史丹佛大學最近開發出實用經濟方案，能永久性從大氣清除二氧化碳，為對抗全球暖化提供新武器。新技術加強自然風化過程，創造出以前所未有速率吸收碳的高反應性材料。
「地球有取之不盡的礦物能清除大氣二氧化碳，但它們反應速度太慢，無法抵消人類排放溫室氣體的速度。」史丹佛人文與科學學院化學教授、論文資深作者馬修·卡南（Matthew Kanan，首圖右）表示。「我們以獨特且可擴展的方案解決這個問題。」
論文發表於《自然》（Nature）期刊，展示如何將緩慢風化的矽酸鹽轉為高反應性礦物，能快速捕捉和儲存大氣碳的突破性方案。
增強自然風化過程
自然界常見的矽酸鹽礦物會與水和二氧化碳反應，形成穩定的碳酸氫根離子和固體碳酸鹽礦物，這過程就是「風化」。但風化需數百至數千年才能完成。
卡南教授和史丹佛博士後研究員Yuxuan Chen（首圖左）開發出新流程，將慢速風化的矽酸鹽轉成反應性更高的礦物。「我們設想新化學方法，以簡單離子交換反應活化惰性矽酸鹽礦物。」Chen解釋：「我們沒想到會如此有效。」
許多專家認為，防止全球再暖化需大幅削減化石燃料使用和永久性清除大氣數十億噸二氧化碳。但現有碳清除技術普遍成本高昂、能源密集且大規模應用未經驗證。
「我們流程需求能源不到先進直接空氣捕捉的一半，從成本角度看也更具競爭力。」卡南教授說。
自發碳化過程
新方案靈感來自古老水泥製造技術。水泥生產始於約1,400°C窯爐將石灰石轉成氧化鈣。團隊在實驗室爐用類似流程，但不是與沙子混合，而是將氧化鈣與另一種含鎂和矽酸鹽離子的礦物結合。加熱時，兩種礦物交換離子，轉為氧化鎂和矽酸鈣──兩種能與空氣酸性二氧化碳快速反應的鹼性礦物。
「這過程就像加速器，」卡南解釋。「將反應性礦物氧化鈣和幾乎惰性的矽酸鎂結合，產生兩種反應性礦物。」
室溫反應性快速測試時，矽酸鈣和氧化鎂暴露於水和純二氧化碳。僅兩小時，兩種材料就完全轉成含固定碳的新碳酸鹽礦物。更接近實際狀況的測試，濕潤樣品直接暴露空氣，碳化過程雖需數週至數月，但仍比自然風化快數千倍。
農業整合與實際應用
「可想像將氧化鎂和矽酸鈣大面積鋪灑，移除環境的二氧化碳。我們測試中令人興奮應用之一是添加至農業土壤。礦物風化後，會轉為碳酸氫鹽，最終永久儲存至海洋。」卡南說。
這種方法還給農夫額外好處。農夫通常會添加碳酸鈣幫土壤提高過低pH值，這過程稱為石灰化。「添加我們產品可消除石灰化需求，因兩種礦物成分都是鹼性。矽酸鈣風化後，會釋放植物可吸收形式的矽進入土壤，能提高作物產量和抵抗力。」卡南解釋。
擴大規模邁向全球
卡南實驗室每週可生產約15公斤（33磅）材料，但能真正有幫助的捕捉二氧化碳以影響全球溫度，每年需生產數百萬噸氧化鎂和矽酸鈣。
研究員表示，製造水泥的窯爐可用豐富的矽酸鎂礦物（如橄欖石或蛇紋石）生產材料，這些礦物在加州、巴爾幹半島和許多地區都有。這也是採礦業常見的剩餘原料或尾礦。
「每年全球產生超過4億噸含適合矽酸鹽的礦山尾礦，提供潛在大量原料來源。估算地球有超過十兆噸橄欖石和蛇紋石儲量，足夠永久性清除比人類排放的二氧化碳還多更多。」Chen說。
算入燃燒天然氣或生物燃料供能窯爐的碳排放後，每噸反應性材料可清除1噸二氧化碳。預估2024年全球化石燃料二氧化碳排放量超過370億噸。
卡南與電機工程學院副教授喬納森·范（Jonathan Fan）合作，開發電爐而非燃燒化石燃料的窯爐。「社會已掌握每年生產數十億噸水泥的方法，而水泥窯可使用數十年。如果我們利用經驗和設計，就有一條明確的路，可從實驗室科技走向實際可行的碳移除。」卡南說。
科技新報粉絲團
加入好友
訂閱免費電子報
