海洋通過海—?dú)饨缑娼粨Q的自然過程每年可凈吸收約2GtC,接近全球年碳排放總量的1/3。若缺少此過程,則大氣中CO2濃度將達(dá)450滋g/g,比現(xiàn)值高出55滋g/g。盡管如此,該過程仍不能滿足全球碳減排之需。在此背景下,Marchetti率先提出海洋碳封存的新理念。此后,人們沿著其思路評(píng)估了海洋碳封存的可行性及其潛力,并探索了海洋碳封存的具體實(shí)現(xiàn)途徑;其中將CO2捕獲、壓縮后直接注入海洋,或?qū)⑵浞獯嬗诤５壮练e物是2種最重要的海洋碳封存途徑。

目前海洋中約有40000GtC,是大氣圈中碳總量的5倍,其碳封存潛力約為大氣圈的40倍。因海—?dú)饨缑娴腃O2交換過程緩慢且僅限于表層/次表層海水,故人們開始探尋用人工方法加快海洋碳封存過程及提升海洋吸收CO2的能力。海洋水柱能封存碳得益于以下3種機(jī)制。首先,海水中的碳主要以HCO-3形式存在,并與H2CO3、溶解態(tài)CO2和CO2-3構(gòu)成相對(duì)穩(wěn)定的龐大緩沖體系。如長(zhǎng)期沉積于海底的碳酸鹽可與其四周酸化的海水發(fā)生中和反應(yīng)[18]。其次,隨著深度的增加,CO2會(huì)變得比海水致密,從而達(dá)到重力穩(wěn)定狀態(tài),即在海洋中存在負(fù)浮力帶(NegativeBuoyancyZone,NBZ)。再次,若海水深度足夠大且富含CO2,則籠形的水分子能將CO2吸附于其中并形成CO2水合物(CO2·5.75H2O),即存在水合物形成帶(HydrateFormationZone,HFZ),從而有利于海洋碳封存。因水合物的生成過程為放熱反應(yīng),故從熱力學(xué)角度分析,該反應(yīng)可自發(fā)進(jìn)行。

除海洋水柱可封存CO2外,海底沉積物也是理想的碳封存場(chǎng)所。海底沉積物儲(chǔ)層不僅碳封存潛力巨大,而且與陸地儲(chǔ)層相比具有更優(yōu)的物理、化學(xué)和水文地質(zhì)等條件。故海底沉積物儲(chǔ)層具有更誘人的碳封存前景。

處于深海環(huán)境的CO2會(huì)出現(xiàn)密度大于孔隙水的情形,即在NBZ達(dá)到重力穩(wěn)定狀態(tài)。雖然CO2因海底巖層的地?zé)嵘郎貢?huì)使其密度變小而出現(xiàn)上移,但最多上移至NBZ的底部。CO2能從蓋層的微裂隙中逸出,但此時(shí)的孔隙水可起到類似蓋層的阻隔作用,且其阻隔效果優(yōu)于蓋層。這就規(guī)避了在陸地碳封存時(shí)存在的CO2因浮力效應(yīng)而逸出地表的風(fēng)險(xiǎn)[24~26,35~37]。此外,在低溫高壓的深海環(huán)境,CO2極易在HFZ形成水合物。因CO2水合物在海水中的溶解速率小于CO2,故水合物的形成能減輕CO2對(duì)海洋生物的影響。水合物充填于沉積物孔隙中會(huì)降低其滲透率和孔隙度,甚至?xí)氯紫?起到抑制CO2泄漏的作用。