利用漂浮容器的碳捕获 【技术领域】
披露了从大气中除去二氧化碳的方法。
背景技术
燃烧矿物燃料导致大气中二氧化碳浓度升高，从而带来环境不良改变的威胁。同时，渔业对海洋资源的利用似乎超过了海洋本身的容量。增加光合作用可通过将水体中的无机碳(二氧化碳)转化成有机碳(植物物质)而解决这两个问题。这种植物物质是海洋食物链的基础。
二氧化碳转化成有机碳的天然过程已知。当大气二氧化碳溶解于海洋中时，其以离子形式存在，可通过光合作用的过程而摄取入海洋浮游植物的体内。浮游植物最终因衰老而死亡或被其它海洋生物吃掉。随后产生的一些死亡或排泄的生物质沉入更深的水体，从而至少一些碳可从大气中有效地长期储存起来。
在海洋的某些区域，溶解于海洋表面的二氧化碳转化为有机碳受到可用的特定营养素的限制。例如，在大约80％的海洋中浮游植物生长因缺乏大量营养素(macronutrient)氮而受限制。
发明概述
第一方面提供了从大气中除去二氧化碳的方法。该方法包括将尿素自漂浮容器递送至海洋的透光层区域的步骤，从而增加尿素递送区域的浮游植物数量。
该方法包括将外源性氮源(即，尿素)递送至特定位置的海洋特定层以刺激该区域浮游植物群的生长，从而提高该浮游植物群的光合作用活性。可采用该方法降低大气CO2浓度，因为随着浮游植物实施的光合作用用去了海洋透光层中存在的无机碳，更多的CO2从大气扩散入海洋。数量增加的浮游植物最终会死亡并沉入更深的水体。因此，向透光层加入尿素使得海洋成为CO2的储器，并降低大气中的CO2浓度。
技术人员可理解，由于浮游植物是海洋食物链的基础，浮游植物数量增加也增加了海洋鱼的生物量。
在上述方法中，尿素从漂浮容器递送至海洋的透光层。相比于其它递送方法，例如经管道递送，从漂浮容器递送氮源(即，尿素)有许多优点。例如，通过管道递送营养素在经济上可能行不通，因为达到海洋中合适区域所需的管道太长以及管道的维护成本。此外，需要岸基设施经管道抽吸氮源，这进一步增加了成本。
此外，如上所述，在大约80％的海洋中浮游植物生长因缺乏大量营养素氮而受限制。便携式漂浮容器有助于将氮源(即，尿素)递送至这些区域。
提供的尿素是白色颗粒，广泛应用于农业中。在海水中，尿素由细菌分解死亡的浮游植物或浮游动物排泄物而天然产生。与许多其它含氮化合物，例如氨相比，尿素具有许多优点，其易于储存和运输，不具腐蚀性并且是pH中性。相反，氨(或氨溶液)有腐蚀性、毒性并且分类为危险的化学品。
通常将区域定位在能在显著的时期(例如，100年以上)自大气中捕获二氧化碳。死亡浮游植物或其它衍生的物质下沉得离透光层越远，碳远离海洋表面的时间越长。因此，至少在优选的实施方式中，将尿素递送至有一定深度的海洋区域透光层，该深度足以使得死亡的所述浮游植物和衍生自该浮游植物的有机物质从混合层(mixed layer)下降并能长期从大气中捕获CO2的碳(或者，递送至洋流会将氮源和其它浮游植物携带至这种区域的位置)。
例如，所述区域可以位于大陆架的边缘或在深海之上，在该处有机物可沉至1000m或更深的深度。
在一些实施方式中，用漂浮容器运输颗粒形式的尿素，与取自该区域的水混合后立即递送。本领域技术人员应理解，溶解于这种海水中的尿素溶液在性质(例如，温度、密度和盐度)上类似于要将尿素递送入的海水。实际上，如果尿素溶液是较稀的溶液，其性质非常类似于周围的海水。因此，在浮游植物能接近尿素中的氮之前，含尿素海水不会在水体中显著上浮或下沉。
通常将尿素注入该区域地预定深度(例如，15-50m)以在最适合浮游植物生长的深度形成浓溶液。这种深度取决于许多因素，例如浮游植物几乎不能在100m以下生存，因为阳光几乎不能穿透该深度而进入海洋。类似地，浮游植物几乎不能在海洋上层的数米中生存，因为阳光太强烈。
在其它实施方式中，尿素是颗粒形式，从漂浮容器喷洒在该区域的海洋表面上。尿素颗粒在颗粒内部可含有气囊以降低颗粒的沉降速度，因此氮不会沉到透光层外。
在一些实施方式中，递送至该区域的尿素的数量导致该区域的尿素浓度为约0.1微摩尔/L-约10微摩尔/L。尿素浓度低于约0.1微摩尔/L造成浮游植物生长不显著，而尿素浓度高于约10微摩尔/L造成太多的浮游植物生长。为实现这种尿素浓度，可将5％w/v-20％w/v的尿素海水溶液抽入透光层以升高紧邻出口处的尿素浓度。随后洋流和湍流使这种尿素浓溶液分散，从而提供足以支持浮游植物生长合适量的尿素浓度。
或者，海水中尿素的浓度可升高约0.1微摩尔/L-约1微摩尔/L、或约1微摩尔/L-约10微摩尔/L、或约0.1微摩尔/L-约0.5微摩尔/L、或约0.5微摩尔/L-约1微摩尔/L、或约1微摩尔/L-约5微摩尔/L、或约5微摩尔/L-约10微摩尔/L。
在一些实施方式中，可将一种或多种额外的大量营养素(例如，磷酸盐)与尿素一起递送至透光层。
在一些实施方式中，可将一种或多种额外的微量营养素(例如，铁)与尿素一起递送至透光层。
在一些实施方式中，第一方面的方法包括监测浮游植物的数量增长和加入更多尿素以进一步增加或维持浮游植物的数量增长的额外步骤。
第二方面提供从大气中除去二氧化碳的方法。该方法包括以下步骤：将漂浮容器的氮源递送至海洋透光层区域，从而在加入氮源后造成该区域浮游植物数量增长，监测浮游植物的数量增蘸长和将更多氮源加入该区域的诸部分从而可能进一步增加或维持浮游植物的数量增长。
例如，可通过卫星监测浮游植物的数量增长。或者，可通过漂浮容器下游的第二条艇或船监测浮游植物的数量增长。
在一些实施方式中，可将染料，例如六氟化氢与氮源一起递送至透光层以帮助监测浮游植物的数量增长。
第二方面的方法中所用的氮源是尿素。然而，在一些实施方式中，虽然有上述困难，但所用氮源可以是氨或其盐的一种(可以是溶液或气相)。细菌分解死亡的浮游植物或浮游动物排泄物可在海水中天然产生氨。第二方面的方法也可利用其它氮源，例如硝酸钠和硝酸。
第三方面提供产生碳排放额度(carbon credit)的方法，包括采用第一或第二方面的方法从大气中除去二氧化碳的步骤。
采用这种方法产生碳排放额度对于需要抵消碳排放的工业非常理想。
具体实施方式详述
现在描述在发明概述中所述方法的具体实施方式。
在上述方法中，通过将氮源(例如，尿素)加入海洋的透光层区域从而导致浮游植物数量增长来捕获大气中的二氧化碳。这种行为也称为海洋滋养(这是EOSP公司(Earth，Ocean and Space Pty Ltd)的商标)，即，为储存碳和提高海洋蛋白质的持续供应的目的而将营养素有目的地引入海洋上层。
透光层(也可不精确地称为混合层)通常从海洋表面延伸至约50米的深度。然而，透光层可延伸至100米的深度或更深。透光层的实际深度有所不同，取决于许多因素，包括风强度和海洋表面水与较低大气之间温度不同造成的热量丧失。
上述区域必须是缺乏营养素的海洋区域，从而需要添加氮源以增加浮游植物的数量。如上所述，据信在最多80％的海洋中浮游植物生长因缺乏大量营养素氮而受限制。本领域技术人员应能确定按照这些方法滋养的合适区域。
采用这些方法时，光合作用产生的有机碳可从透光层运出到深海并在该处保留一定时间。这可通过表面水的下降或颗粒状有机残渣从上层海洋下沉而产生。据信，根据位置和洋流，可在至少100年，可能最多达500年或1000年，或者甚至更长时间内从大气中捕获二氧化碳。
在第一方面，并且在第二方面的一些实施方式中，将尿素自漂浮容器递送至该区域。尿素高度可溶，当参与海洋中的光合作用时，可导致上层海洋酸性降低。因此，将尿素加入海洋可抵消大气中二氧化碳水平升高导致上层海洋pH降低的作用。
递送至该区域的含氮化合物(例如，尿素)的数量导致含氮化合物在该区域的浓度为约0.1微摩尔/L-约10微摩尔/L。为实现这种尿素浓度，可将含氮化合物的浓海水溶液(例如，含5％w/v的尿素的溶液)抽入透光层以升高紧邻出口处的化合物浓度。随后洋流和湍流使这种浓水域分散，从而提供合适浓度的可用氮来支持浮游植物生长。
海水中含氮化合物的浓度可升高约0.1微摩尔/L-约1微摩尔/L、或约1微摩尔/L-约10微摩尔/L、或约0.1微摩尔/L-约0.5微摩尔/L、或约0.5微摩尔/L-约1微摩尔/L、或约1微摩尔/L-约5微摩尔/L、或约5微摩尔/L-约10微摩尔/L。
现在描述如何实施上述方法的具体实施方式的例子。
船形式的漂浮容器的货舱可装载尿素，优选颗粒状尿素的形式，其未分类为危险的化学品并且具有合适的储存稳定性和流动特性。然后，该船可航行至任何海洋区域，在该区域加入尿素后浮游植物群体会增加，而产生的有机碳会沉到不会快速循环回到表面的深度。例如，船可以停靠在大陆架的边缘或漂浮在深海上。
一旦船达到所需海洋区域，可将尿素吹入文丘里管，与海水混合以提供约5％w/v的尿素溶液，得到的溶液经管道从船注入透光层中确定对于该区域的浮游植物生长最合适的深度。
用于溶解或悬浮尿素的海水最好从要注入尿素的透光层区域取得，因而注入的水与周围的水有相似的温度和密度。如果注入的溶液/周围水具有相似特性，则尿素将在透光层中大致维持在其注入高度足够长的时间从而能被天然过程稀释，因而浮游植物能进行光合作用。如果尿素从透光层下沉，将再不能接近浮游植物。类似地，如果注入溶液的密度明显低于周围的海水，其可向表面上浮，从而尿素也可能难接近浮游植物，因为浮游植物不会在阳光太强烈的海洋表面附近生存。
注入尿素/海水溶液的预定深度取决于该区域中的透光层，这在注入前不难在船上计算，不过通常在约15-约50米。
或者，可将尿素和海水的稠密溶液喷洒入水中，随后其下沉接近透光层的中心。如上所述，浮游植物易在接近透光层中等深度处生活。
或者，可将将合适量的颗粒形式尿素自漂浮容器喷洒在海洋表面上，随后其在溶解的同时下沉接近透光层的中心。
在一些实施方式中，可提供内部具有气泡的球状小丸形式的尿素。该气泡会减缓下沉速度，从而使得尿素在该小丸处于透光层时完全溶解。可采用斯托克斯定律(Stokes law)估计这些小丸的下沉速度(取决于小丸密度和直径)。
或者，可在码头将尿素与新鲜的水混合以获得具有所需密度的溶液。
船可在沿预定路径行驶时递送尿素，路径的选择因能在所需位置产生广大的浮游植物水域。或者，船可在整个区域以网格方式行驶。
如果需要，可将合适浓度的额外大量或微量营养素(例例如，磷酸或铁)加入尿素溶液。或者，可将这种大量或微量营养素分别递送至海洋。
将氮源递送至海洋后约1周，浮游植物水域产生。可在注入点的下游，通过例如卫星或第二条艇(或由最初注入尿素的那条船)监测该水域的存在情况，并检测浮游植物的浓度。
如果需要，装有尿素的船(或另一条船)可回到该海洋区域，并加入额外量的尿素以进一步增加或维持所需区域中浮游植物的数量增长。
释放的尿素在透光层中构成羽状营养素水柱(nutrient plume)，海洋混合作用将其在整个透光层中分散。洋流和扩散作用有助于营养素在该区域的分散。加入的氮和阳光使得透光层中的浮游植物随着氮源(例如，尿素)和其它加入的营养素或天然产生的营养素的消耗而增殖。以此方式，具有实质性大小的浮游植物水域可维持一定时间。
死亡浮游植物和包含浮游动物的排泄物的有机物作为有机残渣下沉到水体中较低的水平(即，深海)，洋流将尿素和浮游植物携带到海床上。有机残渣携带有源自大气中二氧化碳的碳，从而能将碳有效捕获在更深的海层(oceanlayers)或海床。由于可从大气捕获的二氧化碳量与额外浮游植物的产生量成比例，具有实质性大小并能维持一定时间的浮游植物水域能捕获大量二氧化碳。
应该知道从漂浮容器递送氮源(例如，尿素)比利用固定的管道递送氮源有很多优点。例如，如上所述，尽管会从注入点水平输送尿素的洋流有波动，但利用漂浮的容器可在较大的海洋区域产生长期存在的浮游植物水域。
虽然尿素是优选的氮源，但在上述第二方面的方法中可利用其它化合物(例如，氨)作为氮源。如上所述，不优选诸如氨等化合物，因为它们比尿素难于处理，事实上，它们分类为危险的化学品。然而，在第二方法的一些实施方式中，可以克服这种问题，可从船下的出口鼓泡气态氨而将氨加入透光层。或者，可将溶液中的氨喷洒到海洋表面，进而其沉入透光层，或从船上直接注入透光层中预定的深度。
此外，还可将有帮助的额外大量营养素(例如，磷酸盐)或微量营养素(例如，铁)加入尿素/其它氮源，并递送至透光层，如果确定存在这些营养素能进一步增加浮游植物数量的话。
现在描述在南太平洋进行的上述方法的具体实施方式。
携带40kg袋装尿素的船航行至公海区域以证实上述方法的效用。将尿素(10kg)在60升容器中溶解于取自该区域的海水。过磷酸盐形式的磷也以拉德菲尔德比例(Redfield ratio)溶解于该容器中。所得溶液的密度是1075kg/m3。然后将该溶液自船上倒入海洋。在不同位置重复三次。
为证实含有尿素和过磷酸盐的溶液能有效促进取自这些位置的海水的浮游植物群生长(即，溶解的无机碳转化成有机碳)，从各位置收集两份周围海水的样品。各位置的最初叶绿素浓度为0.25μg/L、0.25μg/L和0.1μg/L。本领域技术人员应知道，海水中的叶绿素浓度较低，可认为这些区域是海洋的“沙漠”区域。
各位置的一份样品给予拉德菲尔德比例的尿素和过磷酸盐，另一份用作对照。使这些样品接触自然阳光，并维持在水浴中4天。该时期结束时，投料瓶中的叶绿素浓度高于对照瓶，表明浮游植物数量增加。
如上所述，第三方面提供产生碳排放额度的方法，包括采用第一或第二方面的方法(例如，上述方法)捕获二氧化碳的步骤。
许多国家根据京都议定书建立了碳抵消市场(carbon offset market)。基本上，产生二氧化碳的工业(例如，矿物燃料燃烧工业)需要通过购买认证的排放降低额度(emission reduction credit)来抵消它们的碳排放。这种排放降低额度可以，例如通过植树或购买“清洁”内源而获得。
可以设想，本文公开的方法可长期用于从大气中捕获二氧化碳，其是抵消工业碳排放的极其有效方法。
本领域技术人员应该知道发明概述所述的方法不受上述具体实施方式的限制。
在随附的权利要求和以上描述中，除了文章中因表达语言或必需的暗示而另有需要外，词语“包含”或其变体，例如“含有”或“包含的”以包含性含义使用，即，指出有所述特征存在，但并不排除在各种实施方式中存在或加入其它特征。