CO2鹹水層封存

將從源頭分離或大型工業工廠捕獲的CO2_，通過壓縮、運輸、注入到就近的地下鹹水層中，使其在地下能夠長久的保存，達到減少大氣中CO2、緩解溫室效應的作用。它是CCS中最有效的一種技術，因為鹹水層具有十分巨大的儲存潛力，不僅是具有大的孔隙空間，而且對於水資源的利用也有一定的幫助。良好的儲存CO₂的鹹水層的上部必須有低滲透的岩層，俗稱蓋層，它是儲存CO₂的必要條件，防止注入的CO₂通過斷層或裂縫滲漏到上部淡水層或地表。CO₂在鹹水層的封存效率取決於儲層的捕集機制，包括：構造捕集、殘餘捕集、溶解捕集和礦物捕集。

基本介紹

• 中文名：CO2鹹水層封存 
• 外文名：carbon dioxide sequestration in saline aquifer 
• 適用領域：地質學 
• 所屬學科：地質學 

研究背景

在過去的幾十年里，全球變暖一直被認為是人類面臨的一個關鍵問題。從1880年到2012年，全球平均溫度上升0.85℃，並估計到2100年，全球平均氣溫可能上升1.4-5.8℃，這將導致山地冰川和積雪融化，導致海平面上升。溫室氣體的排放是導致氣候變化和環境問題的主要原因，主要的溫室氣體：CO₂、N₂O、CH₄、SF₆等，其中CO₂是最主要的溫室氣體，不是因為它是最強的溫室氣體，而是因為它在大氣中的含量相對其他溫室氣體最多。自工業革命以來，大量的使用化石能源，經統計，2019年CO₂的排放量達401億噸，其中86%來自於化石燃料。大氣中CO₂的含量從1750年的280ppm到2020年上升到410ppm。

為了控制二氧化碳在大氣中不斷增加的排放和濃度，緩解氣候變化問題，需要採用新的技術和方法。主要包括三個途徑：能源結構轉變，即由不可再生能源向可再生的清潔能源轉變，如風能、太陽能、核能等；提高能源效率；碳捕獲與封存（CCS）。前兩者在短期內很難實現，因此CCS成了減緩溫室效應的主要手段。可儲存二氧化碳的地層有：深部鹹水層、枯竭油氣田、二氧化碳提高採收率下的油氣藏、深部不可開採煤層、提供氣體採收率的煤層和頁岩層、玄武岩。二氧化碳在地下鹹水層中封存被認為是最可行的技術，因為世界上大多數鹽水地質構造位於沉積盆地內，這些沉積盆地可能具有高孔隙性和滲透性，因此與其他地質構造相比具有最大的儲存能力。此外，這類地質地層孔隙大、滲透率高，需要的注水井數量較少，經濟性較好。

封存機制

地質封存過程的效率主要取決於各種CO2捕集機制的有效性，鹹水層的捕集機制主要包括以下四種：構造捕集、殘餘捕集、溶解度捕集、礦物捕集。前兩者屬於物理捕集機制，只能暫時性的儲存二氧化碳，但發揮作用的時間較快；後兩者屬於化學捕集，可以永久性的封存二氧化碳，不會出現泄露等危險事件，但通常需要較長的時間，礦物捕集一般需要上百年，甚至上千年時間。

構造捕集：構造圈閉是指CO₂以超臨界或氣態注入低滲透或不滲透蓋層以下的地質地層，並被圈閉在地層中的水文過程。在鹹水層中，CO₂的密度仍小於鹽水的密度，故產生浮力向上運動，直到遇到滲透性差或非滲透性的蓋層，浮力小於毛細管力，被封存在蓋層之下。蓋層封閉的邊界可以為背斜或斷層的構造圈閉，也可以是不整合面或岩性尖滅的岩性圈閉。

殘餘捕集：也稱毛細管捕集，在地質地層中注入CO₂時，CO₂會施加壓力，同時使地層水(滷水)重新運移。一旦CO₂的注入暫停，由於鹽水和CO₂的密度差異，鹽水柱產生反壓，流體開始以逆流方式流動，導致CO₂向上流動，鹽水向下流動。因此，潤濕流體(鹽水)重新侵入原先由CO₂占據的孔隙基質。在這種機制中，鹽水推動二氧化碳;因此，相當多的二氧化碳被困在多孔介質的小簇中，這一過程被稱為殘餘捕集。非潤濕相被隔離在狹小的孔隙空間中，它會被毛細管作用牢牢固定，增加了一定的安全性。

溶解度捕集：CO₂在地層流體中溶解通常稱為溶解度捕集。CO₂注入後先向上運動到儲層與蓋層的交界處，然後由地層水與自由氣相界面的分子擴散驅動。當CO₂溶解在地層鹽水中時，地層水的密度會略微增加。此前的研究表明，CO₂的溶解使地層鹽水的密度比正常地層水增加了1% ，使其更重，並在重力作用下觸發地層鹽水向下流動。這一過程進一步改善了地層鹽水和CO₂的混合，形成了快速擴散機制，導致CO₂的高溶解。這一過程有兩個主要好處:最大限度地減少二氧化碳的向上移動和提高地質地層的儲存能力。

礦物捕集：當注入的CO₂溶解到地層水(滷水)中，它會形成弱碳酸，並進一步與周圍的礦物或有機物質發生反應，形成固體碳酸鹽礦物和其他有益的礦物相。但也有可能是加快其泄露，使地層岩石孔隙度和滲透性的變化，CO₂會通過覆蓋層運移，這是有害的。這種機制被稱為礦物圈閉，取決於岩石和地層水的化學性質，其速度或快或慢，但它可以固定CO₂，或有效地將CO₂長期綁定在岩石上。

安全性討論

我們需要在泄露風險最小的情況下實現二氧化碳封存，這就需要對儲存地點的捕集機制進行評價。根據前人總結的經驗，溶解度捕集，隨著CO₂在地層滷水中溶解，它增加了滷水的密度。因此，與滷水相結合的CO₂由於密度高，開始下沉緩慢，向上遷移受到限制。這種機制就是我們前面討論過的溶解度俘獲，它的時間尺度大約為幾千年。最安全但最慢的機制是礦物捕集，考慮到它的大約時間尺度從數千年到數十億年不等。在我們重視的時間範圍內，它們變得不是很重要，相反，使得二氧化碳不流動的最快的機制是殘餘捕集，二氧化碳被隔離的時間越長，就越不容易發生泄露事件，更加安全。地層和構造是注入二氧化碳初始主要的圈閉機制，但同時其泄露的可能性較大，在其他機制中安全性較低。一旦礦化開始，CO₂將不再能夠從任何方面逃離儲層，從而獲得高度安全的存儲，泄漏風險最小。

綜上所述，地下鹹水層封存CO₂的捕集機制時間跨度為：構造捕集＜殘餘捕集＜溶解度捕集＜礦物捕集；而就安全性而言，其順序剛好相反。