一种小型的新设备可以让科学家直接观察和量化岩石在酸性介质中的变化，从而更准确地评估二氧化碳、氢气和工业废物的地下储存地点。

联合国最近的一份气候报告称，在未来几十年里，为了应对水泥和钢铁制造业等难以脱碳行业的排放，去除和封存CO2是“不可避免的”。这张照片显示的是水泥厂外的工人。(图片来源:Getty Images)

斯坦福大学的科学家们开发了一种新的解决方案，以确保当CO2被注入地下时，它实际上会留在原地。

几十年来，气候模型预测，基于现在地球大气中存在的使地球变暖的气体水平，今年夏天数百万人经历的那种极端热浪将变得更加普遍。随着排放量和气温持续上升，科学界日益达成共识，各国将需要积极消除和管理CO2，以避免全球变暖超过工业化前水平1.5摄氏度的阈值。

一种被广泛研究的将碳长期排除在大气之外的方法是将CO2注入地下深处的岩层中。但仍有问题有待解决。

“在封存地层中注入CO2会导致复杂的地球化学反应，其中一些可能会导致岩石发生难以预测的剧烈结构变化，”这项研究的主要研究员、斯坦福大学地球、能源与环境科学学院能源工程助理教授 Ilenia Battiato说道。

 1. 连锁反应

多年来，地球科学家一直在模拟和研究流体流动、地球化学反应和岩石力学，试图预测注入CO2或其他流体对给定岩层的影响。

然而，现有的模型无法可靠地预测地球化学反应的相互作用和全部结果，地球化学反应通常可以利用溶解的矿物质堵塞泄漏路径而产生更紧密的圈闭——但也可能导致裂缝和溶蚀洞，使封存的CO2影响饮用水或逃逸到大气中，从而导致气候变化。“这些反应无处不在。我们需要了解它们，因为它们控制着封存的有效性”，Ilenia Battiato说。

主要的建模挑战之一集中在广泛的时间和空间尺度上，相互作用过程在地下同时展开。有些反应会在不到一秒钟的时间内消失，而另一些反应会持续数月甚至数年。随着反应的进行，岩石中各种矿物的混合和浓度的变化，以及岩石表面几何形状和化学性质的变化，都会影响流体化学，进而影响裂缝和泄漏的可能途径。

 2. 芯片实验室

8月1日发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上的新解决方案使用了微流体设备，也就是科学家们常说的“芯片上的实验室”。在这种情况下，研究人员称其为“芯片上的岩石”，因为该技术涉及将一小块页岩岩石嵌入微流体单元。

为了演示他们的设备，研究人员使用了从西弗吉尼亚州的Marcellus页岩和德克萨斯州的Wolfcamp页岩中采集的八块岩石样本。他们切割和打磨岩石薄片，使其不超过几粒沙子，每一粒都含有不同数量和排列方式的活性碳酸盐矿物。研究人员将样品放入密封在玻璃中的聚合物室中，有两个微小的入口打开，用于注射酸性（水+CO2）溶液。然后借助高速相机和显微镜，一步一步地观察化学反应如何导致样品中的单个矿物颗粒溶解和重新排列。

在注酸过程中，矿物溶解在3平方毫米的Marcellus页岩样品中。动态流动和反应传输实验是通过使用荧光显微镜技术进行的，该技术允许每100微秒捕集一次清晰的图像（Ling等人，2022，美国国家科学院院刊）。

 这项研究的合著者、斯坦福地球学院教授、斯坦福能源研究所高级研究员Anthony R. Kovscek说：“曾经需要大型实验室才能完成的研究小型化的想法跨越了地球科学、生物医学、化学和其他领域。如果你能看到它，你就能更好地描述它。这些观察结果与我们评估和优化安全设计的能力直接相关。”Kovscek 说：“地质学家在钻探现场可能会在显微镜下观察岩石，但目前的技术无法达到这种新设备可能达到的细节水平，目前尚没有任何这类技术能够真正观察到颗粒形状是如何变化的。”

 3. 优化安全性

鉴于碳移除在政府应对气候变化计划中的作用，以及现在从私人投资者流向新兴技术的数亿美元，改进被动输送模型是一个日益紧迫的问题。现有的直接从大气中去除CO2的项目仅处于试点规模，那些从源头捕集碳排放的项目更为常见，全球有100多个项目正在开发中，美国政府现在准备通过两党基础设施法案，投入82亿美元用于工业设施的碳捕集和封存。

并非所有的碳封存计划都涉及将碳埋在地下。然而，那些确实涉及地质封存的项目可以通过斯坦福大学的新技术得到帮助，并可能使其更加稳定和安全。“研究人员需要将这些知识整合到他们的模型中，以便对注入CO2后会发生什么做出良好的预测，以确保它保持在地下岩层中而不是泄漏掉”，Ilenia Battiato说。

展望未来，Ilenia Battiato及其同事计划使用相同的实验设备来研究石油生产、海水淡化厂或工业废水以及氢气所引发的地球化学反应，其中储氢已经被列入美国和欧盟到2050年实现净零排放的计划中。地下储氢通常被认为是一项有希望的解决方案，以确保大规模安全储存这种高度易燃气体，然而即使是在试点规模进行测试，也需要更好的筛选工具和对生物地球化学反应更好的理解。

 本研究的主要作者 Bowen Ling 是斯坦福大学Ilenia Battiato团队的博士后，目前隶属于中国科学院；合著者 Mo Sodwatana 是斯坦福大学地球、能源与环境科学学院（斯坦福地球）能源工程系的博士生；Arjun Kohli 和 Cynthia Ross 是能源工程系的研究科学家；合著者 Adam Jew 是 SLAC 国家加速器实验室的副科学家。

这项研究得到了非常规地层机械控制中心的支持，该中心是由美国能源部科学办公室基础能源科学资助的能源前沿研究中心。这项工作的一部分是在国家科学基金会支持的斯坦福纳米共享设施中进行的。

原文作者：Josie Garthwaite

原文链接：https://news.stanford.edu/2022/08/02/new-lab-chip-may-accelerate-carbon-storage-efforts/