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将储存碳的地质上常见的岩石中的二氧化碳矿化

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将储存碳的地质上常见的岩石中的二氧化碳矿化

在减少碳排放方面，人类需要改进，以防止气候变化的最坏影响。如果世界要达到IPCC将全球气温升幅控制在1.5摄氏度以下的最低目标，就必须探索一切可能的CO2补救途径。地质圈闭在这里起着重要作用。地球的地下岩石和沉积物为长期储存碳提供了巨大的潜在空间。为了支持这一观点，九州大学一个由日本领导的国际组织最近进行的一项计算研究显示，被困住的二氧化碳是如何转化为无害的矿物质的。

地表下的岩石具有高度的多孔性，捕获过程包括在从排放源收集二氧化碳后将其注入孔隙。虽然二氧化碳通常被认为太稳定，不能与岩石发生化学反应，但它可以通过物理吸附与岩石表面紧密结合。最终它溶解在水中，形成碳酸，碳酸可以与水金属反应形成碳酸盐矿物。矿化是长期储存二氧化碳最稳定的方法，它将二氧化碳锁定在一种完全安全的形式，不能再排放。这曾被认为需要数千年的时间，但这种观点正在迅速改变。化学反应还没有被完全理解，因为它们很难在实验室中重现。这就是建模的用武之处。

最初进行模拟是为了预测当二氧化碳与裂开的石英表面碰撞时会发生什么——地壳中富含石英(SiO2)。当模拟轨迹回放时，可以看到CO2分子从线性的O=C=O形状弯曲成与石英结合的三方CO3单元。在第二轮模拟中，加入了H2O分子来模拟“地层水”，这种水通常存在于石油和天然气钻探现场之下。有趣的是，H2O分子自发地攻击反应性CO3结构，打破Si-O键生成碳酸根离子。就像碳酸一样，碳酸盐离子可以与溶解的金属阳离子(如Mg2+、Ca2+和Fe2+)反应，将碳永久地结合成矿物形式。

总之，模拟表明二氧化碳矿化的两个步骤——碳酸化(与岩石结合)和水解(与水反应)都是有利的。此外，自由的碳酸盐离子可以通过水解得到，而不是像曾经设想的那样仅仅通过碳酸的解离。这些洞见依赖于一种复杂的分子动力学形式，这种分子动力学不仅模拟原子间的物理碰撞，而且模拟化学的本质——电子转移。

研究结果提出了一些改善地质圈闭的方法。石英要捕捉二氧化碳，就必须有一个裂开的表面，因此硅和氧原子有活性的‘悬浮’键。然而，在现实生活中，表面可能受到氢键和阳离子的保护，从而防止矿化。我们需要一种方法来剥离这些阳离子或使表面脱氢。

越来越多的证据表明，捕捉到的二氧化碳矿化速度比之前认为的要快得多。尽管这令人兴奋，九州大学的论文强调了这种化学反应是多么复杂和微妙。目前，该小组建议进一步研究其他丰富的岩石，如玄武岩，以确定地球化学圈闭在人类文明面临的最大技术挑战中可能扮演的角色。