18世紀至今，全球氣候正在逐漸升溫。爲應對氣候變遷，世界各國積極尋求減緩溫室氣體排放的方法。二氧化碳捕獲與封存(簡稱碳捕存)，是有效且技術較成熟的二氧化碳減排措施之一。碳捕獲技術，指的是將工廠等排放源所產生的二氧化碳捕獲，運輸到封存場址進行封存，使二氧化碳與大氣長期隔絕的過程。其中，最有潛力的二氧化碳封存方式為地質封存。

二氧化碳地質封存技術，將二氧化碳注入到地層的封閉構造中，包括：耗竭油氣層、鹽水層或煤層等，讓二氧化碳封存於地層孔隙內。因此，為了使二氧化碳安全的封存於地層孔隙內，需要了解二氧化碳於地下的流動行為。

安全的二氧化碳封存場址

安全的二氧化碳封存場址，需選擇深度在800 公尺以上的地層，其地層溫度及壓力大於二氧化碳的臨界溫度及壓力(31℃、7.4 MPa)，使二氧化碳為超臨界態，物理性質介於氣、液兩相之間，具有與氣體相似的低黏度及接近液體的高密度，表面張力極低，易滲入地層孔隙中。

將二氧化碳加壓，使注入壓力高於目標地層，從灌注井注入目標地層中，因注入壓力與地層壓力間的壓力差，因而產生流動，推動原先存在於地層孔隙裡的水，使水被排掃開，形成二氧化碳團塊向井的周圍移棲。二氧化碳於地下的流動，會受到地層溫度、壓力、地層水、岩石顆粒、礦物成分等多重因素的影響，進而發生化學反應，轉變為不同的封存相態，稱之為封存機制。

構造封存

由於超臨界二氧化碳密度比地層水低，在二氧化碳團塊側向移棲的同時，會因浮力而向上漂浮，在遇到上方的蓋岩層(阻隔層)後，二氧化碳被阻擋在蓋岩層下，只能沿著蓋岩層側向移棲，形成類似漏斗狀的形狀，並因地質構造封閉或是停止注入而停止移棲，使二氧化碳以超臨界狀態封存於地質構造內。

殘餘氣封存

二氧化碳移棲時，岩石孔隙內的地層水會被二氧化碳置換。由於毛細效應的影響，在二氧化碳繼續移棲時，會有部分地層水退回原本的孔隙內，讓部分二氧化碳被地層水包圍拘束住，失去流動性而被封存在孔隙空間之內。

溶解封存

二氧化碳團塊與地層水的交界處，由於浮力的影響，二氧化碳團塊的形狀如羽毛狀，並因為二氧化碳與水的接觸，使二氧化碳溶解於地層水中，而溶解二氧化碳之地層水密度提升，接著因重力而沉降於地質構造底部。

礦化封存

隨著封存時間的增加，溶解的二氧化碳會與鹽水層內的礦物起交互作用，依據pH值及礦物組成的不同，部分二氧化碳溶於鹽水中開始解離成離子，以碳酸根離子或碳酸氫根離子存在於鹽水中，而部份礦物則會與二氧化碳反應，形成碳酸鹽類礦物沉澱。二氧化碳以離子態或固態礦物的形式進行封存。

在四種封存機制中，安全性最高的機制為礦化封存，其次為溶解封存及殘餘氣封存，構造封存的安全性最差。根據IPCC (2005)報告中的《二氧化碳封存比例隨時間變化圖》表示，於封存初期，二氧化碳以構造封存為主，漸漸轉變為較安全的殘餘氣封存及溶解封存，到數千年之後，會逐漸轉變為礦化封存，使二氧化碳以碳酸鹽的形式封存於地下。因此，在停止注入後，二氧化碳封存的安全性會隨著封存時間而提升。

整體來說，二氧化碳因注入壓力與地層壓力間的壓力差，而產生流動，並因浮力作用，而使二氧化碳團塊上浮，被蓋岩層阻隔二氧化碳於地層構造內，讓二氧化碳填充於地層孔隙內，並因殘餘氣封存、溶解封存、礦化封存機制逐漸作用，而由超臨界態逐漸轉變為溶解相、離子相、礦物相，而安全的封存於地質構造內。

（本文由科技部補助｢新媒體科普傳播實作計畫｣執行團隊撰稿）

審校：沈建豪