碳元素多面手的新“征程”

2022-03-01朱英洁

知识就是力量 2022年2期

朱英洁

碳，是元素周期表中排列第6位的化学元素，在我们生活的地球上，它无处不在，举足轻重。地球上的生命體由碳构成，因此也被称为碳基生命;推动近现代文明高速发展的矿物燃料也由碳构成……毋庸置疑，我们生活在一个碳的世界。然而，人类活动和工业生产带来的二氧化碳排放却成为影响人类福祉的巨大威胁。让我们一起来认识这个元素多面手——碳。

碳循环示意图

碳为所有生物提供了生命的基础，碳原子之间通过碳碳键结合形成不同长度、形状的碳骨架，有机物在此基础上搭建。

有机物不只是生命赖以生存的能量源泉（如氨基酸为人类提供必需的营养物质），生命体的新陈代谢和遗传变异也离不开有机物的转化，携带遗传信息的有机物质DNA指导生物的生长、发育和繁殖过程，进而影响着自然进化和生物的复杂性。

无机碳原子也存在于活细胞中，以生物化学反应的底物和生物化学反应的最终产物的形式存在。只要是生命形态，就必须从外界环境中收集、储存和利用能量。碳基生物储存的能量主要以碳水化合物的形式存在。

温室效应示意图

地球的碳循环是复杂的，在时间尺度上分为短期碳循环和长期碳循环。植物、藻类等通过光合作用从大气和海洋中获取碳，一部分碳通过呼吸作用回到大气，而另一部分则作为能量储存在生物体内。以这些生物体为食的动物会将碳转移。这些生物死后，一部分碳被微生物分解，以二氧化碳的形式返回大气;一部分被食腐动物、细菌和真菌吃掉。然后，微生物从基质中再生（如植物生长），部分残骸埋藏在地下或海洋下经历长久的化学变化形成石油和煤炭等矿物燃料。人类祖先学会了钻木取火，通过燃烧矿物燃料以获得更高的能量，但燃烧过程中向大气排放了大量二氧化碳。

地球上最主要的碳库是碳酸盐岩，碳酸盐的形成使得大气中碳沉降，潜没到地幔中，它最终通过火山喷发和变质气体释放返回大气中。短期、快速的事件对系统产生的扰乱最终会回到稳定状态，一般对生态系统的影响不大。但是，一些重大事件的发生，使得生物无法适应生态系统的环境变化，从而导致大规模灭绝。

在工业革命之前，排放的二氧化碳与光合作用生物所吸收的二氧化碳基本持平。而自工业革命以来，大规模使用矿物燃料不仅改变了人类社会和生态系统，打破了自然界原有的平衡，导致释放的碳呈指数增长，同时，矿物燃料等自然资源的消耗也呈指数级增长。人类活动改变了地球系统中的碳循环和其他物质与能量的循环，对气候及生态系统造成全球性影响。

人类逐渐意识到地球的脆弱性，这种脆弱性来自碳循环本身。目前，通过燃烧矿物燃料向大气中排放的二氧化碳量，已经远远超过了火山爆发排放的碳量。二氧化碳在大气、陆地和海洋中积累，其中在大气中累积的二氧化碳约占45%。大气中的二氧化碳如同一层厚厚的玻璃罩，阻止了地球热量的散失，太阳短波辐射可以透过大气射入地面，而地面升温后释放出的长波辐射却被大气中的二氧化碳等物质所吸收，从而产生温室效应，使地球变成一个“大暖房”，随之而来的海平面上升、极端天气频发、冻土层溶解释放碳等一系列环境问题。温室效应正在给地球造成巨大的影响，威胁地球生命体的存亡。

全球有近二成的二氧化碳排放是因使用矿物燃料造成的。大型发电厂、炼油厂、污水处理厂、水泥厂、钢铁厂和化工厂等是二氧化碳的主要工业来源。目前，人们为二氧化碳的回收和利用作了诸多努力。碳捕集与封存技术（CCS）和碳捕集与利用技术（CCU）是针对二氧化碳收集的主要技术。两者的区别在于捕获二氧化碳的最终目的地不同。CCS是将捕获的二氧化碳转移到合适的地点进行长期储存，而CCU是将捕获的二氧化碳转化为商业产品。

CCU可以将排放的二氧化碳废料转化为化学品和燃料等有价值的产品，同时有助于减缓气候变化。它能够将二氧化碳直接利用在工业生产中，如食品和饮料工业能将二氧化碳用作碳酸化剂、防腐剂、包装气体等。另外，二氧化碳还可以转化成高需求的产品，如尿素、甲醇和生物燃料。与传统的石油化工原料相比，二氧化碳作为可再生资源的优势是成本低且无毒，能够进行安全生产。为应对全球变暖和价格不断上涨的矿物燃料，二氧化碳回收和利用是未来工业发展的趋势。