Chuyển đổi carbon dioxide thành khoáng chất rắn dưới lòng đất để lưu trữ ổn định hơn
Khoáng hóa carbon dioxide dưới lòng đất là một phương pháp lưu trữ carbon tiềm năng. Nhà cung cấp hình ảnh: Cortland Johnson / Phòng thí nghiệm quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương
Một bài báo khoa học mới trên tạp chí Nature Reviews Chemistry thảo luận về cách carbon dioxide (CO2) chuyển đổi từ khí thành thể rắn trong màng nước siêu mỏng trên bề mặt đá ngầm. Những khoáng chất rắn này, được gọi là cacbonat, đều ổn định và phổ biến.
“Khi nhiệt độ toàn cầu tăng lên, thì việc tìm cách lưu trữ carbon cũng tăng lên”, Giám đốc Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (PNNL) và đồng tác giả Kevin Rosso cho biết. "Bằng cách xem xét kỹ lưỡng hiểu biết hiện tại của chúng ta về các quá trình khoáng hóa carbon, chúng ta có thể tìm ra những lỗ hổng cần thiết để giải quyết cho thập kỷ làm việc tiếp theo."
Khoáng hóa dưới lòng đất đại diện cho một cách để giữ CO2 bị khóa lại, không thể thoát trở lại không khí. Nhưng các nhà nghiên cứu trước tiên cần biết nó xảy ra như thế nào trước khi họ có thể dự đoán và kiểm soát sự hình thành cacbonat trong các hệ thống thực tế.
Nhà hóa học PNNL Quin Miller, đồng tác giả của bài đánh giá khoa học được đăng trên trang bìa tạp chí cho biết: “Giảm thiểu phát thải của con người đòi hỏi phải hiểu cơ bản về cách lưu trữ carbon. "Nhu cầu cấp thiết phải tích hợp các mô phỏng, lý thuyết và thí nghiệm để khám phá các vấn đề về cacbonat khoáng."
Dưới mặt đất và trong nước
Thay vì thải CO2 vào không khí, một phương án là bơm nó xuống đất. Đặt CO2 sâu dưới lòng đất về mặt lý thuyết sẽ hấp thụ cacbon. Tuy nhiên, rò rỉ khí gas vẫn là một vấn đề đáng lo ngại. Nhưng nếu khí CO2 đó có thể được bơm vào đá giàu kim loại như magiê và sắt, thì CO2 có thể chuyển hóa thành các khoáng chất cacbonat phổ biến và ổn định. Dự án thử nghiệm bazan của PNNL tại Wallula là một địa điểm thực địa dành riêng cho việc nghiên cứu lưu trữ CO2 trong cacbonat.
Mặc dù những môi trường dưới bề mặt này thường bị chi phối bởi nước, sự chuyển đổi khí cacbonic thành cacbonat rắn cũng có thể xảy ra khi CO2 được bơm vào thay thế nước đó, tạo ra những màng nước dư cực kỳ mỏng tiếp xúc với đá. Nhưng những hệ thống hạn chế cao này hoạt động khác với CO2 khi tiếp xúc với một vũng nước.
Trong màng mỏng, tỷ lệ nước và CO2 điều khiển phản ứng. Một lượng nhỏ kim loại thoát ra từ đá, phản ứng cả trong phim và trên bề mặt đá. Điều này dẫn đến việc tạo ra các vật liệu cacbonat mới.
Nghiên cứu trước đây do Miller dẫn đầu, được tóm tắt trong bài đánh giá, đã chỉ ra rằng magiê hoạt động tương tự như canxi trong màng nước mỏng. Bản chất của màng nước đóng vai trò trung tâm trong cách phản ứng của hệ thống.
Việc hiểu cách thức và thời điểm các muối cacbonat này hình thành đòi hỏi sự kết hợp của các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và các nghiên cứu mô hình lý thuyết. Công việc trong phòng thí nghiệm cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh tỷ lệ nước trên CO2 và theo dõi các muối cacbonat hình thành trong thời gian thực. Các đội có thể thấy các hóa chất cụ thể nào có mặt tại các thời điểm khác nhau, cung cấp thông tin cần thiết về các con đường phản ứng.
Tuy nhiên, công việc dựa trên phòng thí nghiệm cũng có giới hạn của nó. Các nhà nghiên cứu không thể quan sát các phân tử riêng lẻ hoặc xem cách chúng tương tác. Các mô hình hóa học có thể lấp đầy khoảng trống đó bằng cách dự đoán cách các phân tử chuyển động một cách chi tiết tinh tế, cung cấp nền tảng khái niệm cho các thí nghiệm. Chúng cũng cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu quá trình khoáng hóa trong các điều kiện khó tiếp cận bằng thực nghiệm.
MJ Qomi, giáo sư tại Đại học California, Irvine và là đồng tác giả của bài báo cho biết: “Có sự hiệp lực quan trọng giữa các mô hình và các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm hoặc thực địa. "Dữ liệu thử nghiệm dựa trên các mô hình trong thực tế, trong khi các mô hình cung cấp mức độ hiểu biết sâu hơn về các thử nghiệm." Qomi đã cộng tác với nhóm PNNL trong ba năm, và có kế hoạch nghiên cứu quá trình khoáng hóa cacbonat trong các màng nước hấp phụ.
Từ khoa học cơ bản đến các giải pháp
Nhóm nghiên cứu đã đưa ra những câu hỏi chính cần trả lời để biến hình thức lưu trữ carbon này trở nên thực tế. Các nhà nghiên cứu phải phát triển kiến thức về cách các khoáng chất phản ứng trong các điều kiện khác nhau, đặc biệt là trong các điều kiện bắt chước các vị trí lưu trữ thực, bao gồm cả trong các màng nước siêu mỏng. Tất cả điều này nên được thực hiện thông qua sự kết hợp tích hợp giữa mô hình hóa và các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm.
Quá trình khoáng hóa có khả năng giữ carbon được lưu trữ an toàn dưới lòng đất. Biết cách CO2 sẽ phản ứng với các khoáng chất khác nhau có thể giúp đảm bảo rằng những gì được bơm bên dưới bề mặt vẫn ở đó. Những hiểu biết khoa học cơ bản từ công việc khoáng hóa có thể dẫn đến các hệ thống lưu trữ CO2 thực tế. Dự án Thí điểm Basalt đại diện cho một địa điểm nghiên cứu quan trọng làm cầu nối giữa khoa học cơ bản quy mô nhỏ và các ứng dụng nghiên cứu quy mô lớn.
Miller cho biết: “Công việc này kết hợp sự tập trung vào những hiểu biết cơ bản về địa hóa với mục tiêu giải quyết các vấn đề quan trọng. "Nếu không ưu tiên các công nghệ khử cacbon, thế giới sẽ tiếp tục ấm lên ở một mức độ mà nhân loại không thể chấp nhận được."
Miller, Rosso và Todd Schaef là tác giả PNNL của nghiên cứu này. Tác phẩm này được thực hiện với sự hợp tác của MJ Qomi và Siavash Zare của Đại học California, Irvine cũng như John Kaszuba của Đại học Wyoming.
