Den röda färgen anger att sannolikheten för förekomst av valenselektroner är 100 procent, den blå färgen betyder att det inte finns några elektroner i området, och den gröna färgen betyder fri elektrongas som indikerar gränsen för kovalenta bindningar. Röd, blå och bruna bollar representerar syre, kisel- och kolatomer, respektive. Kredit:International Institute for Carbon-neutral Energy Research (I²CNER), Kyushu universitet
Mänskligheten behöver förbättras när det gäller att minska koldioxidutsläppen för att förhindra de värsta effekterna av klimatförändringarna. Om världen ska uppfylla IPCC:s minimimål att hålla den globala temperaturökningen under 1,5 °C, alla möjliga vägar för CO 2 sanering måste undersökas.
Geologisk fångst kan här spela en stor roll. Vår planets underjordiska stenar och sediment erbjuder ett stort potentiellt utrymme för långtidslagring av kol. För att stödja detta, en färsk beräkningsstudie från en japansk-ledd internationell grupp vid Kyushu University visar hur instängd koldioxid kan omvandlas till ofarliga mineraler.
Stenarna under jordens yta är mycket porösa, och fångst involverar injicering av CO 2 in i porerna efter att ha samlat upp det från dess utsläppskälla. Även om CO 2 anses vanligtvis vara för stabil för att reagera kemiskt med sten, det kan binda tätt till ytan genom fysisk adsorption. Så småningom löses det i vatten, bildar kolsyra, som kan reagera med vattenhaltiga metaller för att bilda karbonatmineraler.
"Mineralisering är den mest stabila metoden för långsiktig CO 2 lagring, låsning CO 2 till en helt säker form som inte kan återutsändas, " förklarar Jihui Jia från International Institute for Carbon-Neutral Energy Research (I 2 CNER), Kyushu University, första författare till studien. "Det här troddes en gång ta tusentals år, men den uppfattningen förändras snabbt. De kemiska reaktionerna är inte helt förstådda eftersom de är så svåra att reproducera i labbet. Det är här modellering kommer in."
Som rapporterats i Journal of Physical Chemistry C , simuleringar kördes initialt för att förutsäga vad som händer när koldioxid kolliderar med en kluven kvartsyta – kvarts (SiO) 2 ) finns rikligt i jordskorpan. När simuleringsbanorna spelades upp, kompaniet 2 molekyler sågs böjas från sin linjära O=C=O-form för att bilda trigonal CO 3 enheter bundna med kvartsen.
I en andra omgång av simuleringar, H 2 O-molekyler tillsattes för att efterlikna "formationsvattnet" som ofta finns under olje- och gasborrplatser. Spännande nog, den H 2 O-molekyler attackerade spontant den reaktiva CO 3 strukturer, bryta Si-O-bindningarna för att producera karbonatjoner. Precis som kolsyra, karbonatjoner kan reagera med lösta metallkatjoner (som Mg 2 + , Ca 2 + , och Fe 2 + ) för att binda kol permanent till mineralform.
Tillsammans, simuleringarna visar att båda stegen av CO 2 mineralisering - karbonatisering (bindning till berg) och hydrolys (reagerar med vatten) - är gynnsamma. Dessutom, fria karbonatjoner kan framställas genom hydrolys, inte bara genom dissociation av kolsyra som en gång antogs. Dessa insikter förlitade sig på en sofistikerad form av molekylär dynamik som modellerar inte bara fysiska kollisioner mellan atomer, men elektronöverföring, kemins väsen.
"Våra resultat föreslår några sätt att förbättra geologisk fångst, " säger studiens huvudförfattare Takeshi Tsuji. "För kvarts för att fånga upp CO 2 , det måste vara en kluven yta, så kisel- och syreatomerna har reaktiva "dinglande" bindningar. I verkligheten, dock, ytan kan skyddas av vätebindning och katjoner, vilket skulle förhindra mineralisering. Vi behöver ett sätt att ta bort de katjonerna eller dehydrera ytan."
Bevisen växer för att fångade CO 2 kan mineralisera mycket snabbare än man tidigare trott. Även om detta är spännande, Kyushu-tidningen understryker hur komplex och delikat kemin kan vara. Tills vidare, gruppen rekommenderar ytterligare studier på andra rikliga bergarter, som basalt, att kartlägga vilken roll geokemisk fångst kan spela i den största tekniska utmaning som civilisationen står inför.
