Усиленное выветривание - Enhanced weathering

Усиленное выветривание или же ускоренное выветривание относится к геоинженерия подходы, предназначенные для удалить углекислый газ из атмосферы с использованием определенных природных или искусственно созданных минералы которые поглощают углекислый газ и превратить его в другое вещества через химические реакции происходящие в присутствии воды (например, в виде дождь, грунтовые воды или же морская вода ).

Расширенные исследования выветривания рассматривают, как естественные процессы в горных породах и минералах выветривание (в частности, химическое выветривание) может быть усилено секвестрацией CO2 от атмосфера храниться в форме другого вещества в твердых карбонатных минералах или щелочности океана. Поскольку углекислый газ обычно сначала удаляется из океанской воды, эти подходы решат проблему, сначала уменьшив закисление океана.

Этот метод требует добычи или производства большого количества материалов, их измельчения и распределения на больших площадях (например, поля или же пляжи ); по этой причине, по сравнению с другими доступными в настоящее время методами удаления углекислого газа из атмосферы (восстановление лесов и BECCS - Биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода ), это особенно дорого. Он также имеет побочный эффект изменения естественного соленость морей.

История

Подход является в основном теоретическим и предлагается как для наземных, так и для океанских секвестрация. Методы океана тестируются некоммерческой организацией Проект Веста чтобы увидеть, является ли это экологически и экономически жизнеспособной стратегией связывания углерода.[1][2]

В июле 2020 года группа ученых установила, что геоинженерия техника усиленного выветривания горных пород - насыпание мелко измельченного базальт на полях - потенциально может использоваться для удаление углекислого газа странами, определяя затраты, возможности и инженерные задачи.[3][4]

Механизм выветривания природных минералов и закисления океана

Смотрите также: Выветривание и Закисление океана
Камень раскололся морозное выветривание по горной тропе к языку Ледник Мортерач.
Роль карбоната в обмене углекислого газа в море.

Выветривание это естественный процесс, в котором горные породы и минералы разрушаются и растворяются на поверхности земли под действием воды, льда, кислот, солей, растений, животных и изменений температуры.[5] Различают механическое выветривание (или физическое выветривание или дезагрегацию) и химическое выветривание (которое меняет химическую природу горных пород).[5] Биологическое выветривание - это форма выветривания (механического и / или химического), вызванная действием растений, грибов или других живых организмов.[5]

Химическое выветривание может происходить по разному механизму, в основном в зависимости от природы вовлеченного минерала: растворение, гидратация, гидролиз и окислительное выветривание.[6] Карбонизация - это особый тип выветривания раствора.[6]

Карбонат и силикатные минералы являются примерами минералов, подверженных карбонатному выветриванию. Когда силикатные или карбонатные минералы подвергаются воздействию дождевой или грунтовой воды, они медленно растворяются из-за химического выветривания, связанного с реакцией карбонизации, что означает сочетание воды (ЧАС2O) и углекислый газ (CO2) присутствуют в атмосфере для образования угольная кислота (ЧАС2CO3):[5][7]

ЧАС2O + CO2 → H2CO3

Углекислота, следовательно, атакует минерал, образуя карбонат-ионы в растворе с непрореагировавшей водой. Из-за этих двух химических реакций (карбонизация и растворение) минерал, вода и углекислый газ объединяются, изменяя химический состав минералов и уменьшая присутствие CO.2 в атмосфере.

Особенно, форстерит (силикатный минерал) растворяется в результате реакции:

Mg2SiO4(s) + 4H2CO3(водн.) → 2 мг2+(водн.) + 4HCO3−(водн.) + H4SiO4(водн.)

Где "(s)" обозначает вещество в твердое состояние и "(водный)" указывает на вещество в водный раствор.

Кальцит (карбонатный минерал) вместо этого растворяется в результате реакции:

CaCO3(s) + H2CO3(водн.) → Са2+(водн.) + 2HCO3−(водн.)

Вода с растворенным бикарбонат-ионы (HCO3−) в конце концов попадает в океан,[7] где ионы бикарбоната образуют карбонатные минералы путем кальцифицирующие организмы через реакцию:

Ca2+ + 2HCO3− → CaCO3 + CO2 + H2О

Затем карбонатные минералы в конечном итоге опускаются с поверхности океана на дно.[7] Большая часть карбоната повторно растворяется в глубоком океане, когда он тонет.

Над геологические периоды времени считается, что эти процессы стабилизируют Климат Земли.[8] Фактически количество углекислого газа в атмосфере в виде газа (CO2) в отношении количества диоксида углерода, превращенного в карбонат, регулируется химическое равновесие: в случае изменения этого состояния равновесия теоретически (то есть, если никаких других изменений не происходит во времени) требуется тысяча лет, чтобы установить новое состояние равновесия.[7]

Для силикатного выветривания теоретический чистый эффект растворения и осаждения составляет 1 моль CO.2 секвестрируется на каждый моль Ca2+ или Mg2+ выветрился из минерала. Учитывая, что некоторые из растворенных катионов реагируют с существующей щелочностью в растворе с образованием CO32− ионов, соотношение не равно 1: 1 в естественных системах, но является функцией температуры и CO2 частичное давление. Чистый CO2 секвестрация реакции карбонатного выветривания и реакции осаждения карбоната равна нулю.[требуется разъяснение ]

Обратная связь углерод-силикатного цикла.

Считается, что выветривание и биологические карбонатные осадки слабо связаны в течение коротких периодов времени (<1000 лет). Следовательно, усиление карбонатного и силикатного выветривания по отношению к карбонатным осадкам приведет к увеличению щелочности в океане.[требуется разъяснение ]

Земное усиленное выветривание

Первоначально усиленное выветривание использовалось для обозначения распространения измельченных силикатных минералов на поверхности земли.[9][10] Было показано, что биологическая активность в почвах способствует растворению силикатных минералов (см. Обсуждение в,[11] но все еще не ясно, насколько быстро это может произойти. Поскольку скорость выветривания является функцией насыщения растворяющегося минерала в растворе (снижается до нуля в полностью насыщенных растворах), некоторые предположили, что количество осадков может ограничивать усиленное выветривание на Земле,[12] хотя другие[13] предполагают, что образование вторичных минералов или биологическое поглощение может подавлять насыщение и способствовать выветриванию.

Количество энергии, необходимое для измельчение зависит от скорости растворения минералов (для быстрого растворения минералов требуется меньшее измельчение). Недавняя работа[14] предложил широкий диапазон потенциальных затрат на усиление выветривания, в значительной степени вплоть до неопределенности, связанной со скоростью растворения минералов.

Океаническое усиленное выветривание

Чтобы преодолеть ограничения насыщения раствора и использовать естественное измельчение частиц песка за счет энергии волн, силикатные минералы могут применяться в прибрежных средах,[15] хотя более высокий pH морской воды может существенно снизить скорость растворения,[16] и неясно, сколько измельчения возможно при воздействии волн.

В качестве альтернативы было исследовано прямое применение карбонатных минералов в приподнятых областях океана.[17] Карбонатные минералы перенасыщены на поверхности океана, но недонасыщены в глубинах океана. В районах колодцев эта недонасыщенная вода выносится на поверхность. Хотя эта технология, вероятно, будет дешевой, максимальный годовой выброс CO2 потенциал секвестрации ограничен.

В качестве альтернативной технологии было предложено преобразование карбонатных минералов в оксиды и распространение этого материала в открытом океане («известкование океана»).[18] Здесь карбонатный минерал (CaCO3) превращается в известь (CaO) через прокаливание. Энергетические потребности для этой технологии весьма значительны.

Минеральная карбонизация

Повышенное растворение и карбонизация силикатов ('карбонизация минералов' ) был впервые предложен Зайфрицем,[19] и первоначально разработанный Lackner et al.[20] и далее Исследовательский центр Олбани.[21] В этом раннем исследовании изучалась карбонизация извлеченных и измельченных силикатов при повышенных температурах (~ 180 ° C) и парциальных давлениях CO.2 (~ 15 МПа) внутри регулируемых реакторов («карбонизация минералов Ex-situ»). Некоторые исследования исследуют потенциал «карбонизации минералов на месте», в которой CO2 закачивается в силикатные горные образования для ускорения образования карбонатов под землей (см .: CarbFix )

Исследования карбонизации минералов в основном сосредоточены на секвестрации CO.2 из дымовые газы. Его можно было бы использовать для геоинженерии, если бы источник CO2 был получен из атмосферы, например через прямой захват воздуха или же биомасса-CCS.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Питерс, Адель (29 мая 2020 г.). «Вы когда-нибудь были на пляже с зеленым песком? Новейший геохак для борьбы с изменением климата». Быстрая Компания. Получено 2020-11-06.
  2. ^ Делберт, Кэролайн (2020-06-11). «Как этот странный зеленый песок может обратить вспять изменение климата». Популярная механика. Получено 2020-11-06.
  3. ^ «Применение каменной пыли на пахотных землях может поглотить до 2 миллиардов тонн CO2 из атмосферы». Phys.org. Получено 16 августа 2020.
  4. ^ Бирлинг, Дэвид Дж .; Kantzas, Euripides P .; Ломас, Марк Р .; Уэйд, Питер; Eufrasio, Rafael M .; Ренфорт, Фил; Саркар, Биной; Эндрюс, М. Грейс; Джеймс, Рэйчел Х .; Пирс, Кристофер Р .; Меркюр, Жан-Франсуа; Поллитт, Гектор; Холден, Филип Б.; Эдвардс, Нил Р .; Кханна, Мадху; Ко, Ленни; Кеган, Шон; Пиджон, Ник Ф .; Янссенс, Иван А .; Хансен, Джеймс; Банварт, Стивен А. (июль 2020 г.). «Возможность крупномасштабного удаления CO 2 за счет усиленного выветривания горных пород с пахотными землями». Природа. 583 (7815): 242–248. Дои:10.1038 / s41586-020-2448-9. ISSN  1476-4687. Получено 16 августа 2020.
  5. ^ а б c d National Geographic - Выветривание
  6. ^ а б Брэндон Фогт, "Рок-выветривание"
  7. ^ а б c d Encyclopdia Britannica - Биологический цикл углерода
  8. ^ Бернер, Роберт А. Бернер; Котавала, Заварет (2001). «ГЕОКАРБ III: Пересмотренная модель атмосферного CO.2 за фанерозойское время ». Американский журнал науки. 301 (2): 182–204. Bibcode:2001AmJS..301..182B. CiteSeerX  10.1.1.393.582. Дои:10.2475 / ajs.301.2.182.
  9. ^ Schuiling, R.D .; Кригсман, П. (2006). «Улучшенная защита от атмосферных воздействий: эффективный и дешевый инструмент для изоляции CO2". Изменение климата. 74 (1–3): 349–54. Дои:10.1007 / s10584-005-3485-у.
  10. ^ Мэннинг, Д.А.С. (2008). «Биологическое усиление карбонатных осадков почвы: пассивное удаление атмосферного CO.2". Минералогический журнал. 72 (2): 639–49. Bibcode:2008MinM ... 72..639M. Дои:10.1180 / minmag.2008.072.2.639.
  11. ^ Мэннинг, Дэвид А. С.; Ренфорт, Фил (2013). "Пассивное улавливание атмосферного CO2 через сопряженные реакции растений и минералов в городских почвах ». Экологические науки и технологии. 47 (1): 135–41. Bibcode:2013EnST ... 47..135M. Дои:10.1021 / es301250j. PMID  22616942.
  12. ^ Келер, Питер; Хартманн, Йенс; Wolf-Gladrow, Dieter A .; Шеллнхубер, Ханс-Иоахим (2010). «Геоинженерный потенциал искусственно усиленного силикатного выветривания оливина». Труды Национальной академии наук. 107 (47): 20228–33. Bibcode:2010EGUGA..12.6986K. Дои:10.1073 / pnas.1000545107. JSTOR  25756680. ЧВК  2996662. PMID  21059941.
  13. ^ Schuiling, Roelof D .; Wilson, Siobhan A .; Власть, Лан М. (2011). «Усиленное силикатное выветривание не ограничивается насыщением кремниевой кислотой». Труды Национальной академии наук. 108 (12): E41. Bibcode:2011ПНАС..108Е..41С. Дои:10.1073 / pnas.1019024108. ЧВК  3064366. PMID  21368192.
  14. ^ Ренфорт, П. (2012). «Потенциал усиленного выветривания в Великобритании» (PDF). Международный журнал по контролю за парниковыми газами. 10: 229–43. Дои:10.1016 / j.ijggc.2012.06.011.
  15. ^ Schuiling, R.D .; де Бур, П. (2010). «Прибрежное распространение оливина для контроля атмосферного CO2 концентрации: критический анализ жизнеспособности. Комментарий: Природа и лабораторные модели разные ». Международный журнал по контролю за парниковыми газами. 4 (5): 855–6. Дои:10.1016 / j.ijggc.2010.04.012.
  16. ^ Hangx, Suzanne J.T .; Спайерс, Кристофер Дж. (2009). «Прибрежное распространение оливина для контроля атмосферного CO2 концентрации: критический анализ жизнеспособности ». Международный журнал по контролю за парниковыми газами. 3 (6): 757–67. Дои:10.1016 / j.ijggc.2009.07.001.
  17. ^ Харви, Л. Д. Д. (2008). "Снижение выбросов CO в атмосферу2 увеличения и закисления океана путем добавления известнякового порошка в районы апвеллинга ". Журнал геофизических исследований. 113 (C4): C04028. Bibcode:2008JGRC..113.4028H. Дои:10.1029 / 2007JC004373.
  18. ^ Хешги, Харун С. (1995). «Улавливание атмосферного углекислого газа за счет увеличения щелочности океана». Энергия. 20 (9): 915–22. Дои:10.1016 / 0360-5442 (95) 00035-F.
  19. ^ Сейфриц, В. (1990). "CO2 утилизация с помощью силикатов ». Природа. 345 (6275): 486. Bibcode:1990Натура.345..486S. Дои:10.1038 / 345486b0.
  20. ^ Lackner, Klaus S .; Wendt, Christopher H .; Butt, Darryl P .; Джойс, Эдвард Л .; Шарп, Дэвид Х. (1995). «Утилизация углекислого газа в карбонатных минералах». Энергия. 20 (11): 1153. Дои:10.1016 / 0360-5442 (95) 00071-Н.
  21. ^ О’Коннор, У.К .; Dahlin, D.C .; Раш, Г. Э .; Gedermann, S.J .; Пеннер, Л. Р .; Нильсен, Д. Н. (15 марта 2005 г.). Водная карбонизация минералов, окончательный отчет (PDF). Национальная лаборатория энергетических технологий.[страница нужна ]