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成，因此也被稱為碳基生命;推動近現代文明高速發展的礦物燃料也由碳構成……毋庸置疑，我們生活在一個碳的世界。然而，人類活動和工業生產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。

碳循環示意圖

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

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物質），生命體的新陳代謝和遺傳變異也離不開有機物的轉化，攜帶遺傳信息的有機物質DNA指導生物的生長、發育和繁殖過程，進而影響著自然進化和生物的復雜性。

無機碳原子也存在于活細胞中，以生物化學反應的底物和生物化學反應的最終產物的形式存在。只要是生命形態，就必須從外界環境中收集、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。

溫室效應示意圖

地球的碳循環是復雜的，在時間尺度上分為短期碳循環和長期碳循環。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。以這些生物體為食的動物會將碳轉移。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，微生物從基質中再生（如植物生長），部分殘骸埋藏在地下或海洋下經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和變質氣體釋放返回大氣中。短期、快速的事件對系統產生的擾亂最終會回到穩定狀態，一般對生態系統的影響不大。但是，一些重大事件的發生，使得生物無法適應生態系統的環境變化，從而導致大規模滅絕。

在工業革命之前，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。而自工業革命以來，大規模使用礦物燃料不僅改變了人類社會和生態系統，打破了自然界原有的平衡，導致釋放的碳呈指數增長，同時，礦物燃料等自然資源的消耗也呈指數級增長。人類活動改變了地球系統中的碳循環和其他物質與能量的循環，對氣候及生態系統造成全球性影響。

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，已經遠遠超過了火山爆發排放的碳量。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所吸收，從而產生溫室效應，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、凍土層溶解釋放碳等一系列環境問題。溫室效應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來源。目前，人們為二氧化碳的回收和利用作了諸多努力。碳捕集與封存技術（CCS）和碳捕集與利用技術（CCU）是針對二氧化碳收集的主要技術。兩者的區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化為商業產品。

CCU可以將排放的二氧化碳廢料轉化為化學品和燃料等有價值的產品，同時有助于減緩氣候變化。它能夠將二氧化碳直接利用在工業生產中，如食品和飲料工業能將二氧化碳用作碳酸化劑、防腐劑、包裝氣體等。另外，二氧化碳還可以轉化成高需求的產品，如尿素、甲醇和生物燃料。與傳統的石油化工原料相比，二氧化碳作為可再生資源的優勢是成本低且無毒，能夠進行安全生產。為應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發展的趨勢。

?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排放的碳量

CCS是將捕獲到的二氧化碳經壓縮、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層的結構特征已有了深入的研究和了解，鉆井技術的發展能夠將碳成功地儲存在地質層中。

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境是全人類共同的課題。向未來，為實現“雙碳目標”而奮進。

（責任編輯 / 黃盈盈? ?美術編輯 / 韋英章）