四川
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近日，大連理工大學蔣蘭蘭教授團隊在Carbon Neutrality上發表綜述論文，系統梳理了CO?水合物封存（HBCS）技術的發展現狀、關鍵機理、影響因素與未來挑戰，明確其作為大規模碳封存補充手段的應用價值，為全球碳封存提供了一定理論參考。
文章亮點
1.多尺度機理解析：從分子、微觀到宏觀系統梳理了CO?水合物從成核、生長到長期穩定的全過程，揭示了水合物在真實海洋多孔介質中的形成機理與穩定性主控因素。
2.真實海洋環境聚焦：突破理想實驗室體系，重點分析了鹽度、粘土、有機質等真實海洋環境因子的影響，創新提出綠色添加劑、CO?乳液注入、煙氣直接封存等技術方案。
3.工程可行性評價：構建了“科學機理-技術效能-環境社會影響-經濟成本”四位一體的評估框架，明確了全球范圍內HBCS的封存潛力地區，提出了HBCS技術商業化面臨的核心挑戰與發展路徑。
內容簡介
全球CO2排放持續增長，尋找高效、安全的碳封存技術已成為應對氣候變化的緊迫任務。在眾多方案中，基于水合物的二氧化碳海底封存（HBCS）技術，憑借其高存儲容量、低泄漏風險和海洋環境自適應性，正成為極具潛力的碳中和技術之一。本綜述圍繞HBCS技術展開全面梳理：首先明確了其“利用海底高壓低溫條件實現CO2固態水合物封存”的核心原理；解析了水合物成核、生長的微觀機制與多尺度穩定性特征；系統分析了海洋環境、外界條件等因素對封存效果的影響；最后結合環境、社會、經濟維度評估技術潛力，并指出了當前挑戰與未來方向。
圖文導讀
結論一
闡明了HBCS技術的關鍵環節。主要包括CO2注入、沉積層內多相流動與界面傳質、CO2水合物成核與生成，以及沉積孔隙中的封存和穩定等。
HBCS的主要封存場地為海洋沉積層中的水合物穩定區，該地區水合物容量大，可滿足CO2長期穩定封存的要求。不同相態CO2（氣態、液態或超臨界態）通過船舶或海底管道輸送至目標海域，通過海洋平臺鉆井注入至海洋沉積層中。注入的CO2和孔隙水通過混合流動不斷接觸，逐漸溶解于孔隙水中，在合適的溫度和壓力條件下發生相變，轉化為固態水合物。隨著反應進行，水合物顆粒有效填充于沉積物孔隙中，形成天然的物理屏障，阻礙CO2遷移和泄露。
圖1. HBCS技術的主要微觀作用機制示意圖，主要包括多相流、相變和孔隙封存過程。
結論二
為應對CO2水合物在海洋環境中的長期穩定性難題，從遞進的三個角度（分子尺度、微觀尺度和宏觀尺度）闡述了水合物穩定性的研究進展，為提高水合物穩定性提供了一定的理論支撐。
在分子角度上，CO2水合物穩定性主要取決于晶體籠占有率等特性。升溫或降壓時會顯著降低水合物晶體強度，進而減弱水合物的穩定性。在微觀角度上，水合物的穩定性主要受晶體結構、分子間相互作用與局部微小環境等因素的影響。宏觀水合物穩定性涉及水合物簇生成、解離或溶解等相行為，可以衡量該技術的長期有效性，其穩定性直接體現宏觀行為上，受溫度、壓力、氣體組成等多種因素影響，重點總結添加劑、氣體成分和多孔介質等因素的研究進展。
圖2. 水合物在各種因素作用下的相行為。（a）小分子氣體N2和熱力學促進劑作用下CO2水合物的相行為。（b）不同類型和粒徑的多孔介質存在下CO2水合物的相行為。
結論三
受限于水合物形成瓶頸，系統總結了海洋環境友好型添加劑強化HBCS技術應用的研究進展。
環境友好型添加劑主要分為氨基酸、生物表面活性劑、木質素磺酸鹽（LSs）和某些生物材料等等，他們對水合物形成動力學均有積極作用。近年來，作為一種可靠且有效的動力學生物促進劑，氨基酸迅速受到歡迎。目前已對氨基酸的促進作用做了比較系統的探索，證明了L-亮氨酸、L-色氨酸和L-蛋氨酸等多種氨基酸的促進作用。其中疏水性氨基酸對水合物形成具有明顯效果，促進機制可以歸結于兩親性。
圖3. 常見環境友好型添加劑的動力學促進結果。
結論四
為推動HBCS技術的實際應用，系統分析了HBCS的環境、社會和經濟效應，同時給出了世界范圍內未來潛在封存地點分布。
首先必須選取合適的海洋存儲地點，這能最大限度減少可能存在的環境問題。否則，可能會造成CO2泄露等重大事故，對人類、海洋生物多樣性和生態系統造成不可逆的傷害。同時需要把握社會和經濟的影響。雖然相關法律政策仍未明確，但有些法律可以提供一定支持，這意味著按照現在政策的發展，HBCS技術將會在未來被大力鼓勵。據初步估算，全球海底沉積物中約可以通過HBCS技術封存100萬億噸CO2。因此，必須考慮分析氣體捕集和壓縮、CO2運輸和CO2注入成本的經濟性。未來需結合海洋環境特征，優化注入工藝，確保封存效率與生態安全的平衡，從而推動該技術從實驗階段邁向規?；瘧谩?/p>
圖4. HBCS技術的環境分析。
圖5. 全球潛在HBCS封存地點及現有碳捕獲與封存（CCUS）項目分布。
總結展望
最后，作者指出HBCS技術作為實現可持續發展目標的潛在碳封存方案，雖具備良好研究基礎，但仍面臨多重挑戰：基礎研究層面，水合物形成速率慢、長期穩定性數據不足且缺乏大規模現場實驗；實際應用中，經濟成本、海洋生態長遠影響尚不明確，相關法律法規與民眾支持的缺失也制約其推廣。為應對這些挑戰，建議探索綠色添加劑與混合氣體注入技術，利用大尺度模擬量化封存潛力，優化CO2運輸環節降低成本，推進現場尺度實驗，同時發展捕集-封存全流程技術，助力其商業化落地與規模化應用。
原文信息
Developments and challenges in hydrate-based carbon dioxide sequestration technology
作者：
Yingying Liu, Lintao Sun, Chang Liu, Tao Yu, Ying Teng, Yi Zhang, Lanlan Jiang* & Yongchen Song*
https://link.springer.com/article/10.1007/s43979-025-00139-6
DOI:
https://doi.org/10.1007/s43979-025-00139-6
Cite this article：
Liu, Y., Sun, L., Liu, C. et al. Developments and challenges in hydrate-based carbon dioxide sequestration technology. Carb Neutrality 4, 27 (2025). https://doi.org/10.1007/s43979-025-00139-6
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通訊作者信息
蔣蘭蘭，大連理工大學海洋能源利用與節能教育部重點實驗室，教授
研究領域
主要從事CO2減排及水合物利用相關研究工作。
個人簡介
蔣蘭蘭，青年長江，國家重點研發計劃青年科學家項目首席科學家，主要從事CO2減排及水合物利用相關研究工作。在Appl. Energ.、Chem. Eng. J.、GRL等領域頂級期刊上發表SCI論文162篇，其中第一或通訊作者91篇，ESI高被引4篇；授權國家發明專利62項、國際發明專利6項，獲教育部自然科學獎一等獎、遼寧省科學技術進步一等獎等省部級獎勵多項。
聯系方式
E-mail: lanlan@dlut.edu.cn
圖文來源：原文作者
編輯：Carbon Neutrality編輯部
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Carbon Neutrality 是由上海交通大學與Springer Nature合作出版的低碳科學與技術、碳金融與碳管理領域的國際跨學科綜合期刊。本刊旨在打造碳中和領域旗艦期刊和國際一流期刊，主要刊載低碳相關領域具有高度原創性、能夠反映學科水平的高質量研究論文和評論性綜述文章，為國內外從事低碳研究的專家學者提供一個專業的國際學術交流平臺。
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