Hoe oceanen CO2 uit de lucht opnemen

Een van de vele maatschappelijke problemen is de hoeveelheid broeikasgassen die in de lucht hangen. De aandacht is voornamelijk gericht op koolstofdioxide, CO2, vanwege de enorme aanwezigheid van dit gas. In grote steden in de wereld, zoals Beijing, Los Angeles en São Paulo, is CO2 deel van deze dikke laag luchtvervuiling. Er zijn al bekende manieren om de hoeveelheid CO2 te verminderen. Eén van deze manieren is fotosynthese, die planten uitvoeren. Maar er is nog een manier: de oceanen.

CO₂

Koolstofdioxide is een broeikasgas dat warmte heel goed vasthoudt. Dit is de reden dat mensen koolstofdioxide associëren met de opwarming van de aarde. Koolstofdioxide wordt in de maatschappij voornamelijk gevormd door het verbranden van brandstof, het uitademen door en de flatulentie (darmgassen) van mensen en dieren. Hierdoor neemt de concentratie CO₂ in de lucht toe, wat bijdraagt aan de opwarming van de aarde. Er zijn enkele biochemische mechanismen die ervoor zorgen dat er niet te veel CO₂ in de lucht komt. Een mechanisme hiervoor is fotosynthese. De oceanen zelf spelen ook een rol in de verwerking van CO₂.

Oceanen

Voorbeelden van wat oceanen kunnen doen met betrekking tot koolstof zijn de White Cliffs in Dover. De creatie van deze kliffen door de oceanen heeft enkele miljoenen jaren gekost. Na de creatie van deze kliffen daalde de zeespiegel waardoor de kliffen zichtbaar werden. Onderzoek heeft uitgewezen dat het grootste deel van de klif uit calciumcarbonaat (CaCO₃) bestaat. Calciumcarbonaat wordt door de oceaan aangemaakt en ook opgeslagen, waardoor de lucht wordt ontdaan van koolstofdioxide, CO₂.

Omzetting van CO₂ naar CaCO₃

De oceaan kan CO₂ aan de lucht onttrekken door een heel natuurlijk proces: het oplossen. CO₂ lost in enige mate op in water, waarmee het een reactie aangaat. Omdat de omstandigheden niet optimaal zijn voor deze reactie om geheel aflopend te zijn, stelt zich een evenwicht in. Het reactieproduct is dan koolzuur, H₂CO₃. Deze reactie ziet er als volgt uit:

CO₂ (aq) + H₂O (l) ↔ H₂CO₃

Koolzuur is een tweewaardig zwak zuur, dat wil zeggen dat koolzuur twee waterstofionen kan afstaan in een evenwichtsreactie. Van deze eigenschap wordt gebruik gemaakt in de oceaan: het opgeloste koolzuur scheidt in de eerste reactie een waterstofion af aan het water, wat daardoor een lagere pH krijgt door de vorming van hydronium, H₃O⁺. Deze reactie gaat als volgt:

H₂CO₃ + H₂O (l) ↔ HCO₃^- (aq) + H₃O⁺ (aq)

In dit evenwicht zijn de reactieproducten hydronium (H₃O⁺) en het waterstofcarbonaat-ion (HCO₃^-). Vanwege de eigenschap dat koolzuur een zwak zuur is, stelt zich een evenwicht in. Maar ook vanwege de eigenschap dat koolzuur een tweewaardig zwak zuur is, zal zijn geconjugeerde base, het waterstofcarbonaat-ion, ook een waterstofion afstaan. Hieruit volgt dat de vorming van hydronium voortzet en de vorming van een ander ion, het carbonaat-ion (CO₃^2-), begint.

In de oceanen is van nature veel opgelost calcium (Ca²⁺ (aq)) aanwezig. Dit opgelost calcium gaat een reactie aan met het gevormde carbonaat, waardoor het zout calciumcarbonaat wordt gevormd. Dit is een witte, onder normale omstandigheden onoplosbare stof. De reactie voor de vorming van calciumcarbonaat is als volgt:

Ca²⁺ (aq) + CO₃^2- (aq) → CaCO₃ (s)

Dit is een aflopende reactie, omdat calciumcarbonaat onoplosbaar is onder normale omstandigheden. Het zout (een binding tussen een metaal en een niet-metaal) zinkt langzaam naar de bodem, waar laag voor laag het calciumcarbonaat wordt geplaatst.

De effecten van maritieme opname van CO₂

De opname van CO₂ door de oceanen doet de lucht veel goed. De kwaliteit van de lucht gaat erop vooruit en een onschadelijke stof, calciumcarbonaat, wordt gevormd. Toch heeft dit schadelijke effecten voor de oceaan zelf. In de reactie was te zien dat hydronium werd gevormd, H₃O⁺. Dit ion is verantwoordelijk voor de verzuring van de oceanen, wat de pH doet verlagen. Dit is uiterst schadelijk voor het maritieme leven, wat tot een bepaalde pH zonder schadelijke effecten kan leven. De verzuring van oceanen wordt om die reden gezien als even slecht als de opwarming van de aarde door CO₂. In tegenstelling tot de menselijke uitstoot van CO₂ valt de maritieme opname van CO₂ niet te stoppen. De opname van CO₂ door oceanen is een natuurlijk scheikundig proces dat de oceaan geheel autonoom uitvoert, waardoor inmenging van de mens uitgesloten is.

Mogelijke omkering

Toch is er een mogelijkheid om dit proces terug te keren. Het feit is dat de opname van CO₂ door de oceanen een evenwichtsreactie is waarbij de concentratie CO₂ in het water en de lucht in evenwicht moeten zijn. Op het moment dat de concentratie van CO₂ in de lucht lager is dan gunstig voor een evenwicht, zullen de oceanen dit tegenwerken en het koolzuur weer bevrijden als CO₂, waardoor de pH van het water stijgt en het evenwicht weer gunstig is. Oftewel, de enige manier om de verzuring van de oceanen tegen te gaan is door de concentratie CO₂ in de lucht te verminderen. Dit zorgt weer voor een verminderd broeikaseffect, waardoor de ijskappen minder snel smelten en de zeespiegel minder snel stijgt. Twee vliegen in één klap.