stringtranslate.com

Улучшенная устойчивость к выветриванию

Усиленное выветривание , также называемое повышением щелочности океана , когда предлагается для систем углеродных кредитов , представляет собой процесс, направленный на ускорение естественного выветривания путем распределения тонко измельченной силикатной породы, такой как базальт , на поверхности, что ускоряет химические реакции между породами, водой и воздухом. Он также удаляет углекислый газ (CO2 ) из ​​атмосферы, постоянно сохраняя его в твердых карбонатных минералах или щелочности океана . [1] Последнее также замедляет закисление океана .

Улучшенное выветривание — это химический подход к удалению углекислого газа с использованием наземных или океанических методов. Одним из примеров наземного улучшенного метода выветривания является карбонизация силикатов на месте. Например, ультрамафическая порода , согласно оценкам , может хранить сотни или тысячи лет выбросов CO2 . [2] [3] Океанические методы включают повышение щелочности, например, измельчение, диспергирование и растворение оливина, известняка, силикатов или гидроксида кальция для решения проблемы закисления океана и секвестрации CO2 . [ 4]

Хотя на первых порах можно использовать существующие шахтные хвосты [5] или щелочные промышленные силикатные минералы (например, стальные шлаки, отходы строительства и сноса или зола от сжигания биомассы), [6] в конечном итоге может потребоваться добыча большего количества базальта для ограничения изменения климата . [7]

История

Улучшенное выветривание было предложено для наземной и океанической секвестрации углерода . Океанические методы тестируются некоммерческой организацией Project Vesta, чтобы увидеть, являются ли они экологически и экономически жизнеспособными. [8] [9]

В июле 2020 года группа ученых оценила, что геоинженерная технология улучшенного выветривания горных пород, т. е. распределение мелко измельченного базальта по полям, имеет потенциальное применение для удаления углекислого газа странами, определив затраты, возможности и инженерные проблемы. [10] [11]

Естественное выветривание минералов и закисление океана

Камень, расколотый морозным выветриванием на горной тропе к языку ледника Мортерач .
Роль карбоната в морском обмене углекислого газа.

Выветривание — это естественный процесс растворения горных пород и минералов под воздействием воды, льда, кислот, солей, растений, животных и изменений температуры. [12] Он бывает механическим (разрушение горной породы — также называемое физическим выветриванием или дезагрегацией) и химическим (изменение химических соединений в горных породах). [12] Биологическое выветривание — это форма выветривания (механического или химического), вызываемая растениями, грибами или другими живыми организмами. [12]

Химическое выветривание может происходить по разным механизмам, в зависимости от природы вовлеченных минералов. Это включает растворение , гидратацию , гидролиз и окислительное выветривание. [13] Карбонизация выветривания является особым типом растворения выветривания. [13]

Карбонатные и силикатные минералы являются примерами минералов, затронутых карбонизацией. Когда силикатные или карбонатные минералы подвергаются воздействию дождевой воды или грунтовых вод, они медленно растворяются из-за карбонизации: то есть вода (H 2 O) и углекислый газ (CO 2 ), присутствующие в атмосфере, образуют угольную кислоту (H 2 CO 3 ) по реакции: [12] [14]

Н2О + СО2 → Н2СО3​​​

Эта угольная кислота затем атакует минерал, образуя карбонат-ионы в растворе с непрореагировавшей водой. В результате этих двух химических реакций (карбонизации и растворения) минералы, вода и углекислый газ объединяются, что изменяет химический состав минералов и удаляет CO2 из атмосферы. Конечно, это обратимые реакции, поэтому, если карбонат сталкивается с ионами H2 из кислот, например, в почвах, они будут реагировать, образуя воду и выделяя CO2 обратно в атмосферу. Внесение известняка (карбоната кальция) в кислые почвы нейтрализует ионы H2, но выделяет CO2 из известняка [ необходимо разъяснение ] .

В частности, форстерит (силикатный минерал) растворяется в результате реакции:

Mg 2 SiO 4 (тв) + 4H 2 CO 3 (водный) → 2Mg 2+ (водный) + 4HCO 3 − (водный) + H 4 SiO 4 (водный)

где «(s)» обозначает вещество в твердом состоянии , а «(aq)» обозначает вещество в водном растворе .

Вместо этого кальцит (карбонатный минерал) растворяется в ходе реакции:

CaCO 3 (тв) + H 2 CO 3 (водный) → Ca 2+ (водный) + 2HCO 3 − (водный)

Хотя часть растворенного бикарбоната может реагировать с почвенными кислотами во время прохождения через почвенный профиль в грунтовые воды, вода с растворенными ионами бикарбоната (HCO3− ) в конечном итоге попадает в океан [14] , где ионы бикарбоната биоминерализуются в карбонатные минералы для раковин и скелетов посредством реакции:

Са 2+ + 2HCO 3 − → CaCO 3 + CO 2 + H 2 O

Карбонатные минералы затем в конечном итоге опускаются с поверхности океана на дно океана. [14] Большая часть карбоната повторно растворяется в глубинах океана по мере его погружения.

В течение геологических периодов времени эти процессы, как полагают, стабилизируют климат Земли . [15] Соотношение углекислого газа в атмосфере в виде газа (CO 2 ) к количеству углекислого газа, преобразованного в карбонат, регулируется химическим равновесием : в случае изменения этого равновесного состояния, теоретически потребуются (если в течение этого времени не происходит никаких других изменений) тысячи лет, чтобы установить новое равновесное состояние. [14]

Для силикатного выветривания теоретический чистый эффект растворения и осаждения составляет 1 моль CO 2 , секвестрированного на каждый моль Ca 2+ или Mg 2+ , выветренного из минерала. Учитывая, что некоторые из растворенных катионов реагируют с существующей щелочностью в растворе с образованием ионов CO 3 2− , соотношение не составляет точно 1:1 в природных системах, а является функцией температуры и парциального давления CO 2 . Чистое секвестрирование CO 2 в реакции выветривания карбоната и реакции осаждения карбоната равно нулю. [ необходимо разъяснение ]

Обратные связи углеродно-силикатного цикла.

Выветривание и биологическое осаждение карбонатов, как полагают, слабо связаны только на коротких временных промежутках (<1000 лет). Поэтому увеличение как карбонатного, так и силикатного выветривания по отношению к осаждению карбонатов приведет к повышению щелочности в океане. [ необходимо уточнение ]

Усиление земного выветривания

Усиленное выветривание изначально использовалось для обозначения распространения измельченных силикатных минералов на поверхности земли. [16] [17] Было показано, что биологическая активность в почвах способствует растворению силикатных минералов, [18] но все еще существует неопределенность относительно того, как быстро это может произойти. Поскольку скорость выветривания является функцией насыщения растворяющегося минерала в растворе (уменьшаясь до нуля в полностью насыщенных растворах), некоторые предполагают, что отсутствие осадков может ограничивать усиленное выветривание на суше, [19] хотя другие [20] предполагают, что вторичное образование минералов или биологическое поглощение могут подавлять насыщение и способствовать выветриванию.

Количество энергии, необходимое для измельчения, зависит от скорости растворения минералов (для быстрого растворения минералов требуется меньшее измельчение). Исследование 2012 года показало большой диапазон потенциальной стоимости улучшенного выветривания, в основном из-за неопределенности, связанной со скоростью растворения минералов. [21]

Океаническое усиленное выветривание

Чтобы преодолеть ограничения, связанные с насыщением раствора, и использовать естественное измельчение частиц песка под действием волн, в прибрежных средах можно применять силикатные минералы [22] , хотя более высокий pH морской воды может существенно снизить скорость растворения [23] , и неясно, насколько возможно измельчение под действием волн.

В качестве альтернативы было исследовано прямое применение карбонатных минералов в областях апвеллинга океана. [24] Карбонатные минералы перенасыщены на поверхности океана, но недонасыщены в глубине океана. В областях апвеллинга эта недонасыщенная вода выносится на поверхность. Хотя эта технология, вероятно, будет дешевой, максимальный годовой потенциал секвестрации CO 2 ограничен.

В качестве альтернативной технологии было предложено преобразование карбонатных минералов в оксиды и распространение этого материала в открытом океане («известкование океана»). [25] Здесь карбонатный минерал (CaCO 3 ) преобразуется в известь (CaO) путем прокаливания . Энергетические потребности этой технологии существенны.

Минеральная карбонизация

Усиленное растворение и карбонизация силикатов ( «минеральная карбонизация» ) была впервые предложена Зейфрицем в 1990 году [26] и первоначально развита Лакнером и др. [27] и далее Исследовательским центром Олбани [28] . В этом раннем исследовании изучалась карбонизация извлеченных и измельченных силикатов при повышенных температурах (~180 °C) и парциальных давлениях CO 2 (~15 МПа) внутри контролируемых реакторов («ex-situ минеральная карбонизация»). Некоторые исследования изучают потенциал «in-situ минеральной карбонизации», при которой CO 2 впрыскивается в силикатные горные породы для содействия образованию карбоната под землей (см.: CarbFix ).

Исследования карбонизации минералов в основном сосредоточены на секвестрации CO 2 из дымовых газов . Это может быть использовано для геоинженерии , если источник CO 2 получен из атмосферы, например, путем прямого улавливания воздуха или биомассы-CCS .

Реминерализация почвы способствует усилению процесса выветривания. Смешивание почвы с измельченной горной породой, такой как силикат, приносит пользу не только здоровью растений, но и секвестрации углерода при наличии кальция или магния. [29] Remineralize The Earth — некоммерческая организация, которая продвигает применение каменной пыли в качестве натуральных удобрений на сельскохозяйственных полях для восстановления почв минералами, улучшения качества растительности и увеличения секвестрации углерода.

Электролитическое растворение силикатных минералов

Там, где имеется избыточное электричество, было предложено [30] и экспериментально показано электролитическое растворение силикатных минералов. Процесс напоминает выветривание некоторых минералов. Кроме того, полученный водород будет углерод-отрицательным. [31]

Расходы

В технико-экономическом анализе 2020 года стоимость использования этого метода на пахотных землях была оценена в 80–180 долларов США за тонну CO 2 . Это сопоставимо с другими методами удаления углекислого газа из атмосферы, доступными в настоящее время (BECCS (100–200 долларов США за тонну CO 2 ) — биоэнергетика с улавливанием и хранением углерода ) и прямым улавливанием и хранением воздуха при крупномасштабном развертывании и низкозатратных энергозатратах (100–300 долларов США за тонну CO 2 ). Напротив, стоимость лесовосстановления была оценена ниже, чем 100 долларов США за тонну CO 2 . [32]

Примеры проектов

UNDO, британская компания Enhanced Weathering, распределяет измельченную силикатную породу, такую ​​как базальт и волластонит, на сельскохозяйственных землях в Соединенном Королевстве, Канаде и Австралии. Они утверждают, что на сегодняшний день распределили более 200 000 тонн измельченной породы, что позволит уловить более 40 000 тонн CO2 по мере выветривания породы. В марте 2024 года они опубликовали рецензируемую статью [33] в партнерстве с Ньюкаслским университетом в журнале PLOS ONE, посвященную агрономическим сопутствующим преимуществам измельченного базальта в умеренном климате. Они являются одними из 20 финалистов XPRIZE Carbon Removal [34] , конкурса стоимостью 100 миллионов долларов, организованного Фондом Маска .

Ирландская компания Silicate провела испытания в Ирландии, а в 2023 году проведет испытания в США недалеко от Чикаго. Используя измельченный в пыль бетон, его разбрасывают на сельскохозяйственных угодьях в соотношении 500 тонн на 50 гектаров, стремясь улавливать 100 тонн CO2 в год с этой площади. Заявляя, что это улучшает качество почвы и урожайность культур, компания продает кредиты на удаление углерода для финансирования расходов. Первоначальное пилотное финансирование осуществляется за счет призовых денег, присужденных стартапу THRIVE/Shell Climate-Smart Agriculture Challenge. [35] [36]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Гостевой пост: Как 'улучшенное выветривание' может замедлить изменение климата и повысить урожайность". Carbon Brief . 2018-02-19. Архивировано из оригинала 2021-09-08 . Получено 2021-11-03 .
  2. ^ "Карты показывают, что породы идеально подходят для связывания углерода". The New York Times . Архивировано из оригинала 16 мая 2018 года . Получено 15 мая 2018 года .
  3. ^ Министерство внутренних дел США. «Картографирование минерально-ресурсной базы для секвестрации углекислого газа в прилегающих к США районах» (PDF) . Геологическая служба США . Серия данных 414. Архивировано (PDF) из оригинала 27 июля 2020 г. . Получено 15 мая 2018 г. .
  4. ^ «Распыление облаков и уничтожение ураганов: как океаническая геоинженерия стала рубежом климатического кризиса». The Guardian . 2021-06-23. Архивировано из оригинала 23 июня 2021 г. Получено 2021-06-23 .
  5. ^ Power, Ian M.; Dipple, Gregory M.; Bradshaw, Peter MD; Harrison, Anna L. (2020-03-01). "Перспективы минерализации CO2 и повышенного выветривания ультрамафических шахтных хвостов из месторождения никеля Baptiste в Британской Колумбии, Канада". International Journal of Greenhouse Gas Control . 94 : 102895. Bibcode : 2020IJGGC..9402895P. doi : 10.1016/j.ijggc.2019.102895. ISSN  1750-5836. S2CID  213320687.
  6. ^ Ренфорт, Фил (28.03.2019). "Потенциал отрицательной эмиссии щелочных материалов". Nature Communications . 10 (1): 1401. Bibcode : 2019NatCo..10.1401R. doi : 10.1038/s41467-019-09475-5. PMC 6438983. PMID  30923316. 
  7. ^ Goll, Daniel S.; Ciais, Philippe; Amann, Thorben; Buermann, Wolfgang; Chang, Jinfeng; Eker, Sibel; Hartmann, Jens; Janssens, Ivan; Li, Wei; Obersteiner, Michael; Penuelas, Josep (август 2021 г.). «Потенциальное удаление CO2 из-за усиленного выветривания за счет реакций экосистем на измельченную породу». Nature Geoscience . 14 (8): 545–549. Bibcode :2021NatGe..14..545G. doi :10.1038/s41561-021-00798-x. hdl : 10067/1800910151162165141 . ISSN  1752-0908. S2CID  236438034. Архивировано из оригинала 2021-10-26 . Получено 2021-11-03 .
  8. ^ Питерс, Адель (29.05.2020). «Вы когда-нибудь были на зеленом песчаном пляже? Новейший геохак для борьбы с изменением климата». Fast Company . Архивировано из оригинала 29.10.2020 . Получено 06.11.2020 .
  9. ^ Делберт, Кэролайн (2020-06-11). «Как этот странный зеленый песок может обратить вспять изменение климата». Popular Mechanics . Архивировано из оригинала 2020-10-12 . Получено 2020-11-06 .
  10. ^ «Применение каменной пыли на пахотных землях может поглотить до 2 миллиардов тонн CO2 из атмосферы». phys.org . Архивировано из оригинала 12 сентября 2020 г. . Получено 28 августа 2020 г. .
  11. ^ Beerling, David J.; Kantzas, Euripides P.; Lomas, Mark R.; Wade, Peter; Eufrasio, Rafael M.; Renforth, Phil; Sarkar, Binoy; Andrews, M. Grace; James, Rachael H.; Pearce, Christopher R.; Mercure, Jean-Francois; Pollitt, Hector; Holden, Philip B.; Edwards, Neil R.; Khanna, Madhu; Koh, Lenny; Quegan, Shaun; Pidgeon, Nick F.; Janssens, Ivan A.; Hansen, James; Banwart, Steven A. (июль 2020 г.). «Потенциал крупномасштабного удаления CO2 посредством усиленного выветривания горных пород с использованием пахотных земель». Nature . 583 (7815): 242–248. Bibcode :2020Natur.583..242B. doi :10.1038/s41586-020-2448-9. hdl : 10871/122894 . ISSN  1476-4687. PMID  32641817. S2CID  220417075. Архивировано из оригинала 16 июля 2020 г. Получено 16 августа 2020 г.
  12. ^ abcd "National Geographic - Weathering". Архивировано из оригинала 2017-01-25 . Получено 2020-11-30 .
  13. ^ ab "Brandon Vogt, "Rock Weathering"". 17 октября 2012 г. Архивировано из оригинала 27.10.2020 . Получено 30.11.2020 .
  14. ^ abcd "Encyclopaedia Britannica - Биологический цикл углерода". Архивировано из оригинала 2020-12-12 . Получено 2020-11-30 .
  15. ^ Бернер, Роберт А. Бернер; Котавала, Заварет (2001). «GEOCARB III: Пересмотренная модель атмосферного CO 2 в фанерозойское время». Американский научный журнал . 301 (2): 182–204. Бибкод : 2001AmJS..301..182B. CiteSeerX 10.1.1.393.582 . дои : 10.2475/ajs.301.2.182. 
  16. ^ Шуилинг, РД; Криджгсман, П. (2006). «Улучшенное выветривание: эффективный и дешевый инструмент для секвестрации CO 2 ». Изменение климата . 74 (1–3): 349–54. Bibcode :2006ClCh...74..349S. doi :10.1007/s10584-005-3485-y. S2CID  131280491.
  17. ^ Manning, DAC (2008). "Биологическое улучшение осаждения карбонатов почвы: пассивное удаление атмосферного CO 2 ". Mineralogic Magazine . 72 (2): 639–49. Bibcode : 2008MinM...72..639M. doi : 10.1180/minmag.2008.072.2.639. S2CID  94528533.
  18. ^ Manning, David AC; Renforth, Phil (2013). «Пассивная секвестрация атмосферного CO2 посредством сопряженных реакций растений и минералов в городских почвах». Environmental Science & Technology . 47 (1): 135–41. Bibcode : 2013EnST...47..135M. doi : 10.1021/es301250j. PMID  22616942.
  19. ^ Кёлер, Петер; Хартманн, Йенс; Вольф-Гладров, Дитер А.; Шеллнхубер, Ханс-Йоахим (2010). «Геоинженерный потенциал искусственно усиленного силикатного выветривания оливина». Труды Национальной академии наук . 107 (47): 20228–33. Bibcode : 2010EGUGA..12.6986K. doi : 10.1073/pnas.1000545107 . JSTOR  25756680. PMC 2996662. PMID  21059941 . 
  20. ^ Schuiling, Roelof D.; Wilson, Siobhan A.; Power, lan M. (2011). «Усиленное выветривание силиката не ограничивается насыщением кремниевой кислотой». Труды Национальной академии наук . 108 (12): E41. Bibcode : 2011PNAS..108E..41S. doi : 10.1073/pnas.1019024108 . PMC 3064366. PMID  21368192 . 
  21. ^ Renforth, P. (2012). "Потенциал улучшенного выветривания в Великобритании" (PDF) . International Journal of Greenhouse Gas Control . 10 : 229–43. Bibcode :2012IJGGC..10..229R. doi :10.1016/j.ijggc.2012.06.011. S2CID  96612612. Архивировано (PDF) из оригинала 2020-12-05 . Получено 2019-12-10 .
  22. ^ Schuiling, RD; de Boer, PL (2010). «Прибрежное распространение оливина для контроля концентрации CO 2 в атмосфере : критический анализ жизнеспособности. Комментарий: Природные и лабораторные модели различны». Международный журнал по контролю выбросов парниковых газов . 4 (5): 855–6. Bibcode : 2010IJGGC...4..855S. doi : 10.1016/j.ijggc.2010.04.012.
  23. ^ Хангкс, Сюзанна Дж. Т.; Спайерс, Кристофер Дж. (2009). «Прибрежное распространение оливина для контроля концентрации CO 2 в атмосфере : критический анализ жизнеспособности». Международный журнал по контролю выбросов парниковых газов . 3 (6): 757–67. Bibcode : 2009IJGGC...3..757H. doi : 10.1016/j.ijggc.2009.07.001.
  24. ^ Харви, ЛДД (2008). «Смягчение повышения уровня CO2 в атмосфере и закисления океана путем добавления известнякового порошка в области апвеллинга». Журнал геофизических исследований . 113 (C4): C04028. Bibcode : 2008JGRC..113.4028H. doi : 10.1029/2007JC004373 .
  25. ^ Хешги, Харун С. (1995). «Секвестрация атмосферного углекислого газа путем повышения щелочности океана». Энергия . 20 (9): 915–22. Bibcode : 1995Ene....20..915K. doi : 10.1016/0360-5442(95)00035-F.
  26. ^ Seifritz, W. (1990). "Утилизация CO2 с помощью силикатов". Nature . 345 (6275): 486. Bibcode :1990Natur.345..486S. doi : 10.1038/345486b0 . S2CID  38210921.
  27. ^ Лакнер, Клаус С.; Вендт, Кристофер Х.; Батт, Даррил П.; Джойс, Эдвард Л.; Шарп, Дэвид Х. (1995). «Утилизация углекислого газа в карбонатных минералах». Энергия . 20 (11): 1153. Bibcode : 1995Ene....20.1153L. doi : 10.1016/0360-5442(95)00071-N.
  28. ^ O'Connor, WK; Dahlin, DC; Rush, GE; Gedermann, SJ; Penner, LR; Nilsen, DN (15 марта 2005 г.). Водная минеральная карбонизация, Заключительный отчет (PDF) . Национальная лаборатория энергетических технологий . Архивировано (PDF) из оригинала 4 марта 2016 г. . Получено 29 декабря 2015 г. .[ нужна страница ]
  29. ^ Лефевр, Дэвид; Гольо, Пьетро; Уильямс, Адриан; Мэннинг, Дэвид; Азеведо, Антонио; Бергманн, Магда; Меерсманс, Йерун; Смит, Пит (01.10.2019). «Оценка потенциала карбонизации почвы и усиления выветривания посредством оценки жизненного цикла: пример штата Сан-Паулу, Бразилия». Журнал более чистого производства . 233 : 468–481. Bibcode : 2019JCPro.233..468L. doi : 10.1016/j.jclepro.2019.06.099 . hdl : 2164/12752 . S2CID  197776092.
  30. ^ Скотт, Аллан; Озе, Кристофер; Шах, Винит; Янг, Нан; Шэнкс, Барни; Чизман, Крис; Маршалл, Аарон; Уотсон, Мэтью (2021-02-04). «Трансформация обильных минералов силиката магния для улучшенной секвестрации CO2». Communications Earth & Environment . 2 (1): 25. Bibcode : 2021ComEE...2...25S. doi : 10.1038/s43247-021-00099-6 . ISSN  2662-4435. S2CID  231793974.
  31. ^ Рау, Грег Х.; Кэрролл, Сьюзан А.; Бурсье, Уильям Л.; Синглтон, Майкл Дж.; Смит, Меган М.; Эйнс, Роджер Д. (2013-06-18). «Прямое электролитическое растворение силикатных минералов для снижения выбросов CO2 в атмосферу и получения углерод-отрицательного H2». Труды Национальной академии наук . 110 (25): 10095–10100. Bibcode : 2013PNAS..11010095R. doi : 10.1073 /pnas.1222358110 . PMC 3690887. PMID  23729814. 
  32. ^ Beerling, David (2020-07-08). "Потенциал крупномасштабного удаления CO2 посредством усиленного выветривания горных пород с использованием пахотных земель". Nature . 583 (7815): 242–248. Bibcode :2020Natur.583..242B. doi :10.1038/s41586-020-2448-9. hdl : 10871/122894 . PMID  32641817. S2CID  220417075. Архивировано из оригинала 2020-07-16 . Получено 2021-02-09 .
  33. ^ Сков, Кирстин; Уордман, Джез; Хили, Мэтью; Макбрайд, Эми; Бировец, Тцара; Купер, Джулия; Эдех, Ифеома; Джордж, Дэйв; Келланд, Майк Э.; Манн, Джим; Мэннинг, Дэвид; Мерфи, Мелисса Дж.; Пейп, Райан; Тех, Йит А.; Тернер, Уилл (2024-03-27). "Первоначальные агрономические преимущества улучшенной выветривания с использованием базальта: исследование ярового овса в умеренном климате". PLOS ONE . 19 (3): e0295031. Bibcode : 2024PLoSO..1995031S. doi : 10.1371/journal.pone.0295031 . ISSN  1932-6203. PMC 10971544 . PMID  38536835. 
  34. ^ "20 команд приносят передовые решения на финал XPRIZE по удалению углерода". XPRIZE . Получено 2024-06-11 .
  35. ^ «Может ли бетонная пыль помочь в борьбе с изменением климата? Этот ирландский стартап испытывает ее на сельскохозяйственных угодьях США». 27 октября 2023 г.
  36. ^ "ПОЗДРАВЛЯЕМ ПОБЕДИТЕЛЕЙ КОНКУРСА THRIVE SHELL CLIMATE-SMART AGRICULTURE CHALLENGE" . Получено 3 ноября 2023 г. .

Внешние ссылки