洋施肥（英语：Ocean fertilization）、人工涌流（artificial upwelling）、玄武岩储存、矿化和深海沉积、添加碱中和海水酸性。而直接深海注入二氧化碳法（英语：Direct deep-sea carbon dioxide injection）的想法已遭放弃。[7]

名词来源 编辑

碳截存这个名词在不同的文献和媒体中均被提出。联合国IPCC第六次评估报告将其定义为"在碳汇中储存碳的过程"。[2]（p. 2248）之后这"汇（或库）" 被定义为"地球系统中的一个储存所在，让碳和氮等元素以各种化学形式驻留一段时期"。[2]（p. 2244）

美国地质调查局（USGS）对碳截存的定义是："碳截存是捕集与储存大气中二氧化碳的过程。"[3]因此在媒体上，有时碳截存与碳捕集与封存（CCS）之间的区别会很模糊。而联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）将CCS定义为"将源自工业流程，相对纯净的二氧化碳流分离、处理之后再运往特定地点作长期储存的过程"。[8]（p. 2221）

由此，CCS的定义是以"人工方式"进行碳封存的技术应用。

名词历史（词源） 编辑

"sequestration"这个字源自拉丁语"sequestrare"，意思是"搁置"或是"放弃"。英语中的"sequestered"的意思是隔离、孤立。[9]

作用 编辑

于大自然 编辑

碳截存是自然界碳循环过程中的一部分 - 碳在地球的生物圈、土壤圈、地质圈、水圈和大气层之间进行交换。

二氧化碳可通过生物、化学或物理过程由大气中以自然方式捕集。

于气候变化缓解 编辑

更多信息：气候变化缓解

碳截存所具的碳汇作用，有助于缓解气候变化，可把气候变化的有害影响降低。它有助于减缓因燃烧化石燃料和经营集约化畜牧事业而释放的温室气体在大气和海洋中积累。 [10]

碳截存于减缓气候变化的作用，既可用以辅助与强化自然发生的碳截存，也可单独进行。

在碳捕集与封存的做法中，碳截存指的是"储存"的部分​​。采用的是人工封存技术，例如深层地质结构（包括卤水层和废弃油气田）中的气态式封存，以及将二氧化碳与金属氧化物反应，产生稳定碳酸盐后的固态式封存。[11]

采人工方式时，首先须将其捕集后再储存，或能显著延迟或防止其从富含碳的材料重新释放进入大气（经燃烧、腐烂等过程），并将这类材料纳入持久用途（例如采伐后的木材可用于建筑或一系列其他耐用产品），将碳封存多年甚至长达几个世纪。[12]

陆地生物固碳 编辑

 
位于澳大利亚塔斯马尼亚州中部费尔德山国家公园杜布森湖（Lake Dobson），当地茂盛的特殊植物品种Richea pandanifolia（英语：Richea pandanifolia），显示林地复育及减少森林砍伐后的成果。
 
森林砍伐后裸露的土地（海地2008年）。

生物碳封存指的是通过持续或增强的生物过程，把大气中二氧化碳捕集和封存。例如透过林地复育和可持续森林管理等土地利用法，提高光合作用速率以达成。[13][14]透过土地利用变化以增强自然碳捕集，每年可捕集与储存大量二氧化碳。除农业活动中的碳封存法之外，还可透过对森林、泥炭地、湿地和草地等生态系统的保护、管理和复育来达成。 [15]

在农业和林业的做法中有增强土壤碳（英语：soil carbon）封存功能的作用。

林业 编辑

参见：碳汇

就林地在碳封存的功能中，避免森林砍伐远优于砍伐树木之后再重新植树造林，因为砍伐森林的结果会导致不可逆转的影响，例如生物多样性丧失和土壤退化。[16]此外，植树造林或林地复育与保持现有森林完整相比，会有更深远的影响。[17]林地复育需要更长的时间（几十年）才能恢复与成熟热带森林相同的碳截存水平。[18]

估计全球每年约损失150亿棵树木，全球树木自人类文明开始以来，已减少约46%。[19]

在林地复育和减少森林砍伐过程中有四种主要方式可增加碳截存。首先是增加现有森林的体积。其次是在林相和景观尺度上增加现有森林的截碳强度。[20]第三是扩大林产品使用以减少化石燃料造成的排放。第四是减少森林砍伐和退化，以降低碳排放。[21]

植树造林是指在以前没有树木覆盖的地区造林。保护森林（英语：Proforestation）指的是完整维护现有森林以充分发挥其生态潜力的做法。[22]林地复育指的是在边际农地和牧场上重新种植树木，将大气中二氧化碳转化为生物质。[23][24]为让碳封存过程成功，当树木死亡时，不可大规模燃烧或任其腐烂而让碳返回大气中。[25]为此，规划供种植树木的土地不得转作其他用途，并需要管理干扰频率，以避免极端事件发生。还有收获的木材所含的碳必须被封住，例如透过制成生物炭、BECCS、掩埋或在建筑中使用。但树木无法永久生长，种植较长寿命的树（> 100年）与林地复育，可在相当长的时间内把碳封住，然后逐渐释放，在最大限度内减少碳对21世纪气候的影响。地球提供足够的空间，可额外再种植1.2兆棵树。[19]种植和保护这么多的树可抵消大约10年的二氧化碳排放量，同时封存2,050亿吨碳。[26]这种建议得到"种植兆棵树运动（英语：Trillion Tree Campaign）"的支持。把全世界所有退化的森林复育，总共可捕获约2,050亿吨碳，约占所有碳排放量的三分之二。[27]

截至2050年，如果全球所有新造建筑都使用90%的木材（主要在低楼层建筑中大量采用木材），每年可净捕集7亿吨碳，[28][29]如此可减少2019年当年碳排放量的2%。[30]除此之外，还可减少制造高碳排放量建材如钢铁或混凝土等的碳排放。

城市林业 编辑

所谓城市林业（英语：Urban foresty）指的是在城市内增加新的植树场地来增加二氧化碳捕集量，并将其封存。[31]这种城市内植林的规模通常较小。城市林业根据其植被类型，会产生不同的结果，可充当为碳汇，但有时会成为排放源。[32]在炎热地区，树木通过提供遮荫和蒸发散作用，有重要的降温功能，可节省对空调的需求，而减少温室气体排放。[32]

湿地 编辑

参见：蓝碳（英语：Blue carbon）
 
健康的湿地生态系统中的一例。
 
全球蓝碳所在地分布图（海草森林（绿色）、盐碱滩（黄色）及红树林（棕色）。[33]

湿地复育涉及重建或复育的手段，把湿地的自然生物、地质和化学功能恢复。 [34]这种做法也被提出作为气候变化缓解策略之一。[35]当地的土壤，特别是红树林、海草林地、盐碱滩等的[35]是重要的碳库。世界上20-30%的土壤碳存在湿地中，而湿地只占世界土地的5-8%。[36]研究显示复育后的湿地可成为具有生产力的碳汇。[37][38][39]美国和世界各地均已实施许多复育项目。[40][41]湿地的复育与保护除对气候有益之外，还有助于保护生物多样性、改善水质，并有助于防洪。[42]

湿地与森林一样，必须持续不受到干扰，才能完成封存过程。如果受到任何干扰，储存在当地植物和沉积物中的碳将会再度被释放进入大气，而无法发挥碳汇的功能。[43]但一些湿地会释放非二氧化碳的温室气体，例如甲烷[44]和一氧化二氮，[45]可能会抵消潜在的气候效益。湿地能固碳（这种过程称为蓝碳）的数量也很难测量。[42]

湿地生态系统是当水流入植被茂盛的土地，当地的植物经适应后所形成。[46]湿地在三个不同的地区发生：[47]海洋湿地存在于沿海的浅岸地区、潮汐沼泽（英语：Tidal marsh）也位于沿海地区，但分布于更内陆的地方，而非潮汐沼泽则存在于内陆且未受潮汐的影响。湿地土壤是重要的碳汇，有另一资料显示世界上14.5%的土壤碳存在于湿地中，而世界上只有5.5%的土地是湿地。[48]湿地不仅是个巨大的碳汇，而且还有许多其他好处，例如汇集洪水、过滤空气和水中污染物，以及为众多鸟类、鱼类、昆虫和植物提供栖息地。[47]

气候变化会改变土壤碳储存的功能，将其从碳汇转变为碳排放源。[49]随着气温上升，湿地，及尤其是永久冻土地区的温室气体排放会随之增加。当永久冻土融化时，土壤中的可用氧气和水会增加，[49]导致土壤中的细菌产生大量二氧化碳和甲烷，然后释放进入大气。[49]

气候变化与湿地之间的联系尚未完全被了解。[49]目前还不清楚复育后的湿地如何经过管理，却仍是甲烷的排放源。但保护这些区域将有助于防止碳进一步释放进入大气。[50]

沼泽和酸性泥炭沼泽 编辑

沼泽蕴藏地球生态系统中大约30%的碳。[50]当它们被排水，转用作农地和建造城市时，由于其面积巨大，会有大量的泥炭分解并排放二氧化碳进入大气中。 [50]一片泥炭地的消失，其土壤及植被所所排放的碳会比同一块地中经历175-500年的甲烷排放（英语：Methane emission）还要多。[49]

泥炭沼泽之能充当碳汇，是因为其会积累仅部分腐烂的生物质，否则这些生物质将会持续完全腐烂。泥炭地作为碳汇或碳源的作用存在差异，与世界不同地区和一年中不同时间的气候状况有关联。[51]通过建立新的沼泽或增强现有的沼泽，所能固存的碳量将会增加。[52]

农业 编辑

参见：碳汇
 
多年生草本植物柳枝稷，可生产生物柴油、保护土壤及将二氧化封存存于土壤中。

农田土壤中的土壤有机碳（SOC）比自然植被的含量为低。当土壤由自然土地或半自然土地（如森林、林地、草地、草原和疏林草原）转变为农田时，土壤中的SOC含量会减少约30-40%。[53]这种损失是由于作物吸收，经反复收获后所造成。当土地利用发生变化时，土壤中的碳会增加或是减少，这种变化将持续下去，直到抵达新的平衡。这种平衡的偏差也会受到气候变化的影响。[54]SOC含量降低可利用增加碳输入来抵消。达到目的的策略有几种，例如将收获后的残余留在田间、使用动物粪便作为肥料，或将多年生作物纳入轮作。多年生作物具有较大的地下根生物量，可增加SOC的含量。[53]多年生作物减少耕作的需求，有助于减缓土壤侵蚀，而增加土壤有机质。在全球的土壤中估计含有超过8,580吉吨（Gt，十亿吨）有机碳，超过地表植被中所含有的十倍。[55]研究人员发现气温上升会导致土壤微生物数量激增，将储存的碳转化为二氧化碳。在实验室所做的实验，经加热后，富含真菌的土壤所释放的二氧化碳比别的土壤少。[56]

改变农业做法是种公认的碳封存方法，因为土壤可作为有效的碳汇，每年因此可抵消2010年二氧化碳排放量的20%。[57]（参见免耕农业（英语：No-till farming））。透过恢复有机农业和利用蚯蚓可抵消大气中每年4吉吨的二氧化碳。 [58]（参见堆肥）。

减少农业碳排放的方法可分为两类：减少和/或替代排放，以及增强由大气中移除。其中一些减排涉及提高农场运作效率（例如使用更节能设备），而另一些涉及中断自然碳循环。此外，一些有效的技术（例如避免秸秆焚烧[59]）可能会造成其他环境影响的顾虑（因杂草未受燃烧去除而需增加使用除草剂）。

由于目前保护森林措施尚不能解决导致森林砍伐背后的驱动因素（亚马逊森林遭受砍伐的最大的驱动因素是开辟土地作牧场，生产牛肉），[60]）因此还需有管理政策。这些措施可有效禁止和/或逐步阻止与森林砍伐相关的活动，例如通过产品来源信息要求、全球森林观察等卫​人造​星监测系统、相关环保关税及产品认证。[61][62][63]

大草原 编辑

对大草原作复育是项保育工作，目的在恢复因工业、农业、商业或住宅开发而受破坏的大草原土地。[64]主要目标是将地区和生态系统恢复到之前的状态。[65]这些复育的地块中能储存的SOC质量通常大于复育前种植作物所产生，可充当更为有效的碳汇。 [66][67]

城市草坪 编辑

城市草坪可储存大量的碳。储量会随着时间的演进，由最近的干扰（例如房屋建设）后开始，逐步增加。[68]

农法存碳 编辑

本节摘自农法存碳（英语：Carbon farming）。

所谓农法存碳是各种农法的总称，目的是捕集大气中的碳，然后将其封存到土壤以及作物根部、木材和树叶中。增加土壤有机质的含量可帮助植物生长、增加土壤中总碳含量、提高土壤保水能力，[69]并减少施用肥料。[70]农法存碳是气候智能型农业（英语：climate-smart agriculture）中的一种。农法存碳法通常有其成本，农民和土地所有者需找出方法从这类农法中获利，因此需要政府制定政策及提供奖励予以协助。[71]

竹类种植 编辑

主条目：竹业（英语：Bamboo farming）

竹林所能储存的碳总量比一般成熟的森林为少，但其固碳的速度比成熟的森林或树木种植园快得多。因此，竹材种植具有显著的碳截存潜力。[72]

土壤深部 编辑

据估计，全球土壤中含有约2,500吉吨碳，是大气中含量的3倍多，是活体植物和动物中碳含量的4倍。[73]全球非永久冻土地区中，约有70%的土壤有机碳存在1米深的土壤中，并透过矿物-有机组合来固定。[74]

加强碳移除 编辑

所有农作物在生长期间都会吸收二氧化碳，而在收获后释放。移除农业产生二氧化碳的目标是利用作物及其与碳循环的关系，而把碳永久封存在土壤中。做法是把生物质返还土壤，让植物所含的碳还原至元素形式，并以稳定状态储存。方法包括有：

  • 在作物种植季节之间，使用覆土作物如草和杂草临时覆盖地表
  • 将牲畜集中在小围场中，一次连续几天，让其能轻松而均匀吃草。如此做可促使草类根部能深入土壤。土地因受牲畜践踏，老草和粪便会渗入土壤。[75]
  • 用干草或枯枝覆盖光秃的围场，以免土壤免受阳光照射，让土壤能保住更多的水分，有利碳捕集微生物生长。[75]
  • 把退化、边际和废弃的土地复育，重新用于农业或其他用途，以减缓碳释放。[76]已退化、储藏较少碳的土壤具有特别高的土壤碳储存潜力，经适当选择植被可进一步增强这种潜力。 [77][78]

利用农地封存碳的做法可对土壤、空气和水质产生积极影响、有利于野生动物以及扩大粮食生产。在退化农田中，每增加1吨土壤碳储存，每公顷可增产20至40公斤小麦、或可增产10至20公斤玉米或是增产0.5至1公斤豇豆。[79]

农地固碳的能力可被逆转。当土壤受到破坏，或是采用集约耕作方式，土壤反而会成为温室气体的净排放源。通常土壤经过封存几十年后，会变得饱和并停止吸收碳。表示全球土壤所能容纳的碳量有其限度。[80]

土壤封存碳的成本受许多因素影响，包括土壤品质（英语：soil quality）、交易成本和各种外部因素，例如泄漏和不可预见的环境破坏。由于移除大气中的二氧化碳是种长期事业，当没明确的作物、土壤或经济效益时，农民可能会不愿意采用成本更为昂贵的农业技术。澳大利亚和新西兰等政府正在考虑当农地的土壤碳含量已充分增加后给予证明，之后得以碳信用的形式出售。[75][81][82][83][84][85]

生物碳 编辑

主条目：生物炭

生物炭是将废弃生物质利用热裂解所产生的木炭。然后运送到掩埋场，或用作土壤改良剂以形成黑土。[86][87]在土壤中添加生物炭是种新颖的策略，可长期增加土壤碳储量，并可捕集大气碳（每年高达9.5吉吨）来缓解全球变暖。[88]在土壤中的生物炭不会因氧化而形成二氧化碳并随之释放。但有人担心生物炭可能会加速土壤中既有碳的释放。[89]

前述黑土为人造的高碳土壤，也被当作一种封存机制而进行研究。生物质经热裂解后，其中大约一半的碳可被还原为木炭（称为生物炭或农业炭），可在土壤中存在几个世纪，而成为一种有用的土壤改良剂，特别是在热带土壤中。[90][91]

地质封存 编辑

 
生物炭通常由废弃生物质经热裂解而成，或是运去掩埋，或用作土壤改良剂以形成黑土。

掩埋生物质 编辑

直接把生物质（例如树木）掩埋，等于模仿产生化石燃料的自然过程。 [92]全球利用掩埋木材的碳封存潜力估计为10 ± 5吉吨/年，其中热带森林 (4.2吉吨/年) 的占比最大，其次是温带 (3.7吉吨/年) 和北方针叶林 (2.1吉吨/年) 。[12]据估计世界森林的地表有65吉吨粗木质材料可进行掩埋，掩埋木材封存碳的成本为50美元/吨，远低于如在燃烧化石燃料发电厂进行的碳捕集。[12]二氧化碳经光合作用（自然过程）而转化为木材生物质，是种基于自然的解决方案，被提出的方法包括建立"木材库"，将（含碳的）木材在无氧条件下储存。[93]

地质封存 编辑

主条目：碳捕集与封存

地质封存指的是将二氧化碳储存在开采过后的油气井、卤水地层或是深处无法开采的煤层中。

当从点源（例如水泥厂）捕获二氧化碳后，[94]先将其压缩到约100巴的超临界流体，然后经管道运输到储存地点，再注入地下深处（通常深达1公里左右），可稳定储存达数亿年。[7]在此类的储存条件，超临界二氧化碳的密度为600至800公斤/立方米。[95]

良好碳储存地点所具备的要件为：岩石孔隙度、渗透性、无断层和岩层的几何形状。理想地点的介质（例如砂岩或石灰岩）具有高孔隙率和渗透性。砂岩的渗透率范围为1至10−5达西，孔隙率高达约30%。多孔岩石之上必须覆盖一层低渗透性岩石，作为密封层（或称盖层）。页岩是种非常好的盖层，渗透率为10−5至10−9达西。一旦注入，二氧化碳羽流将通过浮力上升，因为其的密度低于周围环境。一旦抵达盖层，在遇到缝隙之前会持续横向扩展。如果注入区附近有断层，二氧化碳就有沿着断层移到地表，泄漏到大气中的可能，对周围地区的生命构成危险。另一风险是此种储存会诱发地震活动。如果注入二氧化碳产生过高的压力，地层就会破裂，而引发地震。[96]

二氧化碳在地底可以超临界流体相存在，或是溶解在地下水/卤水中。它也可与地质构造中的矿物质发生反应，产生碳酸盐。

全球地下原储存油气的空间估计可用来储存675-900吉吨的二氧化碳，而无法开采的煤层估计可储存15-200吉吨的二氧化碳。深层卤水层的容量最大，估计有1,000–10,000吉吨的容量。[95]估计在美国的二氧化碳总储存容量至少为2,600吉吨，最多为22,000吉吨。[97]

智库全球碳捕集与封存研究所（Global CCS Institute）总结许多既存大型碳捕集与封存项目，已证明这种碳储存方法的可行性和安全性。[98]对于储藏点的主要的监测技术是震波成像 - 人造震波通过地下传播，然后经折射/反射波来产生地质构造成像。[96]

美国能源部于2020年9月拨付7,200万美元联邦资金，用于支持碳捕集技术的开发和推展。[99]

美国从1972年开始就广泛使用二氧化碳于提高原油采收率（简称EOR）作业。[10]仅德克萨斯州就有超过10,000口油井被注入二氧化碳。这些气体部分源自人为作业，但主要产自大型天然地质构造，经由超过5,000公里（3,100英里）的大型二氧化碳管线网络输送到油田。也有在加拿大西部沉积盆地（WCSB）重质原油产地中使用二氧化碳辅助采收的建议。[100]但运输这类二氧化碳的成本仍然是一个重要障碍。 WCSB当地尚无广泛的二氧化碳管线系统。可产生大量二氧化碳的阿萨巴斯卡油砂产地（每年约7,000万吨）位于前述重质原油储层以北仅数百公里，最有机会让重质原油开采受益。

矿物封存 编辑

所谓矿物封存的做法是以生产固体碳酸盐的形式捕集碳。这个过程在自然界中进行得很慢，是地质时期石灰石沉淀与积累的原因。地下水中的碳酸与硅酸盐类缓慢反应，溶解钙、镁、碱和二氧化硅，并留下粘土矿物残留物。溶解的钙和镁与碳酸氢盐发生反应，沉淀为碳酸钙和碳酸镁，水中甲壳类生物体用此种过程来制造外壳。生物体死亡后，其外壳沉降，最终累积成石灰石。石灰石经过数十亿年的地质时间，含有地球上的大部分碳。正在进行的研究目的在加速与碱-碳酸盐反应（英语：Alkali–carbonate reaction）类似的过程。[101]

一些蛇纹岩矿床正受到调查，作为潜在的大规模二氧化碳储存所在，例如在澳大利亚新南威尔士州的蛇纹岩矿床正进行首个矿物碳酸化试验工厂项目。[102]从过程中可将碳酸镁再利用，作为建筑业和农业开发的新产品原料，有碳汇的作用，而无需将碳送返大气。 [103]

一种提议是把富含橄榄石的纯橄榄岩，或其水合等效的蛇纹岩与二氧化碳形成碳酸盐矿物 - 菱镁矿，以及二氧化硅和氧化铁（磁铁矿）。

由于蛇纹岩产生的碳酸镁不具毒性且稳定，这种封存法受到青睐。理想的反应涉及橄榄石（反应1）或蛇纹岩（反应2）的镁端元成分，后者通过水合和硅化衍生自早期橄榄石（反应 3）。橄榄石或蛇纹岩中的铁会降低封存效率，因为这些矿物的铁成分会分解为氧化铁和二氧化硅（反应4）。

类沸石咪唑酯框架 编辑

主条目：类沸石咪唑酯框架（英语：Zeolitic imidazolate frameworks）

类沸石咪唑酯框架（简称ZIF）是类似于沸石的]金属有机框架材料。由于ZIF具有的孔隙率、化学稳定性和耐热性，人们正在检查ZIF捕集二氧化碳的能力。[104]ZIF可用于阻止工业二氧化碳排放进入大气。[105]

矿物碳酸化 编辑

二氧化碳与金属氧化物（例如方解石、菱镁矿）发生放热反应，生成稳定的碳酸盐。这种过程（二氧化碳转化为石头）会在数年的时间内自然发生，并导致大量地表石灰石形成。橄榄石就是其中一种金属氧化物。.[106]富含可与二氧化碳发生反应的金属氧化物的岩石，例如玄武岩中含有的氧化镁和氧化钙已被证明是捕集与封存二氧化碳的可行方法。[107][108]

地壳中几种有代表性的金属氧化物
氧化物 地壳中占比 碳酸盐 标准反应焓变 (焦耳每摩尔（kJ/mol）)
氧化钙 4.90 碳酸钙 −179
氧化镁 4.36 碳酸镁 −118
氧化钠 3.55 碳酸钠 −322
氧化亚铁 3.52 氧化铁 −85
氧化钾 2.80 碳酸钾 −393.5
三氧化二铁 2.63 碳酸亚铁 112
所有氧化物 21.76 所有碳酸盐

现成的超基性岩尾矿细粒金属氧化物，可用于此目的。[109]通过矿物碳酸化，可利用微生物过程增强矿物溶解和碳酸盐沉淀，达到加速被动二氧化碳封存目的。[110][111][112]

可透过化学过程将二氧化碳从大气中移除，并以稳定的碳酸盐矿物形式储存。此过程（二氧化碳化为矿石）被称为"矿物碳化除碳"或矿物封存。过程涉及二氧化碳与充足可用的金属氧化物（氧化镁 (MgO) 或氧化钙 (CaO)）反应而形成稳定的碳酸盐。这些反应有放热过程，可在自然界发生（例如岩石在地质时期的风化过程）。[113][114]

CaO + CO
2 → CaCO
3
MgO + CO
2 → MgCO
3

钙和镁在自然界中通常以硅酸盐（例如镁橄榄石和蛇纹岩）的形式存在，而不是以二元氧化物的形式存在。对于镁橄榄石和蛇纹岩，反应为：

Mg
2SiO
4 + 2 CO
2 → 2 MgCO
3 + SiO
2
Mg
3Si
2O
5(OH)
4+ 3 CO
2 → 3 MgCO
3 + 2 SiO
2 + 2 H
2O

上述两种反应在低温下较为有利。[113]这个过程在地质时间内自然发生，并且是地球表面大部分石灰石的形成原因。通过更高的温度和/或压力下反应可让反应速率更快，但需要一些额外的能量。或者可将矿物研磨以增加其表面积，并暴露于水和持续摩擦以去除惰性二氧化硅，可将橄榄石倾倒在海滩，透过自然的高能涌浪冲刷来实现。[115]实验显示使用多孔的玄武岩，可产生相当快的风化过程（仅需一年）。[116][117]

二氧化碳会自然与蛇绿岩套表面的橄榄岩发生反应，特别是在阿曼。有人建议可加强此一过程来进行二氧化碳的自然矿化。[118][119]

当二氧化碳溶解在水中并注入地下热玄武岩时，显示二氧化碳会与玄武岩发生反应，形成固体碳酸盐矿物。[120]有家位于冰岛的试验工厂于2017年10月启动，每年从大气中捕集多达50吨二氧化碳，并将其储存在地下玄武岩中。[121]

于加拿大英属哥伦比亚省的研究人员开发一种低成本的菱镁矿（也称为碳酸镁）生产工艺，可截存空气中或污染点源（例如火力发电厂）中的二氧化碳。有天然存在的菱镁矿晶体，但通常累积非常缓慢。[122]

混凝土是种有前途，用来捕集二氧化碳的物质。混凝土具有的几个优点包括（但不限于）：由于在世界各地均有大量生产，因此提供充足的钙、二氧化碳以碳酸钙形式储存，具有稳定热力学条件，以及其在基础建设中广泛使用，可长期将二氧化碳封存。[123][124]除新生产的混凝土外，拆除的混凝土废料或再生混凝土仍可用为建材。[125]德国上市海德堡水泥公司的研究显示将拆除和再生的混凝土转化为补充混凝材料，在新混凝土生产中可与波特兰水泥一起充当辅助粘合剂而维持碳封存。[126][127]

海洋封存 编辑

海洋碳泵 编辑

更多信息：溶解度泵（英语：Solubility pump）和生物泵
 
示意图，显示深海食物网（英语：Marine food web）中，海洋微生物（英语：Marine microorganism）如何参与海洋输入二氧化碳（含沉降至海底），及重返大气的流程。

海洋通过不同的过程可自然封存碳。[128]溶解度泵将二氧化碳从大气转移到海洋表面，与水分子反应形成碳酸。二氧化碳的溶解度随着水温的降低而增加。温盐环流将溶解的二氧化碳转移到更易溶解的较冷水域，而增加海洋内部的碳浓度。生物泵通过光合作用将无机碳转化为有机碳，将溶解的二氧化碳从海洋表面转移到海洋内部。在呼吸作用和再矿化作用中幸存下来的有机物可经下沉的颗粒和生物体迁移到深海中。

沿海植被生态系统 编辑

本节摘自蓝碳（英语：Blue carbon）。

蓝碳是在减缓气候变化背景下所采用的一个名词，指的是"生物驱动的碳通量和海洋系统中易于管理的碳储存。"[129]:2220最常见的是潮汐沼泽、红树林以及海草在碳截存中的作用[129]:2220这样的生态系统有助于减缓气候变化以及促进基于生态系统的调适（英语：Ecosystem-based adaptation）。当蓝碳生态系统退化或是消失时，其所截存的碳将会返回大气中。[129]:2220

海藻养殖和藻类 编辑

更多信息：海藻种殖（英语：Seeweed farming）
 
海藻林
 
海草林（英语：Seagrass meadow）

海藻生长在浅海和沿海地区，可捕集大量的碳，然后通过海洋机制输送到深海，如此抵达深海的海藻可将碳隔离，防止其与大气交换长达数千年。[130]有人建议在近海种植海藻，目的是海藻会沉入海洋深处以封存碳。 [131]此外，由于海藻生长迅速，理论上可收获和加工（厌氧消化）产生生物甲烷（可再生天然气），作为天然气的替代品，作发电之用。一项研究显示如果海藻养殖场覆盖9%的海洋，就可生产足够的生物甲烷用以取代地球对化石燃料能源的需求，每年从大气中消除53吉吨二氧化碳，并且每年为100亿人口以可持续生产方式生产人均200公斤的鱼。[132]适合这种海洋农业的理想物种包括海带类Laminaria digitata（英语：Laminaria digitata）、墨角藻属（英语：Fucus serratus）和糖海带（英语：Saccharina latissima）。[133]

人们正在研究利用一般海藻和微藻（英语：microalgae）作为碳封存的工具。[134][135]海洋浮游植物仅占全球植物生物量的1%，但其光合固定二氧化碳量占全球的一半（全球净初级产量每年约50Pg（Pg，拍克，1015克）），氧气产量也占一半。[136]

由于藻类缺乏陆地植物所具有的木质素，因此藻类中的碳会比陆地上捕集的更快返回大气。 [134][137]藻类被提议作为碳的短期储存库，并用作原材料以生产各种生物燃料。[138]

 
采收海藻的妇女。

大规模海藻养殖（称为"海洋造林"）可封存大量的碳。[139]野生海藻溶解的有机物质颗粒可将大量的碳封存，这些颗粒被输送到深海底部，埋藏后可保留很长一段时间。[140]目前所进行的海藻养殖是为提供食品、药品和生物燃料之用。[140]在以农法固碳方面的潜力，可透过大量繁殖海藻，收获后再运输到深海长期埋藏。[140]鉴于可用于农法固碳的陆地空间有限，海藻养殖法已引起关注。[140]目前海藻养殖主要发生在亚太沿海地区，该地区的市场增长迅速。[140]IPCC所发表的IPCC气候变化与海洋和冰冻圈特别报告（英语：Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate）中建议"进一步研究关注"海藻养殖作为一种缓解策略。[141]

海洋施肥 编辑

 
位于南大西洋阿根廷海岸外，曾经实验过的铁质施肥所造成的的藻华，但今日这种海洋碳截存的做法已不再被积极采用。

本节摘自海洋施肥（英语：Ocean fertilization）。

海洋施肥（也可写为ocean nourishment）是种从海洋中移除二氧化碳的技术，其基础是刻意将植物营养引入上层海水，以增加海洋植物产量，同时移除大气中的二氧化碳。[142][143]为海洋施肥，例如铁质施肥，可刺激浮游植物的光合作用。浮游植物可把海洋溶解的二氧化碳转化为碳水化合物，其中一些在氧化之前会沉入更深的海洋。在十多项公海所做的实验证实，经向海洋中添加铁质可让浮游植物的光合作用提高多达30倍。[144]

这是经过较为深入研究的二氧化碳移除 (CDR) 方法之一，但就时间尺度而言，这种方法封存碳的时间仅能维持在10-100年之间，依洋流混合时间而定。虽然表面海洋酸度会因施肥而降低，但当下沉的有机物再矿化时，深海酸度将会增加。 在2021年所发表对CDR的研究报告显示，这项技术具有高效、低成本且可扩展（中高置信度），而有中等置信度的环境风险发生机会。[145]海洋施肥的主要风险之一是养分掠夺，在此一过程，一个地点用于提高初级生产力的过量养分随后无法被下游的正常生产力所利用。而可能会导致远离原始施肥地点的生态系统受到影响。[145]

目前已有几种技术提出，包括微量营养素铁（称为铁质施肥）或氮和磷（均为常量营养素）施肥。但在2020年代初期所做的研究显示只能永久封存少量的碳。 [146]因此这种固碳作用并无重大前景。

人工涌流 编辑

人工涌流或是下沉流是种会让海洋水层变动而混合的方法。让不同的海洋水层混合，可移动营养物质和溶解的气体，为气候工程提供新的途径。[147]做法包括在海洋中放置大型垂直管道将营养丰富的水泵送到海面，引发藻华来达成，藻类在生长时会储存碳，在死亡后会输出碳。[147][148][149]如此产生的结果与铁质施肥有点类似。副作用之一是会发生二氧化碳浓度的短期上升现象，而限制其吸引力。[150]

把不同海水层混合，涉及将更稠密和更冷的深层海水输送到表面的混合层。海洋温度随着深度的增加而降低，更多的二氧化碳和其他化合物能够溶解在更深的海水中。[151]如使用大型垂直管道作为海洋泵[152]或装置混合器阵列来逆转海洋碳循环即可达到目的。[153]当富营养的深层海水移至海面时，藻类可大量繁殖，浮游植物和其他光合真核生物会吸收碳，而把二氧化碳降低。不同水层间的热量交换也会导致混合层的海水捕集并吸收更多的二氧化碳。但这种方法并没有获得太大的关注，因为藻华会阻挡阳光并释放有害毒素，而危害海洋生态系统。 [154]海水表层突然增加二氧化碳也会暂时降低海水的pH值，损害珊瑚礁的生长。海水中溶解的二氧化碳增加会产生碳酸，阻碍海洋生物钙化（英语：marine biogenic calcification）形成（妨碍有壳海生动物生存），对海洋食物链造成重大破坏。[155]

玄武岩存碳 编辑

这种封存法涉及注入二氧化碳进入深海地层。二氧化碳首先与海水混合，然后与玄武岩发生反应，这两者都是富含碱性的物质。这种反应导致Ca2+（钙）和Mg2+（镁）两种离子释放，形成稳定的碳酸盐矿物。[156]

对于其他形式的海洋封存碳法，注入海底玄武岩封存是种良好替代方式，因为它具有多种捕集机制，可确保额外的防泄漏保护。措施中包括"地球化学、沉积物、重力和水合物形成"。由于二氧化碳水合物比海水中的二氧化碳密度更大，因此泄漏的风险很小。在超过2,700米（8,900英尺）的深度注入二氧化碳可确保二氧化碳的密度大于海水，而维持下沉状态。[157]

一种可能的注射地点是位于北美洲板块西缘的胡安·德富卡板块。美国拉蒙特-多尔蒂地球观测所的研究人员估计此板块可能具有208吉吨的封存能力。容量可涵盖美国当前 100多年的全部碳排放量（参见美国温室气体排放（英语：Greenhouse gas emissions by the United States））。[157]

冰岛从事碳封存的公司CarbFix（英语：CarbFix）测试一个研究项目 - 注入250吨二氧化碳之后，其中的95%在两年内固化成方解石，每固化一吨二氧化碳需要消耗25吨的水。[117][158]

矿化与深海沉积物 编辑

参见：远海沉积物

与岩石中的Mineralization (geology)相同的作用也会在海底发生。二氧化碳从大气溶解到海洋的速度取决于海洋的环流周期和隐没带对海水的缓冲能力。 [159]研究人员已证明把二氧化碳封存在几公里深的海沟后，可在那儿维持长达500年之久，但取决于注入地点和条件。多项研究显示虽然此法可有效封存二氧化碳，但随着时间的演进，二氧化碳仍会被释放回大气中。但此情况至少在接下来的几个世纪里不太可能发生。 自然发生碳酸钙碱性溶解物可降低海水因二氧化碳增加而pH值降低的现象，因此可让海水容纳更多的二氧化碳。

除采用添加碳酸矿物以加速风化之外，另一种建议是进行深海沉积物注入，把液态二氧化注入至少3000米以下的海洋沉积物中，促使二氧化碳水合物生成。可实验的两个区域是勘探：1）负浮力区（NBZ），液态二氧化碳的密度高于周围海水，因此具有中性浮力的区域；2）水合物形成区（HFZ），通常具有低温和高压。

添加碱以中和酸 编辑

更多信息：海洋酸化

二氧化碳溶解在水中时会形成碳酸，因此海水中二氧化碳水平升高后就会发生海洋酸化，并会限制二氧化碳进一步被海洋吸收的速度（溶解度泵）。有几种碱被认为可以中和海水中的酸性，而提高吸收二氧化碳的数量。[160][161][162][163][164]例如向海中添加碎石灰石可以增强二氧化碳的吸收。[165]另一种方法是将海水或卤水电解而产生的氢氧化钠添加到海中，同时利用顽火辉石等火山硅酸盐岩石来中和废弃盐酸，有效提高这些岩石的自然风化速度，以提升及恢复海洋的pH值。[166][167][168]

一步式碳捕集与封存 编辑

一步式碳捕集与封存是种以卤水为基础的矿化技术，从海水中捕集二氧化碳并以固体矿物的形式储存。[169]

遭放弃的想法 编辑

直接深海二氧化碳注入 编辑

主条目：直接深海注入二氧化碳法（英语：Direct deep-sea carbon dioxide injection）

曾经有人提出把二氧化碳直接注入深层海水，将其储存在其中长达几世纪的想法。这一提议在当时被称为"海洋封存"，但更准确的称法为"直接深海注入二氧化碳法"。但自2001年左右以来，由于对海洋生物的未知影响、[170]:279高成本以及对其稳定性或持久性的担忧，人们对这种途径的兴趣大幅减少。[7]2005年发布的《IPCC二氧化碳捕集与封存特别报告》将这一技术作为一种选项。[170]:279但2014年发布的IPCC第五次评估报告中的气候变化缓解部分已不再提及"海洋封存"。[171]最近的2022年IPCC第六次评估报告在其"二氧化碳移除分类"中也不再提及"海洋封存"。[172]:12–37

成本 编辑

封存的成本（不包括捕集与运输）各不相同，但在某些陆上封存的成本会低于每吨10美元。[173]而Carbfix的成本约为每吨二氧化碳25美元。[174]于2020年发表的一份报告估计利用森林封存（包括捕集）的费用为每吨35美元至280美元，占控制升温不超过1.5°C所需总成本的10%，[175]但透过森林封存，会有因发生森林火灾而造成释放的风险。[176]

研究人员提出如下的担忧：使用碳补偿与碳信用（英语：Carbon offsets and credits）（例如通过维护森林、林地复育或碳捕集）以及可再生能源证书，[177]会让产生污染的企业照旧行事，继续释放温室气体，[178][179]以及受到不恰当信任、采用未经验证的技术手段（英语：Technological fix）。[180]这还包括在IPCC第六次评估报告中提及需仰赖大型负排放技术，而被批评是包含"很多白日梦"。[181]由知名科学家、企业家及娱乐界人士组成的斯坦福解决方案项目（英语：Stanford Solutions Project）所发布的一项研究综述，其结论是，依赖碳捕集与封存/利用 (CCS/U) 是种危险的干扰，因为此类做法（在大多数大规模情况下）会成本高昂，增加空气污染和采矿作业，效率低下，且不太可能按时间要求进行大规模部署。[182]

 
有争论认为把土地权利交还给原住民，能更有效保护森林。

社会与文化 编辑

更多信息：二氧化碳移除 § 问题和碳捕集与封存

在气候变化政策中的应用 编辑

美国 编辑

更多信息：美国气候变化政策（英语：Climate change policy of the United States）和美国气候变化（英语：Climate change in the united States）

美国从2010年代中后期开始，有许多气候和环境政策都试图利用碳截存在气候变化缓解中所具有的潜力。其中许多政策涉及保护碳汇生态系统，如森林和湿地，或鼓励目的在增加碳截存的农业和土地利用做法，如农法存碳或混林农业，通常透过对农民和土地所有者提供财政激励来倡导。

拜登总统于2021年1月27日签署的《关于应对国内外气候危机的行政命令》中多次提到经保护和复育湿地和森林等碳汇生态系统来固碳。其中包括强调农民、土地所有者和沿海社区在碳封存方面的重要性，指示美国财政部通过基于市场的机制促进碳汇保护，以及指示美国内政部与其他机构合作，进行创建民间气候团队，增加农业固碳等多项措施。[183]

参见 编辑

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Scholia上有关碳截存（Q15305550）的信息

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