Bằng chứng về sự giải phóng hydro trong quá trình cô lập CO2 trong bazan
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.12.448Nhận quyền và nội dung
Điểm nổi bật
•
Sự tạo ra H2 được quan sát thấy trong quá trình cô lập CO2 trong bazan (0,18 wt% pha khí).
•
TIC tăng từ, cho thấy sự cô lập carbon hiệu quả.
•
Bằng chứng về sự giải phóng H2 trong bazan trong điều kiện bề mặt được kiểm soát.
•
Lợi ích kép tiềm năng: lưu trữ carbon và sản xuất năng lượng sạch trong bazan.
Tóm tắt
Để giải quyết biến đổi khí hậu, cần có các kỹ thuật cô lập carbon hiệu quả, trong đó lưu trữ địa chất trong các thành tạo bazan là ứng cử viên hàng đầu do tính sẵn có rộng rãi và khả năng cacbonat hóa khoáng chất. Nghiên cứu này khám phá các tương tác CO2-bazan trong điều kiện bề mặt, tập trung vào sự tạo ra hydro (H2) ngẫu nhiên. Các thí nghiệm được kiểm soát ở 5 MPa và nhiệt độ từ 323K đến 373K cho thấy bằng chứng sơ bộ về việc giải phóng H2, đo được tới 0,18 wt% pha khí trong quá trình phun CO2 vào bazan. Các phép đo Tổng lượng cacbon vô cơ (TIC) cung cấp bằng chứng trực tiếp về quá trình cô lập cacbon, với các giá trị tăng từ mức cơ bản là 20,9 mg/L lên 463 mg/L và 468 mg/L ở lần lượt 323K và 373K. Những phát hiện này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế cô lập cacbon bazan và gợi ý một hướng đi tiềm năng để sản xuất H2 cùng với lưu trữ cacbon. Nghiên cứu này trình bày bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về việc tạo ra H2 trong quá trình cô lập CO2 trong bazan trong điều kiện bề mặt được kiểm soát, làm nổi bật những lợi ích kép tiềm tàng đối với việc lưu trữ cacbon và sản xuất năng lượng sạch.
Giới thiệu
Việc giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu đòi hỏi các chiến lược sáng tạo để giảm thiểu mức carbon dioxide (CO2) trong khí quyển [1], một tác nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu [2]. Trong số này, cô lập CO2 trong các thành tạo địa chất là một kỹ thuật quan trọng nhằm mục đích giảm mức CO2 trong khí quyển, một động lực chính của sự nóng lên toàn cầu [3]. Đặc biệt, các thành tạo bazan mang lại triển vọng đầy hứa hẹn do sự phân bố rộng rãi và các đặc tính vốn có của chúng tạo điều kiện cho quá trình khoáng hóa CO2 nhanh chóng thành các hợp chất cacbonat ổn định [[4], [5]]. Quá trình này không chỉ cô lập CO2 vĩnh viễn mà còn chuyển đổi nó thành một dạng góp phần vào sự ổn định địa chất lâu dài với nguy cơ rò rỉ CO₂ giảm [6].
Nghiên cứu gần đây về thu giữ và lưu trữ carbon (CCS) tập trung vào khả năng lưu trữ CO2 của các lưu vực trầm tích. Tuy nhiên, các thành tạo bazan mang lại một số lợi thế độc đáo cho quá trình cô lập CO₂. Không giống như đá trầm tích, bazan có khả năng phản ứng cao do có nhiều cation hóa trị hai (Ca2⁺, Mg2⁺, Fe2⁺), cho phép cacbonat hóa khoáng nhanh hơn 95% khoáng hóa CO₂ trong vòng một năm [[7], [8], [9]]. Bản chất xốp của bazan và hàm lượng khoáng chất chứa cation hóa trị hai phong phú khiến nó trở thành ứng cử viên lý tưởng cho quá trình khoáng hóa CO2 [10]. Các phản ứng bên trong bazan không chỉ cố định CO2 [11] ở dạng khoáng mà còn làm thay đổi môi trường hóa học [12] theo những cách có khả năng dẫn đến các kết quả có lợi khác [13].
So với đá siêu mafic, bazan cung cấp sự cân bằng thực tế giữa khả năng phản ứng và độ thấm, mặc dù độ thấm có thể thay đổi trong các thành tạo, như Zakharova và cộng sự [14] đã lưu ý. Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức, bao gồm tính không đồng nhất của bazan và khả năng giảm độ thấm do kết tủa khoáng chất nhanh chóng [15]. Bất chấp những hạn chế này, các đặc điểm của bazan định vị nó như một môi trường đầy hứa hẹn cho quá trình cô lập CO₂ hiệu quả và ổn định, cung cấp một giải pháp thay thế nhanh hơn, ổn định hơn cho các lưu vực trầm tích.
Việc mở rộng quy mô CCS vẫn là một thách thức đáng kể mặc dù có nhiều cách tiếp cận khác nhau, bao gồm lưu trữ khoáng sản tại chỗ và ngoài chỗ [16]. Lu và cộng sự [17] nhấn mạnh nhu cầu tối ưu hóa tốc độ khoáng hóa trong đá macma, nghiên cứu tác động của axit hữu cơ đến khả năng thấm ướt và đề xuất một phương trình đánh giá tích hợp nhiều phương pháp khác nhau. Dựa trên những tiến bộ này, Mühlbauer và cộng sự [18] nhấn mạnh khoáng hóa CO2 là một chiến lược loại bỏ CO2 quan trọng, đánh giá các phương pháp tiếp cận tại chỗ, ngoài chỗ và phong hóa tăng cường về tiềm năng triển khai toàn cầu, chi phí, nhu cầu năng lượng và khả năng mở rộng. Mwakipunda và cộng sự [19] nhấn mạnh tiềm năng cô lập CO₂ trong đá bazan, giới thiệu các dự án thí điểm thành công ở Iceland và Hoa Kỳ. Các dự án này giải quyết vấn đề tăng cường lưu trữ CO₂ thông qua các hạt nano và chất hoạt động bề mặt, cùng với những thách thức quan trọng như lựa chọn địa điểm, ước tính công suất, tính toàn vẹn của giếng và tác động đến môi trường. Oelkers et al. [20] chứng minh tính khả thi của việc cô lập carbon trên quy mô lớn, cho thấy đá bazan Oligo-Miocene của Saudi có thể khoáng hóa hơn 95% CO₂ được tiêm trong vòng năm năm ở 100 °C, với công suất khoảng 4,2 Gt CO₂, đủ để lưu trữ khí thải từ các ngành công nghiệp địa phương trong hơn một thế kỷ. Steinthorsdottir et al. [21] đánh giá tiềm năng khoáng hóa CO₂ tại chỗ trong các thành tạo siêu mafic của British Columbia bằng cách sử dụng phương pháp tiêm CO₂ hòa tan
các phương pháp như Carbfix, xác định các địa điểm đầy hứa hẹn với khả năng lưu trữ carbon đáng kể. White và cộng sự [11] báo cáo một cuộc trình diễn thực địa năm 2013 gần Wallula, Washington, nơi khoảng 1000 tấn CO₂ đã được tiêm vào các thành tạo Bazan Sông Columbia, với các thử nghiệm sau khi tiêm cho thấy 60% khoáng hóa thành cacbonat trong vòng hai năm, chiếm khoảng 4% không gian lỗ rỗng.
Mặc dù các thành tạo bazan từ lâu đã được sử dụng để cô lập CO₂, nhưng tiềm năng tạo ra H₂ đồng thời trong quá trình này đang thu hút sự chú ý như một tiến bộ mang tính đột phá trong các công nghệ CCS [22]. H₂, với tư cách là chất mang năng lượng sạch, đóng góp đáng kể vào quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu [23]. Việc sản xuất H₂ trong quá trình cô lập CO₂ không chỉ giúp lưu trữ khí nhà kính mà còn tạo ra các nguồn tài nguyên có giá trị, nâng cao vai trò của CCS trong năng lượng bền vững. Việc thăm dò H₂ tự nhiên trong các thành tạo địa chất phù hợp với sự thay đổi này, như được thấy ở mỏ Bourakebougou ở Mali, nơi H₂ xuất hiện mà không có dấu hiệu bề mặt [[24], [25], [26]]. Nghiên cứu của Séjourné và cộng sự [27] ở Quebec và Serratt và cộng sự [28] ở miền nam Brazil tiếp tục khám phá các bể chứa H₂ tự nhiên, xác định các đặc điểm địa chất chính có lợi cho quá trình di chuyển H₂, bao gồm quá trình trưởng thành của vật chất hữu cơ trong các lưu vực trầm tích.
Các nghiên cứu đã giúp chúng ta hiểu sâu hơn về quá trình lưu trữ và sản xuất H₂. Ở lưu vực Songliao, Wang và cộng sự [29] phát hiện ra rằng H₂ chủ yếu được hấp phụ trong đá bùn, với cấu trúc lỗ rỗng, nhiệt độ và áp suất ảnh hưởng đến sự tích tụ của nó, trong khi đá sa thạch chứa H₂ tự do. Moretti và cộng sự [30] phát hiện ra rằng than Colombia tạo ra H₂ với số lượng vượt xa olivin tốt nhất, chỉ ra một nguồn tài nguyên chưa được sử dụng hết trong các thành tạo trầm tích. Tại lưu vực Paraná, Serratt và cộng sự (2024) đã xác định các thành tạo giàu H₂ liên quan đến quá trình trưởng thành hữu cơ, nhấn mạnh tiềm năng của các bể chứa năng suất cao. Cũng đáng đề cập rằng amoniac đã nổi lên như một chất mang H2 đầy hứa hẹn, mang lại những lợi thế đáng kể cho việc lưu trữ và vận chuyển H2. Tuy nhiên, để phát huy hết tiềm năng của nó, vẫn còn những thách thức trong việc tối ưu hóa hiệu quả năng lượng và hiệu suất chất xúc tác để triển khai các hệ thống lưu trữ và sản xuất H2 dựa trên amoniac trên quy mô lớn [[31], [32], [33]].
Một quá trình địa hóa quan trọng tạo ra H₂ tự nhiên là serpentin hóa, quá trình này đã được nghiên cứu rộng rãi. Jones và cộng sự [34] đã chứng minh sản xuất H₂ và CH₄ nhanh hơn trong các hệ thống cacbonat-chưa bão hòa, trong khi các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm của Mayhew và cộng sự [35] cho thấy sản sinh H₂ đáng kể từ các loại đá siêu mafic và mafic phản ứng với chất lỏng thiếu oxy. Các dung dịch axit và kiềm thúc đẩy sản xuất H₂ hơn nữa trong quá trình serpentin hóa [36]. Etiope [37] đã ghi nhận nồng độ H₂ tự nhiên cao nhất trong harzburgit và cromitit serpentin hóa, và Davies et al. [38] đã giới thiệu các kỹ thuật tiên tiến để phát hiện rò rỉ H₂, cải thiện việc thăm dò dưới bề mặt.
Nhìn chung, các nghiên cứu này làm nổi bật tiềm năng địa chất đa dạng của H₂ tự nhiên, từ đá siêu mafic đến các thành tạo trầm tích giàu hữu cơ. Những tiến bộ trong công nghệ phát hiện, như những công nghệ do Davies et al. [38] đề xuất, đang mở đường cho sự phát triển của H₂ tự nhiên như một nguồn năng lượng sạch khả thi. Ngoài ra, Darrah et al. [[39], [40]] và Johnson & Darrah [41] đã đề xuất một phương pháp serpentin hóa tại chỗ các loại đá mafic hoặc siêu mafic, tạo ra H₂ trong khi cô lập CO₂ và SO₂ thành các cacbonat ổn định. Giải pháp có thể mở rộng quy mô và thân thiện với môi trường này mở ra một con đường đầy hứa hẹn cho sản xuất năng lượng sạch và CCS.
Nghiên cứu này điều tra quá trình tạo ra H₂ trong quá trình cô lập CO₂ trong bazan trong điều kiện mô phỏng dưới bề mặt, tập trung vào các quá trình oxy hóa khử liên quan đến khoáng chất chứa sắt. Nghiên cứu khám phá các câu hỏi chính: (1) liệu H₂ có thể được tạo ra trong các điều kiện như vậy hay không, (2) số lượng và sự phụ thuộc vào nhiệt độ của quá trình sản xuất H₂ và (3) các cơ chế địa hóa thúc đẩy quá trình này. Các phát hiện nhằm mục đích thu hẹp khoảng cách kiến thức, làm nổi bật lợi ích kép của việc lưu trữ carbon và sản xuất năng lượng sạch trong các thành tạo bazan, với ý nghĩa đối với quản lý carbon và chính sách môi trường.
Trích đoạn phần
Vật liệu
Các thí nghiệm đã sử dụng khí N2 và CO2 có độ tinh khiết được chứng nhận là 99,995% thể tích và lọc nước DI từ Hệ thống lọc nước tích hợp ELGA DV 25. Các mẫu đá bazan có nguồn gốc từ Al-Madinah, Ả Rập Xê Út, chủ yếu bao gồm [42] albite và thạch anh, với một lượng nhỏ microcline, clinochlore, anorthit và pyroxene. Phân tích khoáng vật học trước và sau thử nghiệm chi tiết được cung cấp trong Phần 3.2.4.
Thiết bị thử nghiệm
OLT-HP-500 là lò phản ứng khuấy cơ học 500 mL được thiết kế để
Phát hiện và định lượng H2 (sắc ký khí)
Các thí nghiệm của chúng tôi đã phát hiện ra sự hiện diện của H2 ở nồng độ lên đến 0,18 wt% pha khí sau khi tiêm CO2 vào bazan ở điều kiện được kiểm soát là 5 MPa và nhiệt độ từ 323 K đến 373 K (xem Hình 2). Đây là tài liệu đầu tiên về việc giải phóng H2
trong các điều kiện mô phỏng bề mặt ngầm cụ thể này, cho thấy tương tác bazan với CO2 có thể tạo điều kiện không chỉ cho việc lưu trữ carbon mà còn cho cả việc sản xuất H2. Một mặt, Saleh et al. [43] đã chứng minh rằng CO₂-giàu
Tuyên bố đóng góp của tác giả CRediT
Ahmed Al-Yaseri: Viết – đánh giá & biên tập, Xác thực, Giám sát, Tài nguyên, Phương pháp, Điều tra, Phân tích chính thức, Khái niệm hóa. Mahmoud Desouky: Viết – đánh giá & biên tập, Xác thực, Phương pháp, Điều tra, Phân tích chính thức. Murtada Saleh Aljawad: Viết – đánh giá & biên tập, Hình dung, Xác thực. Aliakbar Hassanpouryouzband: Viết – đánh giá & biên tập, Xác thực, Phương pháp, Điều tra, Phân tích chính thức.
Tuyên bố về lợi ích cạnh tranh
Các tác giả tuyên bố rằng họ không có lợi ích tài chính cạnh tranh hoặc mối quan hệ cá nhân nào có thể ảnh hưởng đến công trình được báo cáo trong bài báo này.
Tài liệu tham khảo (56)
R.K. Singh và cộng sự
Một phân tích tổng hợp quan trọng về tương tác CO2-nước-đá trong bazan để lưu trữ CO2: đánh giá dựa trên quan điểm toàn cầu và Ấn Độ
Mar Petrol Geol
(2024)
S.Ó. Snæbjörnsdóttir và cộng sự
Các trạng thái hóa học và bão hòa của chất lỏng dưới bề mặt trong quá trình khoáng hóa tại chỗ của CO2 và H2S tại địa điểm CarbFix ở Tây Nam Iceland
Int J Greenh Gas Control
(2017)
C.M. Holdsworth và cộng sự
Tái tạo nhiệt độ và nguồn gốc của quá trình khoáng hóa CO2 trong canxit CarbFix bằng cách sử dụng các đồng vị cacbon và oxy vón cục
Appl Geochem
(2024)
H. Wu và cộng sự
Mô phỏng quá trình bẫy khoáng CO2 và thay đổi độ thấm trong bazan nứt nẻ: ý nghĩa đối với quá trình cô lập cacbon địa chất trong các bể chứa mafic
Int J Greenh Gas Control
(2021)
H. Liu và cộng sự
Thu giữ CO2 và lưu trữ khoáng sản: tình trạng hiện tại và những thách thức trong tương lai
Renew Sustain Energy Rev
(2024)
S. Lu và cộng sự
Lưu trữ cacbon dioxit trong đá macma: đánh giá và triển vọng
Renew Sustain Energy Rev
(2024)
G.C. Mwakipunda và cộng sự
Đánh giá về tiềm năng cô lập cacbon dioxit trong đá bazan: các ứng dụng thí nghiệm, mô phỏng và thử nghiệm thí điểm
Geoenergy Science and Engineering
(2024)
E.H. Oelkers và cộng sự
Tiềm năng cacbonat hóa ngầm của đá bazan từ vùng Jizan thuộc Tây Nam Ả Rập Xê Út
Int J Greenh Gas Control
(2022)
K. Steinthorsdottir và cộng sự
Đánh giá và lựa chọn địa điểm để lưu trữ cacbon thông qua việc phun CO2 nông vào serpentinite ở British Columbia, Canada
Int J Greenh Gas Control
(2024)
O. Maiga và cộng sự
Các quy trình bẫy khối lượng lớn hydro tự nhiên ở ngầm: trường hợp tiêu biểu của mỏ H2 Bourakebougou ở Mali
Int J Hydrogen Energy
(2024)
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
