CO2 收集和存储可以大大减少释放到大气中的 CO2 的数量。我们大家都知道从其他气体中分离 CO2 以及隔离 CO2所需的技术。需要进行更多的开发工作，以实施大规模的收集和存储 CO2。

燃烧矿物燃料（煤、石油和天然气）会增加大气中二氧化碳的浓度。现在，CO2 的浓度为 379/1,000,000。此浓度要远远高于在过去的 600,000 年中任何时间的浓度。气象学家一致认为，浓度增加至少有部分原因是由于全球温度升高引起的。

减少释放到大气中的 CO2 数量的一种方法是多使用不会产生 CO2 的其他能源。这些能源包括：水力发电、风力、太阳能、原子能、地热和潮汐能源。这些能源中的每一种都有局限性，而且很难从使用矿物燃料快速转变为使用这些能源。但是如果燃烧矿物燃料生成的 CO2 没有进入大气中，情况会怎样呢？是否可以不让 CO2 通过烟窗进入空气中，将其收集起来并放在某个地方？可以这样做吗？

是的，可以这么做。这个过程被称为 CO2 收集和存储。可以立即在小规模范围内进行此工作。这能大大减少释放到大气中的 CO2 的数量。顾名思义，这个过程有两个阶段。第一个要解决的问题就是收集 CO2 ，不让它进入烟囱中。然后，必须将其安全地存储或“隔离”，并保持很长一段时间。隔离 CO2 以减少进入大气中的数量，这个想法很有新意。已经在其他环境中开发了进行此工作所需的技术，因此现在我们已经有了一个良好的开端。

收集 CO2

收集 CO2 的最佳位置就是该气体的主要排放地。在全球排放出的所有 CO2 中，发电站排出的气体量大约占到了三分之一。此外，CO2 是铁、钢和水泥生产的副产品。在将天然气用作燃料之前，已将 CO2 从中去除。这些工业流程非常适用于 CO2 的收集和存储，因为它们是在固定地点对大规模的资源进行操作的。相反，很难收集汽车排放出的 CO2。发电站的主要矿物燃料是天然气和煤。这些燃料需要有空气才能燃烧。燃烧产生的热用来产生蒸汽以推动涡轮机，涡轮机使发电机转动起来。也可以燃烧天然气直接推动涡轮机。在任何一种情况下，空气中的氧都会与燃料中的碳结合产生 CO2。产生的 CO2 会释放到空气中。天然气燃烧时，甲烷 (CH4) 中的氢还会与氧结合产生水。

但是燃烧燃料的空气的主要成分是氮，氮不参与燃烧过程，它会进入烟囱。发电站的排放物也称为废气，通常在以煤作为燃料的发电站中，废气中仅有 10% 到 15% 的 CO2，在以天然气作为燃料的发电站中，其含量约为 5%。理论上，我们可以存储所有废气，但是，存储的废气中大部分都是不需要隔离的氮。要有效存储 CO2，必须首先将其从其他废气中分离出来。如何进行分离呢？

有三种方法：

1. 燃烧后分离 CO2。
2. 燃烧前使碳从燃料中分离出来，这样燃烧的只有氢，因此只会产生水。
3. 在氧气而非空气中燃烧矿物燃料，这样只会产生 CO2。

	单击以观看燃烧之后分离 CO2 的动画。

可以使用化学溶液溶解 CO2，同时将将其他气体排到大气中。目前广泛采用的这一技术使用一组叫作胺的化合物。它们通过形成化学键吸收 CO2，特别是在高压和低温时。这一过程被称为“净化”。然后，加热得到的化学溶液，压力会降低，释放出浓缩的 CO2。

可以使用其他溶剂在不形成化学键的情况下溶解 CO2。在此物理吸收过程中，通过加压使 CO2 溶解，然后再减压将其从溶剂中提取出来。溶剂可以重复使用。收集 CO2 的另一个方法是将废气冷却直到 CO2 变为液体。此过程需要大量能源用来制冷。这样做的一个好处就是可以很容易地用卡车或船只运输液体。还可以使用称为细胞膜的薄膜分离气体。一些气体穿过细胞膜的速度要比其他气体快，这样就能将气体彼此区分出来。

在燃烧前将碳提取出来

	单击以观看燃烧前提取碳的动画。

天然气中的燃料为甲烷 (CH4),当它燃烧时会产生 CO2 和 H2O。如果在燃烧前将碳提取出来，则只剩下了氢，这样，燃烧时只会产生水。在这种情况下，燃料会与氧气和/或蒸汽发生反应，生成一氧化碳 (CO) 和氢。然后,一氧化碳会与更多的蒸汽起反应，产生 CO2 和更多的氢。最后，分离 CO2，在燃气涡轮中将氢用作燃料。

在氧气而不是空气中燃烧

	单击以观看在氧气而不是空气中燃烧的动画。

空气中氮的含量为 78%。它在燃烧过程中基本不会发生什么变化。在包含 CO2 的废气混合物，氮占了很大比例。如果在纯净的氧气而不是空气中燃烧燃料，则废气中 CO2 的浓度会增加到 80% 以上，这样也就没必要在分离 CO2 前进一步浓缩废气。要解决的问题就是如何从主要成分为氮的空气中将氧气分离出来。该方法与分离 CO2 的方法很相似。对空气进行制冷，以使氧气处于液化状态。氧气和氮以不同的速率穿过细胞膜，因此可以借助细胞膜将二者分离开来。还有一些材料可以吸收氮，因而将其从氧气中分离出来，然后，可以将氮从这些材料中释放出来并重新使用这些材料。

封存技术

收集浓缩的 CO2 之后，下一步就是将它存储在某个地方。下面给出了一些方法：

地质层

对于在大范围内长期分离 CO2 来说，将其存储在地质层中是目前最看好的方法。为了减少温室气体并减缓全球变暖的发展趋势，必须在数百或数千年的时间内，使存储的 CO2 置于大气层外。石油和天然气储集层、深盐水蓄水层以及煤层已存在了数百万年，却只逐渐发生了很缓慢的变化。有充分的证据表明，如果处理得当，可以在这些层中长期存储 CO2。

耗尽的石油和天然气储集层

很多人认为石油和天然气是在很大的地下洞穴中找到的。实际情况并非如此。相反，这些碳氢化合物位于具有渗透性的多孔岩石中，如砂岩。这些岩石包含称为孔隙的微小空间，其中充满了液体，可能是水或石油，也可能是天然气。石油或天然气储集层与其说是一个瓶子，更不如说是像一块海绵。油田或气田一段时间以来非常多产，相当大的 一部分碳氢化合物已被提取出去，因此有用来存储 CO2的空间。包含这些液体的多孔渗透性岩层外面包着一层没有渗透性的盖层（通常是盐或页岩），这不会让它们穿过岩石。通常，石油和天然气会通过透水岩层向上移动，因为它们比在此类岩层中水的密度要小。盖层会限制其移动。因为石油和天然气已在这种岩层中隔离了数百万年，因此我们有理由相信也可以将 CO2 储存在这些岩层中。

提高采油率

在油田中存储 CO2 所需的多项技术现在已用于一个称为“提高采油率”的过程。当新开采一个储集层时，石油通常会在压力作用下自由流出表面。将石油提取后，压力会下降，需要进行抽吸以恢复更多的油。到了某种程度后，恢复变得不再经济因而停止使用，会采用其他技术来提取更多的油。一种方法是将 CO2 注入储集层中。这会增加压力，因而石油变得更容易流动。而且，CO2 会溶解在石油中，从而使其变得不再那么粘稠，因而可以更自如地流动。其体积也会增加，因而进一步增加了压力。通过“注入井”将 CO2 注入到油层中。这将使石油朝生产井的方向移动，并从生产井流到表面。

“提高采油率”的副作用是 CO2 在岩层中被分离。如果目的是存储 CO2 而非开采石油，则可将已经开采完毕或将近开采完毕的油田于分离，即便对于“提高采油率”来说它们并不是很好的选择。

CO2 分离可能存在哪些问题？最大的问题是 CO2 是否会从油层中泄漏出来。泄漏也是一个问题，因为这将使分离的 CO2 重新回到大气中，这样也就无法达到项目的目的。

如果突然发生泄漏，会导致人员伤亡。CO2 无毒，但是如果它代替了提供的氧气，则会使人窒息。因为 CO2 的密度比空气大，因此它可能会聚集在油井口和山谷这种地势较低的地方。因此正常释放 CO2 也会致人于死亡。喀麦隆的 Lake Nyos 就发生过这样的灾难事故。该湖位于火山多发地带，二氧化碳从底部泄漏到湖水中。1986 年 8 月 21 日，突然释放了大量 CO2，并扩散到湖区周围的山谷中，致使附近 1,800 个村民不幸遇难。没有迹象表明在老油田中分离的 CO2 会突然泄漏，但是有缓慢泄漏的可能性。机具讽刺意味的是，该井本身可能存在问题。

一个油田可能有上百个这样的井。如果油田使用的年限很长，则井周围的水泥可能会老化。 这可能是 CO2 渗漏的途径。 应该重新给井灌注水泥，以便这些井为分离的 CO2提供可靠的密封度。

CO2 泄漏的另一个可能的途径是盖层出现裂缝。建议在地质结构稳定，不太可能发生地震的区域进行 CO2 分离。但是，CO2 自身的分离可能会引起盖层下压力增加，从而引起破裂。 解决方法就是监视压力并注意不要使压力超过地层的极限。

蓄水层

有许多不包含石油或天然气的地下密封的地质“圈闭”，其孔隙充满了水，这些圈闭被称为蓄水层。最适合进行 CO2 存储的就是很深的地下蓄水层。极深的地下蓄水层中充满了盐水，因此它们不适合提供或储备淡水供人类使用。部分 CO2 会溶解在蓄水层的水中。在某些类型的岩石中，它可能会与矿物发生反应，从而形成稳定的碳酸盐沉积。这可能会永久锁住 CO2。需要研究地质构造，以确保蓄水层不会泄漏 CO2，对于石油和天然气储集层来说，研究地质构造是例行公事。

全球第一个针对气候变化执行的 CO2 注入计划是在北海的深盐蓄水层中挪威的近海岸上执行的，计划的名称是 Sleipner 油田。

煤层

另一种可能的存储介质位于煤沉积中，因太深而无法开采。煤的主要成分是碳。它将吸收 CO2 并将其永久锁定。煤沉积中通常包含甲烷。当将 CO2 注入到煤中时，它将先于甲烷被吸收，然后释放。与“提高采油率”一样，分离 CO2 时会产生有用的燃料。

此方法存在的一个问题是煤在吸收 CO2 时会膨胀，这会减少天然气流经的路径，结果是存储容量变得更加有限了。

收集和存储个案研究

目前正在实施的两个 CO2 收集和存储计划分别为：位于北海的 Sleipner 油田，位于加拿大的 Weyburn 油田。

…有关下列项目的更多科学观察文章…
空间与太空观察
地球观察
发明世界
运动人生