工業(yè)革命之后，CO2的大量排放引發(fā)了全球變暖、極端天氣頻發(fā)以及氣候變遷等全球性環(huán)境問題。這些頻發(fā)的環(huán)境問題起了全球的廣泛關(guān)注。為了遏制因氣候變化帶來的全球性環(huán)境惡化，CO2深度減排是人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的必經(jīng)之路。各國政府和國際組織在CO2減排方面投入了大量的資金和人力。

近日，由南安普敦大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)和冰島大學(xué)等多國研究小組合作參與的碳捕集和封存（Carbon dioxide Capture and Storage，CCS）CarbFix項(xiàng)目，為CO2的有效減排帶來了新契機(jī)，文章發(fā)表在2016年6月10日出版的Science上。

研究人員宣稱，他們將CO2注入玄武巖層中，CO2與巖石發(fā)生了快速的化學(xué)反應(yīng)并形成了新的碳酸鹽礦物，通過這一方法，CO2被永久的“禁錮”在玄武巖含水層里。這是科學(xué)家首次成功的將CO2轉(zhuǎn)化為環(huán)境友好的碳酸鹽礦物并永久封存在玄武巖中。CO2在玄武巖層中的礦化速度非常驚人，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了研究人員預(yù)期，在不到2年的時(shí)間內(nèi)，該項(xiàng)目近95%的CO2被礦化。

20世紀(jì)70年代，CCS（碳捕集和封存）興起于美國，當(dāng)時(shí)是利用CO2進(jìn)行驅(qū)油以提高石油采收率的技術(shù)。經(jīng)過多年發(fā)展，CCS逐漸成為在氣候背景條件下控制溫室氣體排放的重要手段。2005年，政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）給出了CCS的定義，即將CO2 從工業(yè)或相關(guān)能源產(chǎn)業(yè)的排放源中分離出來，輸送并封存在地質(zhì)構(gòu)造中，長期與大氣隔絕的過程。CCS的基本操作思路可以歸納為：從排放源分離捕獲CO2，通過高壓管道壓縮后運(yùn)輸到封存地點(diǎn)，最后將CO2與大氣隔離，達(dá)到永久封存的目的。

提高能源利用率、開發(fā)利用替代能源（可再生能源和核能）以及CCS技術(shù)被視為CO2減排的三種重要手段。但就目前人類利用能源技術(shù)的水平而言，風(fēng)能、太陽能等清潔能源在世界能源結(jié)構(gòu)中所占比例還比較低，且單位發(fā)電成本也高于化石能源，所以短時(shí)間內(nèi)還難以作為國家支撐能源。因此，現(xiàn)階段化石燃料依然是人類賴以生活的主要能源。難以把控的CO2源頭排放，就使得尋求減少化石燃料使用過程中產(chǎn)生的CO2排放的有效方法顯得更為重要。

2008年國際能源署（IEA）的報(bào)告中顯示，全球氣溫在升高2℃的情況下，2020年、2030年以及2050年，由提高能效帶來的減排份額將分別占當(dāng)年能源相關(guān)減排量的65%、57%和54%。而CCS的減排貢獻(xiàn)則會(huì)從2020年的3%（占總減排量的比例）提高到10%（2030年），并在2050年達(dá)到19%，CCS的減排比重逐漸上升。因此，為了將大氣環(huán)境中的CO2控制在相對(duì)穩(wěn)定的水平，CCS因其儲(chǔ)量大和減排的高效性被廣泛研究應(yīng)用。

CO2安全封存是CCS是最終落腳點(diǎn)，這一環(huán)節(jié)從某種程度決定著CCS技術(shù)的可行性。目前常用的封存方式包括：海洋封存（將CO2直接釋放到海洋水體或者注入海底沉積層中）、地質(zhì)封存（將CO2封存在地質(zhì)構(gòu)造中，常見的封存CO2的地質(zhì)構(gòu)造包括石油和天然氣田、不可開采的煤田以及深鹽沼池構(gòu)造等）以及將CO2固化成無機(jī)碳酸鹽。

多年來，礦化封存的“固碳”手段因其反應(yīng)時(shí)間緩慢（100~1000年）而不被重視。與此同時(shí)，利用玄武巖含水層為儲(chǔ)層類型的玄武巖封存手段，也因?yàn)檠芯科鸩酵?、技術(shù)不夠成熟而未獲得足夠重視，但其獨(dú)特的化學(xué)俘獲機(jī)理可以確保CO2永久安全高效的被封存起來，且具有足夠低的泄露風(fēng)險(xiǎn)。

冰島的CarbFix項(xiàng)目是玄武巖封存的工程實(shí)例，在歷經(jīng)2年的跟蹤探測后，玄武巖封存技術(shù)終于可以挺直腰板向世人宣稱，它是名副其實(shí)的最安全最理想的CO2埋存方法。

其實(shí)在這之前，世界上有許多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都在尋求碳捕集與封存的最佳方法，但鮮有成效，成本與技術(shù)依舊難以邁過的關(guān)坎。

據(jù)估算封存1噸CO2的費(fèi)用介于50~100美金之間。除此之外，技術(shù)難題仍然是實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能否成功的關(guān)鍵點(diǎn)，在何處儲(chǔ)存這些被捕獲的氣體就是重中之重。目前許多科學(xué)家擔(dān)心巖石層的龜裂會(huì)導(dǎo)致被封存的CO2泄露的問題。

CarbFix“固碳”項(xiàng)目的實(shí)施地點(diǎn)位于冰島首都雷克雅未克以東25公里的地?zé)岚l(fā)電廠附近。之所以選擇冰島，是由于冰島有多座活火山，火山噴發(fā)形成的玄武巖廣泛存在于地下，這種巖石的鈣、鎂、鐵含量高，可與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)的碳酸鹽礦物質(zhì)。玄武巖是地球上最常見的巖石類型之一，在地球的大陸邊緣地帶廣泛存在。

以往研究人員大都采用砂巖來封存CO2，砂巖含水層非常不活潑，所以普通的CCS點(diǎn)需要幾個(gè)世紀(jì)的時(shí)間完成碳酸化。與砂巖不同的是，玄武巖石中含有大量可以與CO2進(jìn)行反應(yīng)形成碳酸鹽礦物的重金屬。起初Matter等模擬了玄武巖封存CO2過程，模擬數(shù)據(jù)表明，CO2最快的礦化時(shí)間至少是10年左右，但工程實(shí)際中在對(duì)地下水中溶解的碳的測量表明，95％以上被注入的碳在2年內(nèi)已經(jīng)轉(zhuǎn)化為方解石等礦物質(zhì)。

CarbFix“固碳”項(xiàng)目進(jìn)行了兩個(gè)階段的試驗(yàn)，第一階段將175t 純CO2注入到玄武巖層中（2012年1月到3月間）；第二階段將73t CO2-H2S混合氣體注入玄武巖層中。由于在碳捕集后，分離提純CO2在整個(gè)碳捕集經(jīng)費(fèi)中占比非常重，因此如果跳過提純步驟，直接將混合氣體注入地下，會(huì)大大降低項(xiàng)目運(yùn)行成本。因此第二階段的混合氣體的應(yīng)用是為了評(píng)估技術(shù)的可行性。

圖中顯示，HN02為深為2000m的注入井，在深度為150~1300m之間分布著8個(gè)監(jiān)測井。地表以下400~800m 之間的玄武巖層是反應(yīng)發(fā)生位置。為了防止在注入過程中，CO2的泄露，CarbFix“固碳”項(xiàng)目采用了在注射過程中，同時(shí)將二氧化碳溶解在水中，溶于水的CO2活躍度大大降低，并且溶于水中的CO2可以快速與富含鈣、鎂、鐵的礦石發(fā)生反應(yīng)，所以水的加入大大降低了CO2的泄漏率，提高了其礦化速率。

但在這過程中，需要消耗大量水資源，這就引發(fā)了許多科學(xué)家的不滿，有人提出，這是對(duì)日益消減的水資源的浪費(fèi)，因此，用水量的問題也許會(huì)成為項(xiàng)目后續(xù)大規(guī)模應(yīng)用的限制因素。

“迅速碳酸化表明，這是一個(gè)可以將CO2永久地儲(chǔ)存在地下并且沒有泄漏的風(fēng)險(xiǎn)的可行方法，而且由于玄武巖在陸地或沿海都很多，發(fā)電廠不需靠近沉積巖或枯竭的油井就可以利用CCS?！?Matter說。他同時(shí)提到，在華盛頓瓦盧拉附近的哥倫比亞河的玄武巖層也有一個(gè)類似的項(xiàng)目，其未發(fā)表的數(shù)據(jù)也得出了相似的結(jié)論。未參與這一項(xiàng)目的斯坦福大學(xué)地質(zhì)學(xué)家Sally Benson教授評(píng)價(jià)到，這一項(xiàng)目是CCS領(lǐng)域的一大進(jìn)展。