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人工捕碳岛，增强海洋碳吸收
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Cédric Tard
) N4 L% p; x7 C) l: x4 S9 r 巴黎综合理工学院教授、分子化学实验室主任、
p6 R1 l6 x3 a8 q, h0 O, r% s 法国国家科学研究中心（CNRS）研究主任
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通过人工方式捕获大气中的二氧化碳，对于避免全球气温持续变暖不可或缺。科学家们正积极开发各种新技术从海洋中捕集碳，提升海水吸收大气二氧化碳的能力。那么，如何增强海洋固碳能力？XSeaO项目的Cédric Tard 教授团队正在研究如何通过人工岛进行碳捕集。人工岛方案具有什么优势？在实际应用中又存在哪些障碍？
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联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出，想要将地球升温控制在2℃以内，人工碳捕捉不可或缺。 % M( n2 {7 J5 s' Z9 ~
近日，XSeaO项目的 Cédric Tard 教授团队将启动首个人工岛碳捕集实地试点，就在巴黎综合理工学院校内湖泊上。 : X1 Q' e$ N1 X& N2 E4 y% m
人工岛上安装的模块能提取湖水中的二氧化碳，增加水体吸收大气二氧化碳的能力
4 i% d; b! X0 g 另一个模块负责水体电解，与提取的二氧化碳反应，制造合成燃料。 ; g; r) k* S! B* d) I' T/ m
这套技术能实现零碳排放，不过现在仍在进一步优化中，研究者预计每天能处理4m的水，合成1L的燃料。
! d9 E; m! }1 P2 q9 D0 i! j* k, v& o 为应对全球变暖，科学家们正积极开发各种新技术：给海洋浮游生物施肥、海水人工碱化…其基本逻辑都是提升海洋的天然碳捕获能力，抵消人类二氧化碳排放。遗憾的是，现在暂无实际应用项目落地，尽管联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）指出想要将地球升温控制在2℃以内 [1]，人工碳捕捉不可或缺。近日，XSeaO项目的Cédric Tard 教授团队将启动首个人工岛碳捕集实地试点，项目得到了Ifker气候基金会的资助。 ! }; e4 Z6 s* p0 Y# N/ v9 |1 M
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" N3 M/ w/ r4 x! k- K+ o9 |- S 你们的项目的基本原理是？ 3 k) D* `* N G3 a F, r
从海洋中捕集碳，提升海水吸收大气二氧化碳的能力。我们采用了一项现有技术：基于双极膜的电化学萃取电池。先收集海水，用极化电极进行人工酸化。当pH值低于5，溶解的无机碳会转化为气态二氧化碳并释放出来。我们回收二氧化碳，把pH略高的海水排放回海洋中。回收二氧化碳的工艺现在是热门研究课题，最高效的工艺能达到60%的回收率。
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0 ^- O: B6 o0 i0 ` 提升海洋碳捕集能力的技术有很多，你们的方案有什么优势？
$ Q4 P% z1 b! _" F6 G 我们的碳捕集模块与其他模块一起，安装在能制造合成燃料的人工岛上。海水通过两个回路抽送。第一个回路从水中提取二氧化碳。第二个回路先把海水淡化，然后输送进电解装置，产生氢气。氢气与二氧化碳在反应器中结合，合成甲醇、乙醇、石蜡等各类燃料，可用于内燃机动力车辆。我们目前正在研究如何优化具体工艺。 3 H4 R1 e! D/ r" Z
全球范围内，这一方案尚无成功的试点。谷歌X实验室尝试过小规模实验，但是失败了。我们的首要任务是验证该方案在湖泊大小区域的可行性。
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5 x5 F \! W" T& O1 u' } 你们打算如何验证此方案的可行性？ ' m. L3 k/ b" x4 A% |# b' p# m6 H
接下来的一年中，我们会组装好样机，放置在巴黎综合理工学院校内湖泊上。样机占地面积约20m，能漂浮在水面上，合成燃料所需的所有模块都集成于其中。样机还会有300m的配套漂浮光伏太阳能板，产生可再生电能，充当人工岛的能量来源，维持二氧化碳提取模块和燃料合成模块的运转，其中水解设备能耗最高。我们期望每天处理4m的水，合成1L的燃料。试点结束后，会进行全生命周期分析，估算合成燃料的盈利性，与其他的合成燃料工艺比较。 6 b* i+ B) B# [0 \; M
这一试点项目不仅属于我们团队，还属于整个科学界。有学者与我们合作开展新技术的社会接受度研究。人工岛的设计得到了培宁根高等图像与室内设计学院（ESAG Penninghen）的协助。 * `# p' s F0 ~0 c/ [; Q
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! T; Z4 |' h- a% L' p 人工岛的实际应用存在哪些障碍？ 7 ]1 `0 A, k, t7 [1 Y7 h
主要是技术障碍。从水中提取收集二氧化碳的技术仍不成熟，将二氧化碳提取模块与水体淡化、电解设备、反应器集合在同一个系统中，挑战重重。漂浮式光伏太阳能板技术也是个重大制约因素。现有的太阳能板还难以在波涛汹涌、盐度较高的海洋环境中稳定发电，不过如果能克服这些困难，海上光伏发电的效率会高于陆上。这是因为在风和洋流的作用下，光伏板周围温度较低，温度每降低一度，发电效率会增加0.6%。 $ H) q% M5 D: [) B
0 Q5 q. z/ F% k3 }+ r 图片来源：PI France 1 K8 l5 D; I& r7 r5 G
海洋的环境格外恶劣，我们设计的光伏板和反应模块必须承受得住风暴的考验。现在的样机只用于湖泊上测试，这些挑战暂时还不能克服，但毕竟是迈出了可行性测试的第一步。 / Z6 O: L% w2 r" o2 u5 o6 m
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人工岛大规模部署，会影响环境吗？
" T! l% J$ p. u. M2 T! a8 ? 最有可能影响环境的是水体淡化。海水淡化厂向大海排放高盐度废水，会导致灾难性的污染。不过我们的淡化纯粹是为了电解制氢，收集的海水只会有不到1%用于电解，其余全部用于提取二氧化碳。当然，为尽可能减少环境污染，我们也会测试能电解盐水的制氢设备。二氧化碳提取不会破坏环境，因为我们本来的目标就是往海洋中排放碱性略高的水。生物学和生态学专家也加入了我们的项目，对湖泊生态系统进行初步研究，以判断人工岛可能会带来的其他环境因素。
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在你们的方案中，海洋中的碳转化为合成燃料，燃烧后又会变成二氧化碳回到空气中。这样的方案对缓解气候变化能有什么贡献呢？ 5 v! D l1 t: @5 q) t7 p! P0 b
我们的燃料合成工艺是零排放的，不涉及任何化石燃料开采提取，但毕竟是一种过渡性的技术。未来我们希望封存水中提取的二氧化碳，但现在相关技术还不成熟，不便在巴黎理工学院校区内开展实验，而且全球范围内应用的也比较少，其利弊仍不能确定。 , Z- \' i2 f. j C
作者
* a- n% S! B0 ]. Z1 F1 x Anaïs Marechal
4 Z: s. c$ t2 v8 H9 o1 F 编辑 4 V8 y) @! ]/ T" K8 l# ~* |
Meister Xia
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1 b: z+ H9 w R: N( k8 C* Y 1.IPCC, 2022: Climate Change 2022: Mitigation of Climate Change. Contribution of Working Group III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [P.R. Shukla, J. Skea, R. Slade, A. Al Khourdajie, R. van Diemen, D. McCollum, M. Pathak, S. Some, P. Vyas, R. Fradera, M. Belkacemi, A. Hasija, G. Lisboa, S. Luz, J. Malley, (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA. doi: 10.1017/9781009157926 ! v; r" L* s' O$ m, u& J
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