碳元素多面手的新“征程”

朱英潔

碳，是元素周期表中排列第6位的化學元素，在我們生活的地球上，它無處不在，舉足輕重。地球上的生命體由碳構(gòu)成，因此也被稱為碳基生命;推動近現(xiàn)代文明高速發(fā)展的礦物燃料也由碳構(gòu)成……毋庸置疑，我們生活在一個碳的世界。然而，人類活動和工業(yè)生產(chǎn)帶來的二氧化碳排放卻成為影響人類福祉的巨大威脅。讓我們一起來認識這個元素多面手——碳。

碳循環(huán)示意圖

碳為所有生物提供了生命的基礎(chǔ)，碳原子之間通過碳碳鍵結(jié)合形成不同長度、形狀的碳骨架，有機物在此基礎(chǔ)上搭建。

有機物不只是生命賴以生存的能量源泉（如氨基酸為人類提供必需的營養(yǎng)物質(zhì)），生命體的新陳代謝和遺傳變異也離不開有機物的轉(zhuǎn)化，攜帶遺傳信息的有機物質(zhì)DNA指導生物的生長、發(fā)育和繁殖過程，進而影響著自然進化和生物的復(fù)雜性。

無機碳原子也存在于活細胞中，以生物化學反應(yīng)的底物和生物化學反應(yīng)的最終產(chǎn)物的形式存在。只要是生命形態(tài)，就必須從外界環(huán)境中收集、儲存和利用能量。碳基生物儲存的能量主要以碳水化合物的形式存在。

溫室效應(yīng)示意圖

地球的碳循環(huán)是復(fù)雜的，在時間尺度上分為短期碳循環(huán)和長期碳循環(huán)。植物、藻類等通過光合作用從大氣和海洋中獲取碳，一部分碳通過呼吸作用回到大氣，而另一部分則作為能量儲存在生物體內(nèi)。以這些生物體為食的動物會將碳轉(zhuǎn)移。這些生物死后，一部分碳被微生物分解，以二氧化碳的形式返回大氣;一部分被食腐動物、細菌和真菌吃掉。然后，微生物從基質(zhì)中再生（如植物生長），部分殘骸埋藏在地下或海洋下經(jīng)歷長久的化學變化形成石油和煤炭等礦物燃料。人類祖先學會了鉆木取火，通過燃燒礦物燃料以獲得更高的能量，但燃燒過程中向大氣排放了大量二氧化碳。

地球上最主要的碳庫是碳酸鹽巖，碳酸鹽的形成使得大氣中碳沉降，潛沒到地幔中，它最終通過火山噴發(fā)和變質(zhì)氣體釋放返回大氣中。短期、快速的事件對系統(tǒng)產(chǎn)生的擾亂最終會回到穩(wěn)定狀態(tài)，一般對生態(tài)系統(tǒng)的影響不大。但是，一些重大事件的發(fā)生，使得生物無法適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境變化，從而導致大規(guī)模滅絕。

在工業(yè)革命之前，排放的二氧化碳與光合作用生物所吸收的二氧化碳基本持平。而自工業(yè)革命以來，大規(guī)模使用礦物燃料不僅改變了人類社會和生態(tài)系統(tǒng)，打破了自然界原有的平衡，導致釋放的碳呈指數(shù)增長，同時，礦物燃料等自然資源的消耗也呈指數(shù)級增長。人類活動改變了地球系統(tǒng)中的碳循環(huán)和其他物質(zhì)與能量的循環(huán)，對氣候及生態(tài)系統(tǒng)造成全球性影響。

人類逐漸意識到地球的脆弱性，這種脆弱性來自碳循環(huán)本身。目前，通過燃燒礦物燃料向大氣中排放的二氧化碳量，已經(jīng)遠遠超過了火山爆發(fā)排放的碳量。二氧化碳在大氣、陸地和海洋中積累，其中在大氣中累積的二氧化碳約占45%。大氣中的二氧化碳如同一層厚厚的玻璃罩，阻止了地球熱量的散失，太陽短波輻射可以透過大氣射入地面，而地面升溫后釋放出的長波輻射卻被大氣中的二氧化碳等物質(zhì)所吸收，從而產(chǎn)生溫室效應(yīng)，使地球變成一個“大暖房”，隨之而來的海平面上升、極端天氣頻發(fā)、凍土層溶解釋放碳等一系列環(huán)境問題。溫室效應(yīng)正在給地球造成巨大的影響，威脅地球生命體的存亡。

全球有近二成的二氧化碳排放是因使用礦物燃料造成的。大型發(fā)電廠、煉油廠、污水處理廠、水泥廠、鋼鐵廠和化工廠等是二氧化碳的主要工業(yè)來源。目前，人們?yōu)槎趸嫉幕厥蘸屠米髁酥T多努力。碳捕集與封存技術(shù)（CCS）和碳捕集與利用技術(shù)（CCU）是針對二氧化碳收集的主要技術(shù)。兩者的區(qū)別在于捕獲二氧化碳的最終目的地不同。CCS是將捕獲的二氧化碳轉(zhuǎn)移到合適的地點進行長期儲存，而CCU是將捕獲的二氧化碳轉(zhuǎn)化為商業(yè)產(chǎn)品。

CCU可以將排放的二氧化碳廢料轉(zhuǎn)化為化學品和燃料等有價值的產(chǎn)品，同時有助于減緩氣候變化。它能夠?qū)⒍趸贾苯永迷诠I(yè)生產(chǎn)中，如食品和飲料工業(yè)能將二氧化碳用作碳酸化劑、防腐劑、包裝氣體等。另外，二氧化碳還可以轉(zhuǎn)化成高需求的產(chǎn)品，如尿素、甲醇和生物燃料。與傳統(tǒng)的石油化工原料相比，二氧化碳作為可再生資源的優(yōu)勢是成本低且無毒，能夠進行安全生產(chǎn)。為應(yīng)對全球變暖和價格不斷上漲的礦物燃料，二氧化碳回收和利用是未來工業(yè)發(fā)展的趨勢。

?通過燃燒礦物燃料向大氣中排放的二氧化碳量，遠遠超過了火山爆發(fā)排放的碳量

CCS是將捕獲到的二氧化碳經(jīng)壓縮、運輸或直接管道輸送到地下、海洋或礦物碳酸鹽中進行儲存。地質(zhì)儲存是將二氧化碳注入800～1000米深度枯竭的油氣儲層或煤層層中。目前，人類對枯竭的石油儲藏地質(zhì)層的結(jié)構(gòu)特征已有了深入的研究和了解，鉆井技術(shù)的發(fā)展能夠?qū)⑻汲晒Φ貎Υ嬖诘刭|(zhì)層中。

全世界的人類是一個整體，地球是我們共同的家園。如何在碳的世界中攜手共進，保護我們賴以生存的環(huán)境是全人類共同的課題。向未來，為實現(xiàn)“雙碳目標”而奮進。

（責任編輯 / 黃盈盈? ?美術(shù)編輯 / 韋英章）