【Carbon Neutrality論文薦讀】蔣蘭蘭教授團(tuán)隊(duì)：基于水合物法二氧化碳封存技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

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近日，大連理工大學(xué)蔣蘭蘭教授團(tuán)隊(duì)在Carbon Neutrality上發(fā)表綜述論文，系統(tǒng)梳理了CO?水合物封存（HBCS）技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、關(guān)鍵機(jī)理、影響因素與未來挑戰(zhàn)，明確其作為大規(guī)模碳封存補(bǔ)充手段的應(yīng)用價(jià)值，為全球碳封存提供了一定理論參考。

文章亮點(diǎn)

1.多尺度機(jī)理解析：從分子、微觀到宏觀系統(tǒng)梳理了CO?水合物從成核、生長到長期穩(wěn)定的全過程，揭示了水合物在真實(shí)海洋多孔介質(zhì)中的形成機(jī)理與穩(wěn)定性主控因素。

2.真實(shí)海洋環(huán)境聚焦：突破理想實(shí)驗(yàn)室體系，重點(diǎn)分析了鹽度、粘土、有機(jī)質(zhì)等真實(shí)海洋環(huán)境因子的影響，創(chuàng)新提出綠色添加劑、CO?乳液注入、煙氣直接封存等技術(shù)方案。

3.工程可行性評(píng)價(jià)：構(gòu)建了“科學(xué)機(jī)理-技術(shù)效能-環(huán)境社會(huì)影響-經(jīng)濟(jì)成本”四位一體的評(píng)估框架，明確了全球范圍內(nèi)HBCS的封存潛力地區(qū)，提出了HBCS技術(shù)商業(yè)化面臨的核心挑戰(zhàn)與發(fā)展路徑。

內(nèi)容簡介

全球CO2排放持續(xù)增長，尋找高效、安全的碳封存技術(shù)已成為應(yīng)對(duì)氣候變化的緊迫任務(wù)。在眾多方案中，基于水合物的二氧化碳海底封存（HBCS）技術(shù)，憑借其高存儲(chǔ)容量、低泄漏風(fēng)險(xiǎn)和海洋環(huán)境自適應(yīng)性，正成為極具潛力的碳中和技術(shù)之一。本綜述圍繞HBCS技術(shù)展開全面梳理：首先明確了其“利用海底高壓低溫條件實(shí)現(xiàn)CO2固態(tài)水合物封存”的核心原理；解析了水合物成核、生長的微觀機(jī)制與多尺度穩(wěn)定性特征；系統(tǒng)分析了海洋環(huán)境、外界條件等因素對(duì)封存效果的影響；最后結(jié)合環(huán)境、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)維度評(píng)估技術(shù)潛力，并指出了當(dāng)前挑戰(zhàn)與未來方向。

圖文導(dǎo)讀

結(jié)論一

闡明了HBCS技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。主要包括CO2注入、沉積層內(nèi)多相流動(dòng)與界面?zhèn)髻|(zhì)、CO2水合物成核與生成，以及沉積孔隙中的封存和穩(wěn)定等。

HBCS的主要封存場地為海洋沉積層中的水合物穩(wěn)定區(qū)，該地區(qū)水合物容量大，可滿足CO2長期穩(wěn)定封存的要求。不同相態(tài)CO2（氣態(tài)、液態(tài)或超臨界態(tài)）通過船舶或海底管道輸送至目標(biāo)海域，通過海洋平臺(tái)鉆井注入至海洋沉積層中。注入的CO2和孔隙水通過混合流動(dòng)不斷接觸，逐漸溶解于孔隙水中，在合適的溫度和壓力條件下發(fā)生相變，轉(zhuǎn)化為固態(tài)水合物。隨著反應(yīng)進(jìn)行，水合物顆粒有效填充于沉積物孔隙中，形成天然的物理屏障，阻礙CO2遷移和泄露。

圖1. HBCS技術(shù)的主要微觀作用機(jī)制示意圖，主要包括多相流、相變和孔隙封存過程。

結(jié)論二

為應(yīng)對(duì)CO2水合物在海洋環(huán)境中的長期穩(wěn)定性難題，從遞進(jìn)的三個(gè)角度（分子尺度、微觀尺度和宏觀尺度）闡述了水合物穩(wěn)定性的研究進(jìn)展，為提高水合物穩(wěn)定性提供了一定的理論支撐。

在分子角度上，CO2水合物穩(wěn)定性主要取決于晶體籠占有率等特性。升溫或降壓時(shí)會(huì)顯著降低水合物晶體強(qiáng)度，進(jìn)而減弱水合物的穩(wěn)定性。在微觀角度上，水合物的穩(wěn)定性主要受晶體結(jié)構(gòu)、分子間相互作用與局部微小環(huán)境等因素的影響。宏觀水合物穩(wěn)定性涉及水合物簇生成、解離或溶解等相行為，可以衡量該技術(shù)的長期有效性，其穩(wěn)定性直接體現(xiàn)宏觀行為上，受溫度、壓力、氣體組成等多種因素影響，重點(diǎn)總結(jié)添加劑、氣體成分和多孔介質(zhì)等因素的研究進(jìn)展。

圖2. 水合物在各種因素作用下的相行為。（a）小分子氣體N2和熱力學(xué)促進(jìn)劑作用下CO2水合物的相行為。（b）不同類型和粒徑的多孔介質(zhì)存在下CO2水合物的相行為。

結(jié)論三

受限于水合物形成瓶頸，系統(tǒng)總結(jié)了海洋環(huán)境友好型添加劑強(qiáng)化HBCS技術(shù)應(yīng)用的研究進(jìn)展。

環(huán)境友好型添加劑主要分為氨基酸、生物表面活性劑、木質(zhì)素磺酸鹽（LSs）和某些生物材料等等，他們對(duì)水合物形成動(dòng)力學(xué)均有積極作用。近年來，作為一種可靠且有效的動(dòng)力學(xué)生物促進(jìn)劑，氨基酸迅速受到歡迎。目前已對(duì)氨基酸的促進(jìn)作用做了比較系統(tǒng)的探索，證明了L-亮氨酸、L-色氨酸和L-蛋氨酸等多種氨基酸的促進(jìn)作用。其中疏水性氨基酸對(duì)水合物形成具有明顯效果，促進(jìn)機(jī)制可以歸結(jié)于兩親性。

圖3. 常見環(huán)境友好型添加劑的動(dòng)力學(xué)促進(jìn)結(jié)果。

結(jié)論四

為推動(dòng)HBCS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)分析了HBCS的環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，同時(shí)給出了世界范圍內(nèi)未來潛在封存地點(diǎn)分布。

首先必須選取合適的海洋存儲(chǔ)地點(diǎn)，這能最大限度減少可能存在的環(huán)境問題。否則，可能會(huì)造成CO2泄露等重大事故，對(duì)人類、海洋生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)造成不可逆的傷害。同時(shí)需要把握社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的影響。雖然相關(guān)法律政策仍未明確，但有些法律可以提供一定支持，這意味著按照現(xiàn)在政策的發(fā)展，HBCS技術(shù)將會(huì)在未來被大力鼓勵(lì)。據(jù)初步估算，全球海底沉積物中約可以通過HBCS技術(shù)封存100萬億噸CO2。因此，必須考慮分析氣體捕集和壓縮、CO2運(yùn)輸和CO2注入成本的經(jīng)濟(jì)性。未來需結(jié)合海洋環(huán)境特征，優(yōu)化注入工藝，確保封存效率與生態(tài)安全的平衡，從而推動(dòng)該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)階段邁向規(guī)模化應(yīng)用。

圖4. HBCS技術(shù)的環(huán)境分析。

圖5. 全球潛在HBCS封存地點(diǎn)及現(xiàn)有碳捕獲與封存（CCUS）項(xiàng)目分布。

總結(jié)展望

最后，作者指出HBCS技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的潛在碳封存方案，雖具備良好研究基礎(chǔ)，但仍面臨多重挑戰(zhàn)：基礎(chǔ)研究層面，水合物形成速率慢、長期穩(wěn)定性數(shù)據(jù)不足且缺乏大規(guī)模現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)；實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)濟(jì)成本、海洋生態(tài)長遠(yuǎn)影響尚不明確，相關(guān)法律法規(guī)與民眾支持的缺失也制約其推廣。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，建議探索綠色添加劑與混合氣體注入技術(shù)，利用大尺度模擬量化封存潛力，優(yōu)化CO2運(yùn)輸環(huán)節(jié)降低成本，推進(jìn)現(xiàn)場尺度實(shí)驗(yàn)，同時(shí)發(fā)展捕集-封存全流程技術(shù)，助力其商業(yè)化落地與規(guī)模化應(yīng)用。

原文信息

Developments and challenges in hydrate-based carbon dioxide sequestration technology

作者：

Yingying Liu, Lintao Sun, Chang Liu, Tao Yu, Ying Teng, Yi Zhang, Lanlan Jiang* & Yongchen Song*

https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-025-00139-6

DOI:

https://doi.org/10.1007/s43979-025-00139-6

Cite this article：

Liu, Y., Sun, L., Liu, C. et al. Developments and challenges in hydrate-based carbon dioxide sequestration technology. Carb Neutrality 4, 27 (2025). https://doi.org/10.1007/s43979-025-00139-6

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通訊作者信息

蔣蘭蘭，大連理工大學(xué)海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授

研究領(lǐng)域

主要從事CO2減排及水合物利用相關(guān)研究工作。

個(gè)人簡介

蔣蘭蘭，青年長江，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃青年科學(xué)家項(xiàng)目首席科學(xué)家，主要從事CO2減排及水合物利用相關(guān)研究工作。在Appl. Energ.、Chem. Eng. J.、GRL等領(lǐng)域頂級(jí)期刊上發(fā)表SCI論文162篇，其中第一或通訊作者91篇，ESI高被引4篇；授權(quán)國家發(fā)明專利62項(xiàng)、國際發(fā)明專利6項(xiàng)，獲教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、遼寧省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)等省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)多項(xiàng)。

聯(lián)系方式

E-mail: lanlan@dlut.edu.cn

圖文來源：原文作者

編輯：Carbon Neutrality編輯部

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Carbon Neutrality 是由上海交通大學(xué)與Springer Nature合作出版的低碳科學(xué)與技術(shù)、碳金融與碳管理領(lǐng)域的國際跨學(xué)科綜合期刊。本刊旨在打造碳中和領(lǐng)域旗艦期刊和國際一流期刊，主要刊載低碳相關(guān)領(lǐng)域具有高度原創(chuàng)性、能夠反映學(xué)科水平的高質(zhì)量研究論文和評(píng)論性綜述文章，為國內(nèi)外從事低碳研究的專家學(xué)者提供一個(gè)專業(yè)的國際學(xué)術(shù)交流平臺(tái)。

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