全球水泥的碳吸收作用【Nature Geoscience封面故事】

2016-12-16 08:31 来源: 知社学术圈

中国的房地产业在过去的几十年间蓬勃发展,一幢幢拔地而起的高楼大厦消耗了多少水泥?本文解释了显著的全球水泥碳吸收作用。然而如果水泥的生产也能采用可再生能源,那么中国在低碳化的进程中将迈进大大的一步。

全球水泥的碳吸收作用


水泥是建筑物和基础设施的基本材料,水泥构造的房屋、道路和桥梁也是人类对地球改造的最显著标志。同时,在水泥生产过程中会释放的二氧化碳产生温室效应,显著影响全球气候。除了水泥生产消耗化石能源产生碳排放外,水泥生产过程中作为水泥原料的碳酸岩分解,也会释放大量的二氧化碳,该过程称为水泥生产过程的碳排放,其排放总量占到全球人类活动二氧化碳排放总量的10% 。

12月份的Nature Geoscience封面文章《显著的全球水泥碳吸收作用》,讲述了由由中国科学院沈阳应用生态所郗凤明研究员和加州理工学院刘竹博士带领的多国研究团队,在数年数据调研和实验研究基础上,发现水泥混凝土和砂浆材料在其建筑生命周期中由于风化导致其自身的碳酸氢盐从大气中缓慢吸收二氧化碳的作用。这一过程称为水泥混凝土和砂浆的碳化。

研究显示水泥材料的碳化过程一开始发生于水泥材料和建筑物表面,之后缓慢渗透入水泥材料内部。而在建筑物生命周期终结时,由于建筑物的拆除填埋等导致水泥材料有更多的暴露面积,此时水泥材料的碳化速率还会显著增加。
全球从1930年到2013年的八十多年时间内,全球水泥工业过程二氧化碳排放为381亿吨,而同一时期由于建筑材料的碳化导致的二氧化碳吸收量高达165亿吨,即相当于这个时期内43%的水泥工业过程的二氧化碳排放被使用后水泥材料吸收。从不同的水泥材料来看,水泥砂浆的碳汇量最大。

该论文发表后被《Science》等学术杂志和媒体广泛报道,引起学术界的广泛关注。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告表明,人类活动导致的大量碳排放是全球气候变化主要原因。然而由IPCC发布的国家碳排放核算指南中,并未考虑水泥的碳吸收作用。此次国际团队首次采用生命周期评价和碳化模型方法研究水泥材料的二氧化碳吸收过程和影响因素。目前已知的主要碳汇(碳吸收的载体)均来自于自然生态系统(陆地生态系统和海洋),该研究说明人类产业活动对于全球碳循环过程的巨大影响,人类系统中的建筑物也可形成一个重要的碳吸收汇。同时,科学家和工程师可利用水泥的碳化作用发展碳捕捉和碳封存技术,对废弃混凝土等建筑垃圾作为碳捕捉的碳封存材料提供了一种潜在的方法。

该研究对中国的低碳发展也具有现实意义。中国在2007年左右成为全球碳排放量最大的国家,中国的碳减排行动备受国际关注。

研究显示,从全球不同国家和区域来看,1994年以后,中国超过欧洲成为世界上水泥碳汇量最大的地区。1930年累计至2013年的中国水泥碳吸收量占中国2013年排放总量的50%以上。而相对于西方国家大于70年的建筑平均寿命,研究显示中国的建筑寿命为35年。以当前房地产经济与基础设施建筑在国民经济中的重要地位,提高建筑利用率减少空置,延长建筑使用寿命、增加回收率以加强碳吸收作用,可成为中国低碳发展的重要途径。

需要指出的是,由于水泥生产过程中也消耗了以煤为主的大量化石能源,因此考虑水泥生产的能源消费后,水泥生产仍然是一种高碳排放行业,然而如果可以使用可再生能源或者核能替代水泥生产中的能源消费用能,同时延长建筑寿命,在不影响建筑质量和安全性的前提下提高水泥碳化速率和建筑回收利用率,那么从生命周期来看水泥生产可以成为低排放或者零排放的行业。

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