科学家探索利用矿山矿物废料从空气中吸收二氧化碳的方法

在今年8月一个炎热的日子里，凯勒布·伍德尔(Caleb Woodall)像长矛一样挥舞着铁锹，将其刺入加利福尼亚州科林加附近一个充满石棉的坑的坚硬外壳。

伍德尔是马萨诸塞州伍斯特理工学院的一名研究生，他正在从一座石棉矿中挖掘样本，该石棉矿自1980年以来一直处于关闭状态，这座石棉矿位于该州暗黑破坏神山脉的最高峰上，是一个超级基金网站。他从圣贝尼托山的几个地点提取了数磅的材料，将它们铲入Ziploc袋中，并将它们运往两个实验室进行分析。

他和他的同事们正试图确定从坑里拉出来的材料的组成和结构，并回答两个关键问题：它们含有多少二氧化碳-它们还能储存多少？

某些类型的纤维石棉具有巨大的表面积，这是一类曾被大量用于耐热建筑材料的致癌化合物，这使得它们特别善于抓住溶解在雨水中或漂浮在空气中的二氧化碳分子。

这包括最常见的石棉，温石棉，一种遍布整个山脉的蛇纹石矿物(蛇纹石是加利福尼亚州的州岩)。与二氧化碳的反应主要产生碳酸镁矿物，如菱镁矿，这是一种稳定的材料，可以将温室气体锁定数千年。

伍德尔和他的顾问詹妮弗·威尔科克斯(Jennifer Wilcox)是一名碳去除研究员，他们是越来越多的科学家中的一员，他们正在探索加速这些原本缓慢的反应的方法，希望利用采矿废物来应对气候变化。这是一个方便的碳捕获技巧，也可能适用于镍、铜、钻石和铂矿开采的富含钙和镁的副产品。

最初的希望是抵消采矿本身产生的大量碳排放，这些矿物已经在开采过程中开采出来了。但真正的希望是，这项早期工作可以让他们弄清楚如何有效和负担得起地挖掘矿物，可能包括石棉，特别是为了从大气中提取大量温室气体。

不列颠哥伦比亚大学(University Of British Columbia)教授、这一新兴领域的主要研究人员之一格雷戈里·迪普尔(Gregory Dipple)表示：“未来十年，矿山的脱碳只是在帮助我们建立信心和技术诀窍，以负排放为目的进行采矿。”

联合国气候小组发现，任何使地球变暖不超过1.5万亿˚摄氏度的情景都将需要在本世纪中叶几乎消除排放，以及在本世纪从空气中消除1,000亿至1,000亿吨二氧化碳。美国国家科学院的一项研究发现，将变暖保持在2˚C以下可能需要到2050年每年吸出100亿吨，到2100年每年吸出200亿吨。

这是一个如此巨大的数量，以至于我们几乎肯定需要使用各种方法来接近任何地方，包括植树和增加农业土壤的碳吸收。使用矿物来降低二氧化碳的特别前景是，它可以大规模地完成-并将有效地将其永久储存起来。

矿化已经是自然界在所谓的“慢碳循环”中使用的主要机制。雨水中的二氧化碳溶解基性岩石，产生镁、钙和其他化合物进入海洋。在那里，海洋生物将这些材料转化为贝壳和骨架，最终变成石灰岩和其他岩石类型。

有足够的矿物质来捆绑我们曾经排放的所有二氧化碳，甚至更多。问题是，绝大多数都被锁在坚硬的岩石中，不会与温室气体接触。即使当它们暴露在露出地面的岩石中，这些反应也需要很长时间才能发生。

但各种干预措施可以将自然缓慢的碳循环转变为更快的碳循环。这些包括物理过程，如简单地挖出材料，将它们磨碎成更细的颗粒，然后将它们铺开成薄层，所有这些都会增加暴露在二氧化碳中的活性表面积。还有一些方法可以通过增加热量或酸之类的化合物来加速化学反应。

“这是一个巨大的、尚未开发的机会，可以消除大量的二氧化碳，”陪同伍德尔到加州实地考察的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Lab)碳倡议负责人罗杰·艾因斯(Roger Aines)说。

在去年由钻石公司戴比尔斯(De Beers)和加拿大自然资源公司(Natural Resources Canada)资助的一个试点项目中，他和同事们使用加拿大西北地区一个矿山的尾矿来捕获从水箱中释放的二氧化碳。重点是评估使用矿物捕获和储存发电厂烟道流中气体的可能性。

该团队目前正在为不列颠哥伦比亚省拟议中的一家镍厂进行实地试验。他们已经将勘探钻探的尾矿放入各种容器中，并正在测量在不同天气条件下使用不同化学添加剂和工艺所产生的反应速率。但他们预计，只需加水并有效地耕作材料，就能迅速从空气中去除二氧化碳，形成一个可以掩埋的固体区块。

由于拟议中的作业将主要依靠水力发电，他们估计，只使用30%来自矿山的最活跃的尾矿就能使作业达到碳中性。使用大约50%会使其成为碳负。

但并不是所有的矿山尾矿都是平等的。在另一个单独的项目中，Wilcox和Woodall正在蒙大拿州的一个铂、钯和镍矿进行实地考察，希望开发出加速碳捕获反应的方法，而副产品不是很理想。那里的尾矿中的主要矿物是斜长石和长石，它们将镁和钙保持在紧密的化学结构中，使它们比其他类型的矿山废物活性低。

回到实验室，他们正在测试加热和添加铵盐和某些弱酸是否可以破坏这些键，释放出更多的钙和镁来抓住二氧化碳。

“如果我们能想出所有这些不同尾矿的配方，机会可能会爆炸，”威尔科克斯说。

伍德尔正在探索石棉场地，因为他希望找到一个可能在随后的实地试验中工作得很好的地点，以评估加速碳吸收的方法。

这些方法可以包括铺开材料以增加活性表面积，运行风扇以增加石棉上流动的空气量，或者直接将浓缩的二氧化碳注入矿坑。

艾因斯说，随着时间的推移，这些过程应该会形成松散结合的岩石和泥土的混合物，主要由碳酸镁、碳酸氢盐和碳酸钙组成，可以简单地留在原地。转换石棉也将有助于清理这些地区。

但是，在石棉周围吹空气安全吗？这样的努力能完全修复这些有毒场所吗？

鉴于石棉的健康风险，后续工作将在哪里进行，甚至是否进行，这将取决于科学监督委员会和监管官员的决定。

艾因斯说，在进行这项工作的过程中，可能会保留或分散一定数量的石棉。他补充说，这些都是需要测试的关键问题。

这也是为什么在受限制的地点做这样的工作很重要，以及为什么任何研究或随后的全面努力都需要遵循使用这些材料的明确规则和程序。伍德尔强调，他们将采取所有必要的预防措施，包括用水喷洒材料以防止石棉漂浮，以及使用传感器监测暴露水平。

伍德尔估计，佛蒙特州的一个石棉场地，大约有3000万吨垃圾，可以捕获多达1200万吨的二氧化碳。根据美国国家科学院的研究，全球矿山每年生产的矿物副产品足以捕获近4000万吨二氧化碳。

但所有这些只是有意义地应对气候变化所必须捕获的数十亿吨二氧化碳中的一小部分。因此，要接近必要的规模，就需要挖掘更多的矿物。

Woodall和Aines都表示，考虑到石棉的活性，如果现场试验表明这一过程是有效和安全的，这可能包括石棉。

但考虑到石棉带来的健康风险，这一想法肯定会引起严重关注。还有很多其他的矿物选择，即使它们不是很理想。

其他研究组织和非营利组织已经在寻找方法，一旦额外的矿物被提取出来，就可以让它们发挥作用，包括：沿着海滩撒下磨碎的橄榄石，或者在农田上撒玄武岩灰尘，以吸收二氧化碳，帮助作物施肥。

然而，在更大规模上开采任何材料都将面临许多挑战。采矿本身就是破坏环境的。开采、研磨、分配和加工矿物所需的所有能源都将侵蚀任何减排。而且，可用的土地可能会受到严重的限制，特别是因为大多数矿物可能需要数年时间才能与二氧化碳反应。

例如，根据自然通讯(Nature Communications)7月份的一篇论文，每年使用氧化镁去除25亿吨二氧化碳将需要一个10厘米厚(近4英寸)的层，覆盖约1.5万平方公里(近5800平方英里)。这相当于内华达州的5%多一点。

但主要的绊脚石是成本。Wilcox表示，每吨全投入可以运行200多美元，这比植树要贵得多。

有可能一些材料可以变成商业产品，比如混凝土中的骨料，以支付成本。某种程度的自愿碳抵消，即个人或公司支付费用来平衡自己的排放，也可能有所帮助。但大多数观察人士认为，要达到数十亿吨的规模，将采取激进的公共政策，对碳污染设定高昂的价格，或者为消除碳污染创造慷慨的激励措施。