Kuldioxidmineralisering i geologisk almindelige bjergarter til kulstoflagring

Menneskeheden skal forbedre sig, når det kommer til at reducere kulstofemissioner for at forhindre de værste virkninger af klimaændringer. Hvis verden skal opfylde IPCC's minimumsmål om at holde den globale temperaturstigning under 1,5 °C, alle mulige veje for CO ₂ udbedring skal undersøges.

Geologisk fangst kan spille en stor rolle her. Vores planets underjordiske klipper og sedimenter tilbyder et stort potentiale for langtidslagring af kulstof. For at understøtte dette, en nylig beregningsundersøgelse fra en japansk ledet international gruppe ved Kyushu University viser, hvordan indespærret kuldioxid kan omdannes til harmløse mineraler.

Klipperne under jordens overflade er meget porøse, og fangst involverer indsprøjtning af CO ₂ ind i porerne efter at have opsamlet det fra sin emissionskilde. Selvom CO ₂ anses normalt for at være for stabil til at reagere kemisk med sten, det kan binde tæt til overfladen ved fysisk adsorption. Til sidst opløses det i vand, danner kulsyre, som kan reagere med vandige metaller og danne carbonatmineraler.

"Mineralisering er den mest stabile metode til langsigtet CO ₂ opbevaring, låse CO ₂ i en fuldstændig sikker form, der ikke kan genudsendes, " forklarer Jihui Jia fra International Institute for Carbon-Neutral Energy Research (I ² CNER), Kyushu Universitet, første forfatter til undersøgelsen. "Dette blev engang troet at tage tusinder af år, men den opfattelse ændrer sig hurtigt. De kemiske reaktioner er ikke fuldt ud forstået, fordi de er så svære at reproducere i laboratoriet. Det er her, modellering kommer ind."

Som rapporteret i Journal of Physical Chemistry C , simuleringer blev oprindeligt kørt for at forudsige, hvad der sker, når kuldioxid kolliderer med en spaltet kvartsoverflade - kvarts (SiO ₂ ) er rigeligt i jordskorpen. Da simuleringsbanerne blev afspillet, CO ₂ molekyler blev set bøjet fra deres lineære O=C=O-form for at danne trigonal CO ₃ enheder bundet med kvartsen.

I en anden runde af simuleringer, H ₂ O-molekyler blev tilsat for at efterligne "formationsvandet", der ofte er til stede under olie- og gasboringssteder. Spændende nok, den H ₂ O-molekyler angreb spontant den reaktive CO ₃ strukturer, bryde Si-O-bindingerne for at producere carbonationer. Ligesom kulsyre, carbonationer kan reagere med opløste metalkationer (såsom Mg ₂ ⁺ , Ca ₂ ⁺ , og Fe ₂ ⁺ ) for at binde kulstof permanent til mineralsk form.

Sammen, simuleringerne viser, at begge trin af CO ₂ mineralisering - karbonering (binding til sten) og hydrolyse (reagerer med vand) - er gunstige. I øvrigt, frie carbonationer kan fremstilles ved hydrolyse, ikke kun ved dissociation af kulsyre, som man engang antog. Disse indsigter var afhængige af en sofistikeret form for molekylær dynamik, der modellerer ikke kun de fysiske kollisioner mellem atomer, men elektronoverførsel, essensen af ​​kemi.

"Vores resultater foreslår nogle måder at forbedre geologisk fangst på, " siger hovedforfatter af undersøgelsen Takeshi Tsuji. "For kvarts til at fange CO ₂ , det skal være en kløvet overflade, så silicium- og oxygenatomerne har reaktive 'dinglende' bindinger. I det virkelige liv, imidlertid, overfladen kan være beskyttet af hydrogenbinding og kationer, hvilket ville forhindre mineralisering. Vi har brug for en måde at fjerne disse kationer på eller dehydrogenere overfladen."

Der vokser beviser for, at fangede CO ₂ kan mineralisere meget hurtigere end tidligere antaget. Selvom dette er spændende, Kyushu-papiret understreger, hvor kompleks og delikat kemien kan være. For nu, gruppen anbefaler yderligere undersøgelser af andre rigelige bjergarter, som basalt, at kortlægge den rolle, som geokemisk fældefangst kan spille i den største tekniske udfordring, som civilisationen står over for.