革命性的电化学海洋铁施肥，大规模二氧化碳封存的可持续解决方案

气候变化的影响不断加剧，引发了人们对创新的二氧化碳去除 (CDR) 策略的极大兴趣，尤其是那些利用海洋作为碳汇的巨大潜力的策略。一项创新的减轻大气 CO2 水平的海洋方法包括海洋铁施肥 (OIF) 和海洋碱度增强 (OAE)。这些方法因其能够增强海洋中的天然碳封存过程而受到广泛关注，但两者都面临着需要仔细的科学评估和开发的挑战。

了解海洋碳封存背后的科学

海洋在调节地球碳循环方面发挥着至关重要的作用。海洋可储存约 50 倍于大气中的二氧化碳，是陆地植物和土壤总碳储存能力的 10-20 倍多。这种能力主要由两个自然过程驱动：生物碳泵和碳酸盐泵。生物碳泵涉及浮游植物通过光合作用从地表水中吸收二氧化碳，当浮游植物死亡或被其他生物消耗时，二氧化碳会沉入更深的海洋。碳酸盐泵是由碳酸钙和其他矿物质的溶解驱动的，这些矿物质以碳酸氢根离子的形式捕获二氧化碳。通过增强这些自然过程，科学家们的目标是提高海洋更有效地封存碳的能力。

海洋铁肥化 (OIF) 和海洋碱度增强 (OAE) 是两种旨在增强这些过程的方法。OIF 侧重于通过向海水中添加铁来刺激浮游植物的生长，而 OAE 旨在提高海水碱度，增强海洋吸收二氧化碳的能力。

海洋铁施肥，增强生物碳泵

铁是浮游植物生长的关键营养物质，而浮游植物是海洋食物网的基础。然而，在许多海洋地区，铁供应不足，限制了浮游植物的生长，从而限制了海洋吸收大气中二氧化碳的能力。海洋铁肥试图通过将铁引入缺铁地区来解决这个问题，刺激浮游植物的繁殖。这些繁殖增加了碳固定，导致更多的碳以有机物的形式被捕获，随后被输送到深海，在那里可以封存数百年。

OIF 的前提是，当在这些营养有限的区域添加铁时，浮游植物会利用海洋表面的二氧化碳快速生长。这些生物死亡后会下沉，携带着它们所固定的碳进入深海。这些碳随后被储存在深海水域中，从而减少大气中的二氧化碳含量。

虽然铁肥在促进浮游植物生长方面显示出了良好的前景，但其在长期二氧化碳封存方面的实际效果仍是一个有争议的话题。一些研究表明，浮游植物固定的碳中很大一部分可能会在上层海洋中重新矿化，或者不会沉入深层水域 。此外，向海洋中引入大量铁对环境的影响尚不完全清楚。人们担心这可能会破坏当地的生态系统，并造成有害藻华。

目前，海洋铁施肥方面最引人注目的实验之一是 2009-2010 年在南大洋进行的 LOHAFEX（印度罗哈施肥实验）。该实验涉及向 300 平方公里的海洋区域添加硫酸铁以刺激浮游植物生长。结果喜忧参半，虽然观察到大量浮游植物大量繁殖，但浮游植物固定的碳中只有一小部分被封存在深海中。这项实验凸显了 OIF 作为长期碳储存工具的潜力和挑战。

尽管如此，OIF 仍然是一个广泛研究的主题，特别是与电化学方法等其他技术相结合时，可以提高其效率并降低其潜在的环境风险。

海洋碱度增强：碳捕获的化学解决方案

海洋碱度增强 (OAE) 涉及向海水中添加碱性物质，例如石灰 (Ca(OH)₂)，以增加其吸收二氧化碳的能力。通过提高海水的碱度，碳酸氢根离子的浓度会增加，使海洋能够从大气中吸收更多的二氧化碳并将其以碳酸氢盐的形式封存。这一过程增强了天然碳酸盐泵，促进了大气中的二氧化碳溶解到海洋中，并将其转化为稳定的长期储存形式。

在海洋碱度增强领域，研究人员主要专注于小规模试点试验，以测试碱度增加对二氧化碳吸收率的影响。这些试验涉及向海水中添加氢氧化钙，结果显示海水碱度增加，二氧化碳吸收率增强。然而，这些方法的可扩展性及其环境影响仍在评估中。

电化学技术的最新发展在增强 OAE 方面显示出巨大的前景。电化学增强海洋碱度利用电力来操纵海水的化学性质，增加碳酸氢根离子的浓度并加速 CO2 的吸收。该过程可以通过电解等方法进行，将海水分解为酸性和碱性溶液，或通过使用特定的电化学反应来增强产生碱性化合物的矿物风化过程 。

目前，最具创新性的方法之一是使用钙离子电池。这些电池可以控制海水中的钙浓度，可用于直接提高海水的碱度，从而提高其捕获二氧化碳的能力。事实证明，这种方法比传统方法更节能，为海洋二氧化碳封存提供了一种潜在的可扩展且经济有效的解决方案。

最新的研究发现

最近的研究提出将海洋铁肥与海洋碱度增强相结合——新型自操作电化学技术，以产生协同效应，从而最大限度地提高二氧化碳封存量。这种方法充分利用了两种技术的优势：OIF 刺激浮游植物生长，而 OAE 增强海洋化学吸收二氧化碳的能力。通过将这些方法与电化学技术相结合，研究人员旨在提高海洋碳捕获的效率和可扩展性。

研究人员通过实验测量， 以测试电化学方法在增加铁浓度和海水pH值方面的效率，研究人员通过调整电流的大小和形式，以及优化电极材料和几何形状，来调节铁的释放。

研究发现，电化学OIF不仅可以将亚铁离子（Fe +2）的浓度提高0-0.5 mg/L，还可以使海水pH值显著提高8%（即氢离子浓度降低25%）。通过调节电流大小和形式（例如脉冲电流和极性反转）以及优化电极材料和几何形状，可以调节铁（Fe +2 /Fe +3 ）的释放。同时，该系统增加海水碱度和缓冲能力，通过溶解度泵提高CO 2在浅海中的溶解度和储存。

这项研究所获得的测量结果证明了 EOIF 的可扩展性及其以较低成本利用太阳能运行的能力。

总体而言，这项新的 技术为大规模应对气候变化提供了一种实用、有效和可持续的解决方案。

思考

通过 OIF 和 OAE 捕获的碳有多少会在深海中封存数百年，而不是被重新释放到大气中？从长远来看，这些方法对减少大气中的二氧化碳的实际效率如何？

大规模施用铁肥会带来哪些生态后果，包括可能导致有害藻类大量繁殖或海洋食物网发生变化？碱性物质的引入将如何影响海洋生态系统，特别是矿化过程和海洋生物的平衡？

参考文献：Amir Taqieddin, Stephanie Sarrouf, Muhammad Fahad Ehsan, Ken Buesseler & Akram N. Alshawabkeh，Electrochemical ocean iron fertilization and alkalinity enhancement approach toward CO2 sequestration.  npj Ocean Sustainabilityvolume 3, Article number: 28 (2024)，doi.s44183-024-00064-8 

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