作為新樹木的鉆石

全球氣候變化已成為當(dāng)代最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。大氣中二氧化碳（CO₂）濃度的增加加劇了溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球氣溫升高。盡管政客們夸夸其談，環(huán)�；顒�(dòng)家們也不遺余力，但氣溫仍在持續(xù)上升。人們正在開發(fā)創(chuàng)新方法來應(yīng)對(duì)這一現(xiàn)象，但當(dāng)今人工利用 CO₂的技術(shù)過于昂貴，只能在非常有限的范圍內(nèi)應(yīng)用。不過，在某些領(lǐng)域，大自然本身--更確切地說，是地球底土--提供了一種解決方案。一組俄羅斯研究人員最近的研究發(fā)現(xiàn)，開采鉆石的礦石金伯利巖是一種很好的二氧化碳吸收劑。這種特性在加工廠用水加工礦石時(shí)表現(xiàn)得淋漓盡致。這一發(fā)現(xiàn)不僅有可能減少碳足跡，還促使我們重新審視天然鉆石原石和拋光鉆石在解決環(huán)境問題方面的價(jià)值。

什么是金伯利巖及其開采方法

金伯利巖是一種與鉆石礦藏密切相關(guān)的火成巖。幾億年前，它在地球地幔深處 200 千米處的高壓和高溫下形成。當(dāng)熔融的金伯利巖漿上升到地表時(shí)，會(huì)冷卻并形成金伯利巖管道，這些管道可以延伸到幾公里深的地方。

這種礦物是以南非金伯利鎮(zhèn)的名字命名的，19 世紀(jì)在這里發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)大型寶石礦藏。在此之前，鉆石主要是從印度戈?duì)柨颠_(dá)地區(qū)和巴西的沖積礦床中開采出來的。20 世紀(jì) 50 年代中期，蘇聯(lián)發(fā)現(xiàn)了第一批金伯利巖管，當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)急需可靠的鉆石來源用于工業(yè)目的。如今，俄羅斯在金伯利巖開采方面處于全球領(lǐng)先地位。這種含鉆石巖石的主要礦藏位于雅庫特（西伯利亞）和俄羅斯西北部，特別是阿爾漢格爾斯克州。這里每年加工數(shù)千萬噸金伯利巖，出產(chǎn)的鉆石約占世界鉆石總量的四分之一。

在俄羅斯，金伯利巖管采用露天或地下方式開采。從露天礦或地下礦開采出的有價(jià)值巖石被運(yùn)往工廠，在那里采用濕法工藝技術(shù)。礦石用水粉碎，從較小的碎石中提取寶石。平均而言，一噸礦石含有約一克拉鉆石，相當(dāng)于0.2克。之后，被粉碎的廢石會(huì)以濕的形式被運(yùn)到被稱為尾礦坑的特殊儲(chǔ)存區(qū)。

雅庫特金伯利巖的獨(dú)特性質(zhì)

金伯利巖屬于堿性超基性巖。除了作為鉆石來源的價(jià)值外，它還含有多種礦物，包括橄欖石、輝石等，這些礦物都能與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。吸收二氧化碳的關(guān)鍵機(jī)制是碳化作用，即二氧化碳與金伯利巖中的礦物相互作用形成穩(wěn)定的碳酸鹽化合物的過程。原始礦物（如橄欖石、輝綠巖和鱗片輝石）捕獲二氧化碳，形成鈣鎂碳酸鹽，這是地球沉積巖的基礎(chǔ)。這一過程使碳幾乎永遠(yuǎn)以穩(wěn)定的形式被“鎖住”。這種方法比樹木吸收二氧化碳要可靠得多，因?yàn)闃淠究赡軙?huì)燃燒，而石灰石不會(huì)。

碳化過程的強(qiáng)度在很大程度上受金伯利巖中二氧化硅含量的影響：源巖中石英含量越高，與二氧化碳反應(yīng)的能力就越低。相反，原始金伯利巖中橄欖石、輝綠巖和輝石等超基性礦物含量越高，其吸收能力就越強(qiáng)。而這些礦物的含量又取決于金伯利巖管中的礦石在古生代中期形成以來的3億至3.5億年中保持其原始化學(xué)成分的程度。在金伯利巖管受到地下水和地表水?dāng)y帶的CO₂嚴(yán)重影響的地方，礦石的礦物成分可能會(huì)發(fā)生巨大變化（如非洲的一些鉆石礦床），導(dǎo)致今天的吸收潛力較低。然而，在金伯利巖管長(zhǎng)期處于相對(duì)惰性條件下的地方（如俄羅斯遠(yuǎn)北地區(qū)），礦石最大限度地保留了橄欖石和輝綠巖。這種金伯利巖管最顯著的例子是雅庫特的鉆石礦床，自形成以來的數(shù)百萬年中，其化學(xué)變化微乎其微。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了什么？

超基性巖吸收大氣中 CO₂的能力早已為人所知，科學(xué)文獻(xiàn)中時(shí)不時(shí)就會(huì)提到這種能力。然而，這種現(xiàn)象并沒有實(shí)際意義，就金伯利巖而言，主要是在勘探鉆石礦藏的背景下進(jìn)行研究的。最近，科學(xué)家們開始探索金伯利巖在促進(jìn)實(shí)現(xiàn)環(huán)境和氣候目標(biāo)方面的潛力。俄羅斯研究人員在這一領(lǐng)域取得的進(jìn)展最大，因?yàn)樗麄兊哪繕?biāo)是對(duì)二氧化碳吸收量進(jìn)行量化評(píng)估，并確定有助于提高吸收強(qiáng)度的因素。

2021-2023 年，包括莫斯科國(guó)立羅蒙諾索夫大學(xué)科學(xué)家在內(nèi)的一個(gè)研究小組在雅庫特和阿爾漢格爾斯克地區(qū)對(duì)通過加工過的金伯利巖進(jìn)行碳化來補(bǔ)償溫室氣體排放的潛力進(jìn)行了全面研究。

研究的重點(diǎn)是從金伯利巖管道中獲取的原礦芯樣本，以及在加工和鉆石提取后送往尾礦坑儲(chǔ)存的礦石加工產(chǎn)品。將存放在尾礦坑中1個(gè)月至10年的樣本的化學(xué)成分與從井中獲取的原礦芯樣本的化學(xué)成分進(jìn)行了比較。采用了多種分析方法，包括紅外光譜、CHN元素分析、X射線衍射光譜等。研究結(jié)果表明，在數(shù)年的時(shí)間里，水和大氣中的 CO₂對(duì)原礦造成了化學(xué)變化。

實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)，加工后的巖石樣本中的碳化產(chǎn)物只能通過在加工階段吸收大氣中的CO₂并隨后儲(chǔ)存在尾礦坑中而形成。實(shí)驗(yàn)證明，這種反應(yīng)實(shí)際上是立即開始的，即在采出的金伯利巖首次與空氣接觸時(shí)就開始了，在尾礦坑儲(chǔ)存加工過的金伯利巖的第一年吸收的二氧化碳量最大。

科學(xué)家們認(rèn)為，除了雅庫特金伯利巖的獨(dú)特性質(zhì)外，還有其他一些因素增強(qiáng)了它們?cè)诠�業(yè)加工過程中吸收二氧化碳的能力。

首先，俄羅斯加工廠對(duì)開采出的礦石進(jìn)行初步處理時(shí)，需要使用大量的大型滾筒研磨機(jī)。由于二氧化碳在水中的溶解度遠(yuǎn)高于其在空氣中的濃度，因此這些水可作為輸送二氧化碳的介質(zhì)。

其次，二氧化碳和其他氣體的溶解度取決于溫度：水越冷，溶解度越大。因此，雅庫特惡劣的氣候加速了這一過程。

對(duì)雅庫特金伯利巖的研究結(jié)果超出了最大膽的預(yù)期，每噸加工礦石平均吸收82千克二氧化碳。這意味著，僅一輛礦車中的礦石就足以吸收10,000人每天呼出的二氧化碳或一輛沿赤道環(huán)游地球的汽油汽車所產(chǎn)生的二氧化碳。

前景

技術(shù)監(jiān)督組織目前正在核實(shí)俄羅斯研究人員獲得的數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)。也就是說，俄羅斯金伯利巖每年有可能吸收250萬至300萬噸二氧化碳，這比開采、加工和生產(chǎn)鉆石產(chǎn)生的二氧化碳當(dāng)量溫室氣體排放量高出1.5倍。

與全球各地申報(bào)和實(shí)施的其他CCS（碳捕集與封存）項(xiàng)目相比，金伯利巖項(xiàng)目因其成本效益而具有巨大優(yōu)勢(shì)。其他碳捕集與封存技術(shù)大多依靠將超基性巖中的氣態(tài)二氧化碳溶解在水中并注入500米深的玄武巖儲(chǔ)層中，從而使其礦化，這需要耗費(fèi)大量能源。Orca Carbfix是瑞士氣候工程公司在冰島世界上最大的地?zé)岚l(fā)電廠所在地實(shí)施的最成功的項(xiàng)目，需要大量的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)稱，二氧化碳捕獲成本超過每噸幾百美元，目標(biāo)（使其具有競(jìng)爭(zhēng)力）是每噸二氧化碳 100-150 美元。由于金伯利巖會(huì)自然吸收二氧化碳，相關(guān)成本在經(jīng)濟(jì)上是可行的，因?yàn)樗鼈兪倾@石生產(chǎn)的固有成本。這使得該技術(shù)成為全球最有前景的技術(shù)之一。

我們能加強(qiáng)對(duì)二氧化碳的吸收嗎？

簡(jiǎn)而言之，可以。尾礦坑具有吸收二氧化碳的巨大潛力，因?yàn)槲驳V坑的設(shè)計(jì)和目前的用途都是為了其他目的。研究人員提出了幾種旨在改變尾礦化學(xué)和物理特性的方法�；瘜W(xué)方法包括根據(jù)加工的礦石對(duì)尾礦進(jìn)行分類、添加碳酸鈣（CaCO3）和尾礦澆水，而物理解決方案則是對(duì)退役尾礦坑進(jìn)行疤痕處理和延遲復(fù)墾。這兩類方法都能提高對(duì)二氧化碳的吸收。

結(jié)論

俄羅斯研究人員的研究開啟了以環(huán)保方式利用自然資源的新機(jī)遇。他們的研究結(jié)果證明，開采和加工的金伯利巖吸收二氧化碳的潛力可能是開采和鉆石生產(chǎn)過程中溫室氣體排放量的數(shù)倍，從而將鉆石轉(zhuǎn)化為完全碳中和的產(chǎn)品。隨著全球?qū)�綠色工業(yè)產(chǎn)品的關(guān)注，這些研究可能會(huì)嚴(yán)重改善全球?qū)μ烊汇@石的看法，并提高其對(duì)消費(fèi)者的價(jià)值。此外，這項(xiàng)研究還可能促使其他銅礦和鎳礦開采者研究各種超基性巖礦物的吸收潛力。

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