地下二氧化碳储存研究人员以前所未有的小规模测量碳矿化

当我们仰望天空，思考我们这个时代最大的问题之一：如何应对导致气候变化的碳排放时，一个潜在的答案可能就在我们脚下，在地球深层地下。

太平洋西北国家实验室(PNNL)的科学家开发出一种将二氧化碳(CO2)转化为固体岩石的工艺。该工艺模拟了地球的自然过程，但速度要快得多——从数千年到短短几个月。但要将二氧化碳封存在固体矿物中，这一过程称为碳矿化，规模大到足以产生影响，需要的不仅仅是发现本身。

“我们需要一些方法来测量、验证和传达我们放入地下的二氧化碳已经矿化并且不会逸出的信息，”PNNL首席化学家托德·谢夫(ToddSchaef)表示，他是玄武岩中碳矿化的先驱。

谢夫团队的实习生玛德琳·巴特尔斯(MadelineBartels)参与了这项工作。她的研究发表在《分析化学》杂志上，以前所未有的规模计算碳矿物分子——小于百万分之100。

“我们实际上可以看到岩石中封存了多少碳，”巴特尔斯说。“想象一下在足球场上放一张扑克牌。这相当于百万分之一的规模，但我们测量的是一小块粉末岩石样本中的碳矿物质含量。”

以前，他们就像在看台最上排看球场上的扑克牌一样，而现在，他们就在球场上，可以近距离观看。

美国每年排放超过63亿吨二氧化碳。2013年，研究人员在瓦卢拉玄武岩试点示范点使用PNNL碳封存技术，将977吨液态二氧化碳注入地下，22个月后再次检查发现，这些二氧化碳已转化为固体矿物。

我们怎么知道二氧化碳已经形成岩石了?

虽然碳矿化可以封存大量二氧化碳，但美国尚未出现商业规模的项目。将二氧化碳注入地下需要特殊许可，但目前尚未获得许可，因为工业要求仍在开发和测试中。

“能源部、社区、利益相关者、行业和国家实验室正在共同努力，确保我们拥有最好的工具，通过玄武岩和其他活性岩石的矿化作用，实现二氧化碳的可持续、安全、有保障的储存，”论文合著者兼巴特尔斯的导师奎因·米勒说。

如果被采纳为一项标准，热重分析质谱(TGA-MS)技术未来有一天可能会被私营公司用来测量和验证有多少二氧化碳被封​​存。

“我本科时从事的研究有可能对这个新兴领域做出重大贡献，这真是太酷了，”巴特尔斯说道，她在耶鲁大学攻读学士学位期间曾两次参加美国能源部、科学劳动力发展办公室教师和科学家SULI实习。

对从Wallula井回收的钻屑样品进行了TGA-MS测试。

巴特尔斯说：“我们将岩石样本磨成非常细的粉末，然后将少量(约葵花籽大小)放入加热并跟踪样本重量的机器中。”

在高温下，会发生各种反应。水分子和二氧化碳分子从样品中释放出来，进入一根小管，与质谱仪相连。

“很难辨别碳的数量和来源，”米勒说。“我们可以做很多事情，比如用X射线照射岩石，并尝试用这种方式观察碳酸盐，但TGA-MS可以让我们观察比我们用X射线检测到的碳少得多的碳量。”

该技术使研究人员能够在碳矿物通过管道进入质谱仪时对其进行量化。他们检测到的碳矿物含量极低，仅为百万分之四十八，这是已知的首个将TGA-MS量化值降低到两位数的研究。利用这些测量值，太平洋西北国家实验室团队创建了一条校准曲线，将碳矿物的重量与TGA-MS信号联系起来，使他们能够量化样品中的碳矿物含量。

指导下一代碳矿化专家

随着研究领域的发展，Schaef和Miller致力于将PNNL的碳矿化发现推广到商业规模，并鼓励学生和早期职业研究人员加入碳管理解决方案的探索。

“Madeline参与SULI让她有机会亲身学习，以第一作者身份发表论文，并登上封面。这是一项伟大的、有影响力的工作，”Miller说。“我们团队的人越多，我们引入的观点、想法和方法就越多，关于如何做事以使这项研究规模化。”

今年夏天，巴特尔斯以SULI实习生的身份重新加入PNNL，并计划以研究生的身份继续她的碳矿化和地球化学研究。

“作为国家实验室，我们希望吸引下一代，这就是我们在这里做的事情，”谢夫说。“我在这个领域已经工作了32年多，我很乐意培养更多像玛德琳这样的人，希望能找到解决社会面临的这些挑战的解决方案。”