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人工捕碳岛，增强海洋碳吸收
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) b! [6 s9 D7 f' Y, k8 P+ B% ^ Cédric Tard
1 d! V9 [4 B( a 巴黎综合理工学院教授、分子化学实验室主任、
$ K( Z1 r# B1 M) B0 M% S6 y) Y- z 法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任
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通过人工方式捕获大气中的二氧化碳，对于避免全球气温持续变暖不可或缺。科学家们正积极开发各种新技术从海洋中捕集碳，提升海水吸收大气二氧化碳的能力。那么，如何增强海洋固碳能力？XSeaO项目的Cédric Tard 教授团队正在研究如何通过人工岛进行碳捕集。人工岛方案具有什么优势？在实际应用中又存在哪些障碍？ * F- S( p% h4 G
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联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，想要将地球升温控制在2℃以内，人工碳捕捉不可或缺。
' ^2 |- S3 v( e% O, P( } 近日，XSeaO项目的 Cédric Tard 教授团队将启动首个人工岛碳捕集实地试点，就在巴黎综合理工学院校内湖泊上。
; i- L3 u$ o1 h+ `4 H( G# E 人工岛上安装的模块能提取湖水中的二氧化碳，增加水体吸收大气二氧化碳的能力
: U6 D3 }6 C. y3 w5 X* c j6 F 另一个模块负责水体电解，与提取的二氧化碳反应，制造合成燃料。
6 k3 X) i: @+ d! }6 f 这套技术能实现零碳排放，不过现在仍在进一步优化中，研究者预计每天能处理4m的水，合成1L的燃料。
/ Z7 O0 u( Z* U( m8 ^; U 为应对全球变暖，科学家们正积极开发各种新技术：给海洋浮游生物施肥、海水人工碱化…其基本逻辑都是提升海洋的天然碳捕获能力，抵消人类二氧化碳排放。遗憾的是，现在暂无实际应用项目落地，尽管联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出想要将地球升温控制在2℃以内 [1]，人工碳捕捉不可或缺。近日，XSeaO项目的Cédric Tard 教授团队将启动首个人工岛碳捕集实地试点，项目得到了Ifker气候基金会的资助。 , | Z% c5 b5 {' y( r
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你们的项目的基本原理是？ 2 g/ o5 C6 M9 y- X6 b& |% ?1 N
从海洋中捕集碳，提升海水吸收大气二氧化碳的能力。我们采用了一项现有技术：基于双极膜的电化学萃取电池。先收集海水，用极化电极进行人工酸化。当pH值低于5，溶解的无机碳会转化为气态二氧化碳并释放出来。我们回收二氧化碳，把pH略高的海水排放回海洋中。回收二氧化碳的工艺现在是热门研究课题，最高效的工艺能达到60%的回收率。
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提升海洋碳捕集能力的技术有很多，你们的方案有什么优势？
7 S u, j( {: y0 C w+ @, @ 我们的碳捕集模块与其他模块一起，安装在能制造合成燃料的人工岛上。海水通过两个回路抽送。第一个回路从水中提取二氧化碳。第二个回路先把海水淡化，然后输送进电解装置，产生氢气。氢气与二氧化碳在反应器中结合，合成甲醇、乙醇、石蜡等各类燃料，可用于内燃机动力车辆。我们目前正在研究如何优化具体工艺。
5 u# N3 M1 G. b. t3 o4 u& b; g6 E0 Z 全球范围内，这一方案尚无成功的试点。谷歌X实验室尝试过小规模实验，但是失败了。我们的首要任务是验证该方案在湖泊大小区域的可行性。
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你们打算如何验证此方案的可行性？ ( u; p2 T6 q# d, w* z$ ~
接下来的一年中，我们会组装好样机，放置在巴黎综合理工学院校内湖泊上。样机占地面积约20m，能漂浮在水面上，合成燃料所需的所有模块都集成于其中。样机还会有300m的配套漂浮光伏太阳能板，产生可再生电能，充当人工岛的能量来源，维持二氧化碳提取模块和燃料合成模块的运转，其中水解设备能耗最高。我们期望每天处理4m的水，合成1L的燃料。试点结束后，会进行全生命周期分析，估算合成燃料的盈利性，与其他的合成燃料工艺比较。 / ], A, N% G5 H$ w+ V
这一试点项目不仅属于我们团队，还属于整个科学界。有学者与我们合作开展新技术的社会接受度研究。人工岛的设计得到了培宁根高等图像与室内设计学院（ESAG Penninghen）的协助。 , y( N. V0 H: `+ r
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人工岛的实际应用存在哪些障碍？ ' n2 z7 U+ ?4 v
主要是技术障碍。从水中提取收集二氧化碳的技术仍不成熟，将二氧化碳提取模块与水体淡化、电解设备、反应器集合在同一个系统中，挑战重重。漂浮式光伏太阳能板技术也是个重大制约因素。现有的太阳能板还难以在波涛汹涌、盐度较高的海洋环境中稳定发电，不过如果能克服这些困难，海上光伏发电的效率会高于陆上。这是因为在风和洋流的作用下，光伏板周围温度较低，温度每降低一度，发电效率会增加0.6%。
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, a2 l% [, F$ Z1 F: l5 \3 ~1 d: ~ 图片来源：PI France
' u& J; ^- w) F- P% Y 海洋的环境格外恶劣，我们设计的光伏板和反应模块必须承受得住风暴的考验。现在的样机只用于湖泊上测试，这些挑战暂时还不能克服，但毕竟是迈出了可行性测试的第一步。 K1 `9 `, J3 e
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* w! i! x. _. B4 |% e L' B0 ` 人工岛大规模部署，会影响环境吗？ $ g0 e+ E$ J' t- Q- {" {
最有可能影响环境的是水体淡化。海水淡化厂向大海排放高盐度废水，会导致灾难性的污染。不过我们的淡化纯粹是为了电解制氢，收集的海水只会有不到1%用于电解，其余全部用于提取二氧化碳。当然，为尽可能减少环境污染，我们也会测试能电解盐水的制氢设备。二氧化碳提取不会破坏环境，因为我们本来的目标就是往海洋中排放碱性略高的水。生物学和生态学专家也加入了我们的项目，对湖泊生态系统进行初步研究，以判断人工岛可能会带来的其他环境因素。
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! Z3 o' q! Y( i- h+ u 在你们的方案中，海洋中的碳转化为合成燃料，燃烧后又会变成二氧化碳回到空气中。这样的方案对缓解气候变化能有什么贡献呢？ % l( \- R, R7 B+ u1 o
我们的燃料合成工艺是零排放的，不涉及任何化石燃料开采提取，但毕竟是一种过渡性的技术。未来我们希望封存水中提取的二氧化碳，但现在相关技术还不成熟，不便在巴黎理工学院校区内开展实验，而且全球范围内应用的也比较少，其利弊仍不能确定。
5 h0 S; h% b1 A3 C+ o 作者
- ~4 w$ Y( E: {* K Anaïs Marechal 1 r/ D6 q# ? U; k+ }
编辑 5 I( ~. ^' E! P
Meister Xia $ ]! w* a. z9 w' n; d
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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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