蓝色固碳潜力：海洋碳捕获新视野 - 海洋酸化化学反应机制

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蓝色固碳潜力：海洋碳捕获新视野

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Laurent Bopp

法国皮埃尔·西蒙·拉普拉斯气候研究所动力气象学

实验室法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任

T. Alan Hatton

麻省理工学院化学工程实践学教授

海洋碳汇也即“蓝碳”，是利用海洋活动及海洋生物吸收的二氧化碳，并将其固定、储存在海洋中的过程。但是，这种固碳方式不足以抵消人类往大气层中排放的大量温室气体。海洋现在只能吸收人类温室气体排放量的25%。IPCC声明，必须通过人工方式捕获大气中的二氧化碳，才能避免全球气温持续变暖。那么，如何人为的增强海洋固碳能力？

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二氧化碳能通过天然的物理化学过程，溶解在海洋表层水中。海洋是一个天然的巨型碳汇，吸收人类的温室气体排放。

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但由于人类活动排放的二氧化碳快速增加，海洋现在只能吸收人类温室气体排放量的25%。

碱化海水，提高其pH值，能增加海洋吸收二氧化碳的能力，扭转海洋持续酸化的趋势。

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有建模显示，地中海如果碱化30年，碳捕获潜力有可能增加一倍。

然而，相关研究几十年前才刚刚起步，科学家对上述机制乃至海洋系统本身知之甚少。

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防止全球变暖，能靠海洋的固碳力量吗？诚然，减少人类的温室气体排放很重要。按照当前的人类发展速度，想仅靠植物、海洋和土壤的天然固碳能力减少大气中二氧化碳浓度几乎是不可能的，浓度必将继续上升。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）声明，必须通过人工方式捕获大气中的二氧化碳，才能将全球变暖限制在2°C之内[1]。研究者们提出了各种方式，包括重新造林、碳捕获+贮存+生物能源转化、生物炭散布、以及海洋改造。今天就让我们将目光转向海洋，一窥海洋的潜力。

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海洋鲜为人知的固碳功能

海洋是一个天然的巨型碳汇。IPCC在一份最新的报告中指出：“海洋的碳含量是大气的45倍，已经吸收了近30%至40%的人为碳排放。”二氧化碳能通过天然的物理化学过程，溶解在海洋表层水中，随后通过洋流下沉至深海。遗憾的是，这种现象不足以抵消人类往大气层中排放的大量温室气体。来自法国皮埃尔·西蒙·拉普拉斯气候研究所动力气象学实验室的专家Laurent Bopp解释道：“海洋表层水正在迅速达到饱和，而相比于大气二氧化碳浓度的快速上升，水溶二氧化碳下沉到深海的速度太慢了。因此，海洋现在只能吸收人类温室气体排放量的25%。”气候变化引发的自然现象也会削弱海洋的固碳能力，“比如地表水温上升、洋流变化以及浮游植物繁殖量下降。”

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“海洋现在只能吸收人类温室气体排放量的25%。”

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鉴于此，一些人提出了人为增强海洋固碳能力的想法，例如自20世纪80年代末流行起来的“铁质施肥”，促进海洋浮游植物生长，从而加快水溶二氧化碳向海底的转移，让海洋捕获更多的大气二氧化碳。Bopp说：“自2000年代以来，就有人通过建模试图分析这项技术的潜力，但人类排放实在太多了，‘铁质施肥’可谓是杯水车薪。”

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碱化海水提高pH值，捕获更多CO2

另一种增加海洋固碳能力的主流思路是人工碱化海洋。麻省理工学院化学工程实践学教授T. Alan Hatton 解释道：“我们正在研究是否能通过碱化海水，提高pH值，从而捕获更多大气二氧化碳。”具体而言，可以将碱性矿物粉末投入海洋中，也可以使用电化学反应。这些技术的优点是能增加海洋的捕碳能力，同时扭转海洋持续酸化的趋势。酸化对海洋生态系统害处很大。Hatton 说：“海洋碱化技术还在起步期，处于实验室阶段，不过也有一些小规模的示范项目。”今年6月初，《麻省理工科技评论》报道[2]，MetaPlatforms前首席技术执行官Mike Schroepfer创办了一个致力于海水人工碱化的非盈利组织（Carbon to Sea）。Bopp说：“海水碱化的实践比铁质施肥少，仅有的实地试验都是在近海进行的，而非远洋。” 加利福尼亚大学洛杉矶分校下属的一所致力于碳捕获的研究所于2022年底宣布[3]，将通过其初创公司SeaChange在洛杉矶和新加坡部署两个试点系统，通过电解使水碱化，溶解在水中的二氧化碳会转化为固体碳酸盐以及水溶性碳酸氢盐[4]。

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图片来源：PI France

近日，美国麻省理工学院的研究团队开发了一种“高效、低成本”的新型碱化工艺[5]，虽然基于电解，但不使用膜或化学制剂，以控制成本，降低系统复杂性。该系统类似于电池：电流在两个电极之间流动。电极浸入海水中，发生化学反应。溶解在水中的二氧化碳以气态形式被提取并收集，海水发生碱化。团队称：“这些模块可以安装在海上风力发电场或太阳能发电场的固定平台上，或者在海上航行的货船上，或者集成到陆上海水淡化设施中。”

经过优化后，系统可以以56美元的价格捕获一吨二氧化碳。Hatton是该课题合著者，据他介绍：“尽管系统还有待改进，但我们有信心实现产业化。”不过，仅收集二氧化碳气体是不够的，还需要“回收”——将其转化为合成燃料，或长期储存在地质储层中，但相关技术都还没实现规模化。

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海水碱化：崭露潜力

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人为碱化海洋，能捕获足够多的二氧化碳吗？国际能源署估计，到2050年，每年需要捕获和封存70亿吨二氧化碳，才能实现碳中和[6]，美国国家科学院的估算则为每年10亿吨[7]。据IPCC估算，如果温室气体能均匀地被全球海洋表面吸收，海洋理论上能够储存数千Gt（千兆吨）二氧化碳，且不会超过工业化前的碳酸盐饱和水平。多项研究指出海洋有每年储存几Gt二氧化碳的潜力。有建模显示，地中海如果碱化30年，碳捕获潜力有可能增加一倍[8]。Bopp说：“估算和监测这些手段能吸收多少大气二氧化碳，具有重要意义。”但现有的研究仍存在很多不确定性，技术的潜力有多大，当下也难以捉摸。

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“地中海如果碱化30年，碳捕获潜力有可能增加一倍。”

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由于海洋中可溶解的二氧化碳远高于大气，海水碱化成为了研究热点。Bopp说：“与浮游植物施肥不同，海水碱化是基于物理化学过程，其机理比生物反应更明确。”另一个优点是海水碱化在理论上没有固碳上限。Bopp补充道：“海洋吸收二氧化碳，本来就是地球在宏观时间尺度上进行气候自我调节的一种关键手段。”然而，相关研究几十年前才刚刚起步，科学家对这些自我调节的机制乃至海洋系统本身知之甚少。碱性水入海也许能减轻海洋酸化的有害影响，但是否会伤害生态系统？暂无相关研究。Hatton 总结道：“碱性水要均匀地注入海洋，以避免破坏生物多样性。而且，海水过滤会导致营养物富集、改变生物的栖息地，这些都是未来需要考虑的。”

作者

Anaïs Marechal

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编辑

Meister Xia

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1. IPCC, 2022: Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [P.R. Shukla, J. Skea, R. Slade, A. Al Khourdajie, R. van Diemen, D. McCollum, M. Pathak, S. Some, P. Vyas, R. Fradera, M. Belkacemi, A. Hasija, G. Lisboa, S. Luz, J. Malley, (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA. doi: 10.1017/9781009157926

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2. Website consulted 7 June 2023: https://www.technologyreview.com/2023/06/06/1074124/metas-former-cto-has-a-new-50-million-project-ocean-based-carbon-removal/

3. Website consulted 7 June 2023: https://samueli.ucla.edu/ucla-institute-for-carbon-management-to-unveil-seawater-based-carbon-removal-pilot-systems-in-los-angeles-and-singapore/

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4. Website consulted 7 June 2023: https://icm.ucla.edu/work

5. Kim, S., et al. (2023), Asymmetric chloride-mediated electrochemical process for CO2 removal from oceanwater, Energy Environ. Sci, 16, 2030–2044.

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6. IEA (2021), Net Zero by 2050, IEA, Paris https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050, License: CC BY 4.0

7. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2019. Negative Emissions Technologies and Reliable Sequestration: A Research Agenda. Washington, DC: The National Academies Press. doi: 10.17226/25259.

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8. Butenschön, M, et al. (2021), Alkalinization scenarios in the Mediterranean Sea for efficient removal of atmospheric CO2 and the mitigation of ocean acidification, Front. Clim., Sec. negative emission technologies, volume 3.

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