地球科学进展

地球科学进展 ›› 2025, Vol. 40 ›› Issue (1): 68 -81. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2024.087

大气海洋 上一篇    下一篇

海水碱度提升技术综述及协同实施路径展望
黄宝蓉1,2(), 周哲3,4(), 褚华强1,2, 代朝猛5, 杨守业3,4, 张亚雷1,2   
  1. 1.同济大学 环境科学与工程学院，上海 200092
    2.同济大学 污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092
    3.同济大学 海洋地质全国重点实验室，上海 200092
    4.同济大学 海洋与 地球科学学院，上海 200092
    5.同济大学 土木工程学院，上海 200092
  • 收稿日期:2024-10-25 修回日期:2024-12-23 出版日期:2025-01-10
  • 通讯作者: 周哲 E-mail:hbr@tongji.edu.cn;zhezhou_research@tongji.edu.cn
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(2022YFF0800504);同济大学交叉学科项目(2023-1-YB-04);国家自然科学基金项目(42306052)

Ocean Alkalinity Enhancement Technology and Outlook of Synergistic Application Pathways: A Review

Baorong HUANG1,2(), Zhe ZHOU3,4(), Huaqiang CHU1,2, Chaomeng DAI5, Shouye YANG3,4, Yalei ZHANG1,2   

  1. 1.College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
    2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse, Shanghai 200092, China
    3.State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China
    4.School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China
    5.College Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
  • Received:2024-10-25 Revised:2024-12-23 Online:2025-01-10 Published:2025-03-24
  • Contact: Zhe ZHOU E-mail:hbr@tongji.edu.cn;zhezhou_research@tongji.edu.cn
  • About author:HUANG Baorong, research areas include environmental geochemistry and water pollution control. E-mail: hbr@tongji.edu.cn
  • Supported by:
    the National Key Research and Development Program of China(2022YFF0800504);The Interdisciplinary Project of Tongji University(2023-1-YB-04);The National Natural Science Foundation of China(42306052)
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碳中和是应对全球气候变化的重要手段，而负排放技术是实现碳中和目标的关键一环。海洋作为地球上最大的活跃碳库，在负排放技术开发中有着巨大潜力，为实现碳中和目标提供了重要支撑。其中，海水碱度提升技术被认为是一种高效且兼具生态效益的负排放技术，即通过人为投加碱性物质提高表层海水碱度，在促进海洋吸收CO2的同时，缓解海洋酸化。基于海洋碳酸盐平衡体系等理论基础，概述了海水碱度提升技术的基本原理，并结合国内外研究进展，总结了不同尺度的研究。从多维度对比评估了该技术的碳汇潜力和成本，指出其在实施路径、生态影响评估和公众接受度等方面的挑战。结合海水碱度提升技术特点和我国沿海地区实际情况，提出了耦合污水处理厂基础设施和海岸带工程等的协同实施路径，为推动海水碱度提升技术的工程应用提供创新思路，进一步丰富了发展海洋蓝色碳汇的科学内涵和路径。

关键词: 碳中和, 海洋负排放, 碱度提升, 污水处理厂, 海岸带工程

Carbon neutrality is a crucial strategy for combating global warming, and negative emissions technologies are key to achieving this goal. As the largest carbon reservoir on Earth, the ocean plays an irreplaceable role in regulating global carbon cycling and holds significant potential for negative emissions. Ocean alkalinity enhancement is a highly efficient and ecologically beneficial negative emissions technology. This technology increases ocean alkalinity by adding alkaline minerals to seawater, thereby enhancing the absorption of atmospheric CO2 and improving the buffer capacity to resist ocean acidification. This study introduces the mechanisms and advancements in ocean alkalinity enhancement research at multiple scales based on the dissolution theory of carbonates in the ocean. Assessing the potential for negative emissions and associated costs reveals several challenges regarding implementation pathways, environmental impacts, and public acceptance. Considering the specific conditions of China’s coastal regions and the characteristics of ocean alkalinity enhancement technology, this study proposes a pathway integrated with wastewater treatment plants and coastal engineering. Furthermore, it provides an innovative concept on the application of ocean alkalinity enhancement and enriches the scientific understanding of blue carbon sinks.

Key words: Carbon neutrality, Ocean negative carbon emissions, Alkalinity enhancement, Wastewater treatment plant, Coastal engineering

中图分类号: 

图1 海洋碳循环示意图（据参考文献［24-25］修改）
Fig. 1 Ocean carbon cycle processes and ocean carbonate chemistry mechanisms （modified after references ［24-25］）
图2 海水碱度提升技术主要路径
Fig. 2 Ocean alkalinity enhancement technology path
表1 主要硅酸盐碱性矿物组成及理论CO2 消耗量［48］
Table 1 Theoretical CO2 drawdown of rock （mineral） for common basalt forming minerals and basalt［48］
矿物种类化学式分子量/（g/mol）RCO2 max/（kgCO2/t）RCO2 low/（kgCO2/t）
镁橄榄石Mg2SiO4140.71 2511 251
顽火辉石Mg2Si2O6200.8877877
透辉石CaMgSi2O6216.5813813
角闪石（Ca0.6Na0.3K0.1）2.5（Mg0.6Fe0.3Al0.1）5［（OH）0.75F0.25）2/（Si0.75Al0.25）2Si6O22］868.4811507
正长石KAlSi3O8278.3632158
钙长石CaAl2Si2O8278.21 265316
白榴石KAlSi2O6218.3807202
霞石Na3KAl4Si4O16584.31 205301
玄武岩Si1Ti0.025Al0.329Mg0.31Fe（III）0.02Fe（II）0.193Ca0.273Na0.061K0.007O3.394123.5968429
玄武岩Ca0.3Mg0.1Fe0.4Al0.3SiO3.25125.0880282
表2 海水碱度提升技术与部分负排放技术能源和成本对比表
Table 2 Comparison of energy and costs in ocean alkalinity enhancement technology and other negative carbon emissions technologies
负排放技术类型材料应用场景能耗/（kWh/t CO2）经济成本/（美元/t CO2）参考文献
海水碱度提升石灰石海洋（美国）150~30064~159［23，80］
白云石海洋（美国）<1 15072~95［23，58］
碳酸盐海洋上升流层（美国）约2810~20［23，63］
硅酸盐海岸带（美国）100~1 000—［23］
硅酸盐海洋（美国）100~1 000—［23］
增强风化碱性岩石陆地（英国）656~3 50170~578［49］
超基岩石陆地（英国）224~74824~123［49］
硅酸盐陆地（中国）—100~130［81］
纯橄榄岩陆地（印度和巴西）—60［82］
玄武岩陆地（印度和巴西）—200［82］
直接电化学法硅酸镁海洋（美国）1 38886~154［58］
碳酸钙海洋（美国）1 388~2 50014~2 355［23，44，58］
烧碱海洋（美国）833~5 000466~608［58］
直接空气捕捉陆地、海洋（英国和美国）3 54730~1 000［49，83-85］
恢复蓝碳系统海洋（美国）—<50［23］
海藻养殖海洋（美国）—100［23］
人工上升流海洋（美国）<28<100~150［23，58］
铁施肥海洋（澳大利亚）—2~457［23，86-87］
土壤有机碳固存陆地（英国和加拿大）0<10［83，85］
生物质能碳捕集与封存陆地（法国）<015~400［85-86］
生物碳陆地（英国）<030~120［85］
植树造林陆地（美国、澳大利亚和加拿大）—2~150［86］
表3 国内外从事海水碱度提升研究的部分机构及主要进展
Table 3 Domestic and international institutions engaged in research on ocean alkalinity enhancement and research advances
序号机构名称投料研究时间研究内容应用情况参考文献
1卡内基科学研究所氢氧化钠2016年小规模投加氢氧化钠以评估大堡礁珊瑚生态系统对缓解海洋酸化的反应原位实验研究［90］
2比利时布鲁塞尔自由大学橄榄石2017年研究橄榄石在天然海水中的溶解速率，及封存海水CO2的效果实验室研究［71］
3GEOMAR、加纳利群岛拉斯帕尔马斯大学熟石灰和橄榄石2021年研究海洋碱化对海洋生物群落的潜在风险和副作用，以及不同碱性材料对捕获大气CO2的潜能中试研究［38，91-92］
4澳大利亚南十字星大学氧化钙和氢氧化钙2022年天然海水碱性钙化物溶解性机理研究，钙基碱性物质吸收CO2最佳投料量研究实验室研究［56］
5Vesta橄榄石2022年研究橄榄石风化原理及影响增强风化吸收大气CO2的因素原位实验研究［93-94］
6山东大学和厦门大学橄榄石2022年研究海水橄榄石增汇效应及其对微生物群落结构的影响实验室及原位实验研究［95］
7德国汉堡大学碳酸盐；钙、镁和钠氢氧化物2023年研究不同碱性投料的应用特点实验室研究［39］
8美国迈阿密大学水镁石2023年研究Mg（OH）2的动力学特征及在海水碱度提升的应用稳定性和耐久性实验室研究［50］
9Planetary Technologies水镁石2023年研究向海洋中添加碱性药剂是否是海水脱酸和大气CO2捕获的有效方法原位实验研究［96］
10美国夏威夷大学—2023年向海水中添加碱度和示踪剂，以评估海洋碱度提升对去除大气CO2的效率原位实验研究［97］
11赫瑞—瓦特大学Ikaite（六水合碳酸钙）2023年使用溶解快速、纯度高、能源成本低的Ikaite作为海水碱度提升投料实验室研究［98］
12加拿大麦克马斯特大学和多伦多大学—2023年电化学海水碱度提升膜工艺可以通过降低资本支出和能耗，将每吨CO2的电化学去除成本减半实验室研究［99-100］
13伍兹霍尔海洋研究所—2023—2026年设计安全部署船舶碱性原料的最佳位点，开展碱度释放和羽流跟踪的实地试验原位实验研究［101］
14荷兰代尔夫特理工大学和比利时安特卫普大学碳酸盐；钙和钠氢氧化物（溶液）2024年对比不同路径的海水碱度提升技术应用的有效性和持久性中试研究［102］
图3 沿海污水处理厂出水碱度调控路径
（a）复合碱性矿物生态滤床；（b）可渗透加碱墙
Fig. 3 Schematic illustration of alkalinity control approaches of the coastal wastewater treatment plant effluent
（a） Compound alkalinity minerals ecological filter bed； （b） Permeable alkalinity enhancement barrier
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