張兵兵，王慧敏，曾尚紅，蘇海全,

（1內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院內(nèi)蒙古自治區(qū)煤炭化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021）

二氧化碳礦物封存技術(shù)現(xiàn)狀及展望

張兵兵1，王慧敏1，曾尚紅2，蘇海全1,2

（1內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院內(nèi)蒙古自治區(qū)煤炭化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021）

面對(duì)溫室效應(yīng)帶來的生態(tài)災(zāi)難，利用各種技術(shù)封存固定CO2成為了關(guān)鍵，CO2礦物封存是其中最環(huán)保、最安全、最永恒的CO2固定方式。本文從封存方案、反應(yīng)機(jī)理及碳化原料三方面詳細(xì)介紹了CO2礦物封存技術(shù)的基本原理，并全面概述了 CO2礦物封存的技術(shù)路線，其中包括直接碳化路線以及以酸浸出工藝、熔鹽碳化工藝、銨鹽浸出工藝以及生物浸出工藝為代表的間接碳化路線。同時(shí)結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展分析了各種 CO2礦物封存技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及其產(chǎn)業(yè)化前景，并提出今后我國(guó) CO2礦物封存技術(shù)研究和發(fā)展應(yīng)更加注重從資源綜合利用的角度考慮，將CO2看做是廉價(jià)碳資源材料，積極推進(jìn)碳捕獲、利用與封存項(xiàng)目的實(shí)施。

二氧化碳；礦物封存；直接碳化；間接碳化

全球大氣層中二氧化碳的平均濃度已經(jīng)從工業(yè)革命前的280 μL/L（體積分?jǐn)?shù)）上升到了2010年的389 μL/L（體積分?jǐn)?shù)）[1]，這遠(yuǎn)超出過去數(shù)十萬年來的自然變化。其中由化石燃料燃燒釋放的 CO2是大氣中溫室氣體濃度升高的主要原因[2]。越來越多的科學(xué)證據(jù)顯示[3]，以 CO2為主的溫室氣體過量排放導(dǎo)致了全球氣候變化。全球氣候變化給自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)生活帶來了不可估量的災(zāi)難：極端天氣、冰川消融、永久凍土層融化、珊瑚礁死亡、海平面上升、生態(tài)系統(tǒng)改變等。因此，積極采取有效措施減緩全球氣候變暖和地球環(huán)境惡化迫在眉睫[4-5]。

2009年12月7日，中國(guó)政府在哥本哈根會(huì)議上做出莊嚴(yán)承諾：2020年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的二氧化碳排放量比2005年下降40%～45%[6]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要尋求有效且低成本的碳減排方案。積極推進(jìn)CO2捕集和封存（carbon dioxide capture and sequestration，CCS）項(xiàng)目是我國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化和巨大能源需求的現(xiàn)實(shí)選擇之一。所謂CCS就是將工業(yè)和能源轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的二氧化碳在排放之前就將其捕集，然后通過管線或者船舶運(yùn)到封存地，壓縮注入到地下深部適宜地層中，或者通過物理、化學(xué)等作用使其長(zhǎng)期與大氣隔離[4]。一個(gè)完整的CCS過程主要由3個(gè)環(huán)節(jié)組成：CO2的捕獲、運(yùn)輸和封存。CCS系統(tǒng)各組成部分的技術(shù)成熟性差別很大，在CCS技術(shù)應(yīng)用乃至推廣的過程中，CO2封存技術(shù)被認(rèn)為是重中之重，是CCS過程的核心[7]。具有潛在應(yīng)用價(jià)值的CO2封存方式包括地質(zhì)封存、海洋封存及礦物封存，其中CO2礦物封存被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的封存技術(shù)[8]。本文作者對(duì)CO2礦物封存技術(shù)的原理和技術(shù)路線進(jìn)行了分析對(duì)比，結(jié)合近年來國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對(duì)將來CO2礦物封存技術(shù)的發(fā)展方向和發(fā)展前景進(jìn)行了評(píng)述。

1 二氧化碳礦物封存的原理

1.1 二氧化碳礦物封存方案概述

CO2礦物封存（也稱礦物碳化封存或礦物碳化固定）主要是模仿自然界中鈣/鎂硅酸鹽礦物的風(fēng)化過程，即利用通常存在于天然硅酸鹽礦石中的堿性氧化物，如氧化鎂和氧化鈣將CO2固化成穩(wěn)定的無機(jī)碳酸鹽從而達(dá)到將CO2固定的目的。其反應(yīng)方程式如式（1）。

CO2礦物碳化的產(chǎn)物是能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定存在的二氧化硅和碳酸鹽，CO2被碳化后很難再被釋放到大氣中，因而對(duì)封存地點(diǎn)沒有要求，且產(chǎn)生的碳化產(chǎn)物還可以進(jìn)一步加以利用（典型的CO2礦物封存方案見圖 1）[4]。與其它封存方式相比，CO2礦物封存有以下優(yōu)點(diǎn)：一是碳酸鹽具有良好的熱穩(wěn)定性及環(huán)境友好性，因此CO2礦物封存是一種環(huán)保、安全、永恒的固定方式；二是CO2礦物封存原料來源豐富、儲(chǔ)量巨大、價(jià)格低廉，具有大規(guī)模固定的潛力和良好經(jīng)濟(jì)效益[7]；更重要的是，使用礦物封存可以將整個(gè)CCS過程（CO2的捕獲、運(yùn)輸、封存）有機(jī)結(jié)合為一個(gè)整體。

圖1 CO2礦物封存方案示意圖

1.2 礦物碳化反應(yīng)機(jī)理

CO2礦物封存的核心是礦物碳化反應(yīng)，即CO2與堿性氧化物生成碳酸鹽的反應(yīng)。礦物碳化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)比較復(fù)雜，以結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的 MgO濕法碳化過程為例，一般認(rèn)為反應(yīng)經(jīng)歷以下幾個(gè)階段[9]。

（1）CO2在溶液中溶解達(dá)到電離平衡見式（2）。

（2）MgO水化電離出鎂離子見式（3）。

（3）鎂離子發(fā)生碳酸化反應(yīng)形成MgCO3沉淀。生成 MgCO3沉淀的途徑有兩種：一種是直接由 Mg2+與 CO32-或者 HCO3-反應(yīng)沉淀出MgCO3，見式（4）、式（5）；另一種是通過中間產(chǎn)物如堿式碳酸鹽將鎂離子轉(zhuǎn)化為MgCO3，見式（6）、式（7）。

其它結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鈣鎂硅酸鹽礦石碳化過程與上述過程類似，也主要經(jīng)歷二氧化碳溶解—→鈣鎂離子從礦石中浸出—→生成碳酸鹽沉淀3個(gè)階段[10]。礦物結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件的不同使得反應(yīng)機(jī)理也存在差異。Guthrie等[11]詳細(xì)分析了含鎂硅酸鹽濕法碳化過程的反應(yīng)速率，指出礦石溶解過程可能是整個(gè)反應(yīng)的決速步。不同的礦石溶解速率差異明顯，如同樣條件下橄欖石的溶解速度明顯比蛇紋石要快。另一影響礦石溶解的重要因素是二氧化硅，隨著礦石的逐步溶解，不溶解的二氧化硅在粒子周圍富集從而影響溶解速度。不過在某些特定條件下，鈣鎂離子發(fā)生碳酸化反應(yīng)生成碳酸鹽沉淀也可能成為主要影響因素，如蛇紋石在高溫下反應(yīng)時(shí)，由于CO32-/HCO3-活度的降低，阻礙了碳酸化反應(yīng)過程中碳酸鎂的結(jié)晶及其晶體的生長(zhǎng)，從而成為整個(gè)反應(yīng)的決速步[12]。

1.3 礦物碳化反應(yīng)原料

自然界中存在的大量含鈣、鎂硅酸鹽礦石，如硅灰石（CaSiO3）、橄欖石（Mg2SiO4）、蛇紋石（Mg3Si2O5(OH)4）等都可作為碳化反應(yīng)原料。相比于直接開采天然礦石，也許更有效的策略是使用工業(yè)廢棄物。表1列出了各種潛在的碳化固定材料在 25 ℃發(fā)生碳化反應(yīng)生成 CaCO3或MgCO3的吉布斯自由能（ΔGr）[13]。從表1可以發(fā)現(xiàn)，從理論上講絕大部分工業(yè)廢棄物比天然礦石更容易與CO2進(jìn)行碳化反應(yīng)。但是熱力學(xué)上認(rèn)為容易進(jìn)行的反應(yīng)在實(shí)際情況下并不一定就容易發(fā)生，碳化反應(yīng)在很大程度上還取決于動(dòng)力學(xué)因素，如溶出速率和活性表面積等，不同的反應(yīng)條件溶出速率可以有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差別，而且礦物中的其它雜質(zhì)也會(huì)影響碳化反應(yīng)的進(jìn)行。與天然硅酸鹽礦石相比，利用工業(yè)廢棄物固定CO2具有原料來源豐富、經(jīng)濟(jì)成本低、反應(yīng)活性高、粒度小無需預(yù)處理、可以回收貴重金屬及其它高附加值產(chǎn)物等優(yōu)點(diǎn)，特別是雜質(zhì)含量較少的工業(yè)廢棄物是理想的碳化固定原料。同時(shí)不少固體廢棄物靠近CO2排放源，如粉煤灰、鋼渣、垃圾焚燒飛灰等，這些都為CO2碳化封存提供了便利條件。

我國(guó)粉煤灰、鋼渣、電石渣等固體廢棄物年排放量已達(dá)到上億噸。因此，以固體廢棄物為原料固定 CO2特別適合我國(guó)現(xiàn)階段的國(guó)情，更有可能在 CO2礦物碳化方向取得突破，早日在我國(guó)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用[14]。

表1 潛在碳化固定材料的碳化固定反應(yīng)及其生成摩爾碳酸鹽的自由能變化（25 ℃，101325 Pa）

2 二氧化碳礦物封存的技術(shù)路線

碳酸鹽的自由能比CO2的低，因此礦物碳化過程從理論上講是可以自發(fā)進(jìn)行的。但在自然界中，這個(gè)反應(yīng)過程非常緩慢。因此，CO2礦物碳化封存技術(shù)的研究重點(diǎn)是尋求工業(yè)上可行的工藝路線。CO2礦物碳化工藝路線一般可分為直接碳化和間接碳化。直接碳化是礦物原料直接與CO2氣體或碳酸進(jìn)行一步碳化反應(yīng)得到碳酸鹽的方法。為了改善直接碳化過程中鈣鎂離子難以溶出的缺點(diǎn)，先使用酸或者其它溶劑快速將礦物原料中的活性成分（Mg2+、Ca2+）浸出，浸出的鈣鎂離子再與CO2進(jìn)行碳化反應(yīng)的方法被稱為間接碳化[10]。

2.1 直接碳化

直接碳化可分為干法和濕法兩大類。CO2氣體直接與礦物原料發(fā)生氣固反應(yīng)的干法路線具有過程簡(jiǎn)單、碳化過程中有可能產(chǎn)生高溫蒸汽或電力等能源的優(yōu)點(diǎn)。但一般需要在高溫高壓下進(jìn)行，反應(yīng)條件苛刻。雖然升高溫度可以提高反應(yīng)速率，但對(duì)反應(yīng)平衡不利[10]。為提高轉(zhuǎn)化率通常采取的方法是增大壓力。Lackner等[15]利用粒徑為50～100 μm的蛇紋石與純CO2（壓力為0.078 MPa）在140～300 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行碳化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在幾天的時(shí)間內(nèi)都沒有明顯的碳化反應(yīng)發(fā)生。即使將CO2壓力增加到34 MPa，碳化反應(yīng)所獲得的最大轉(zhuǎn)化率也僅為30%。利用超臨界CO2與蛇紋石反應(yīng)，反應(yīng)生成的水能溶于超臨界CO2，可大大提高反應(yīng)速率[16]。

直接濕法碳化工藝是將CO2溶于水形成碳酸，在碳酸的作用下使礦石逐步溶解并沉淀出碳酸鹽。該工藝主要包括二氧化碳溶解、鈣鎂離子從礦石中浸出、碳酸鹽沉淀生成3個(gè)過程[10]。在直接濕法碳化過程中，為提高反應(yīng)速率，可以向溶液中添加礦物催化劑，如NaHCO3和NaCl的混合物[17]。NaHCO3的加入增加了溶液中HCO3-的濃度，使碳化反應(yīng)速率加快。NaCl的加入則降低了溶液中Mg2+的活度，從而加速礦石中Mg2+的浸出[18]。Gerdemann等[19]也發(fā)現(xiàn)NaHCO3/NaCl混合溶液對(duì)鎂基硅酸鹽的碳化有明顯的促進(jìn)作用，相反對(duì)鈣基硅酸鹽則幾乎沒有效果。這可能是由于MgCO3的沉淀速率至少比CaCO3低4個(gè)數(shù)量級(jí)的緣故[20]。其它增加反應(yīng)速率的方法還包括加入酸或其它活化劑[21]，或增加一些必要的前處理工序，如將礦石磨細(xì)以增加礦石的表面積[22]。O’Connor等[18]發(fā)現(xiàn)將礦石粒徑從106～150 μm磨細(xì)到小于37 μm時(shí)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率從10%增加到了90%。含鐵化合物易在硅酸鹽顆粒表面形成鈍化層而抑制碳化反應(yīng)，因此利用磁分離技術(shù)除去含鐵化合物也可以增加反應(yīng)速率[12]。盡管通過上述手段可以使CO2碳化反應(yīng)速率達(dá)到工業(yè)化的要求，但仍然存在費(fèi)用高和能耗大等缺點(diǎn)而難以應(yīng)用。因此，目前直接濕法碳化工藝研究仍主要集中在不同工藝條件下碳化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理的闡明[23-24]、前處理技術(shù)的改進(jìn)和工業(yè)廢棄物作為碳化原材料的試驗(yàn)[25-26]。盡管如此，直接濕法碳化工藝仍被廣泛認(rèn)為是未來最有應(yīng)用前景的CO2礦物封存技術(shù)之一[12]。

2.2 間接碳化

間接碳化是先使用媒質(zhì)將礦物原料中的鈣鎂離子浸出，再進(jìn)行碳化反應(yīng)。其優(yōu)點(diǎn)是在碳化沉淀之前將硅、鐵等雜質(zhì)去除從而得到比較純的碳酸鹽[27]。根據(jù)媒質(zhì)的不同，間接碳化工藝路線可以分為酸浸出工藝、熔鹽碳化工藝、銨鹽浸出工藝以及生物浸出工藝[12]。

2.2.1 酸浸出工藝

鹽酸是最早被用于間接碳化工藝的媒質(zhì)，鹽酸浸出工藝主要的反應(yīng)方程式如式（8）～式（11）[28]。

盡管以鹽酸為媒質(zhì)浸出效果非常好，但這一工藝仍然有如下缺點(diǎn)：能耗高；原料中堿金屬含量不能超過1%、會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)鐵的浸出和沉淀。

除了鹽酸，其它一些酸也可以作為間接碳化的浸出劑。Teir等[29]發(fā)現(xiàn)乙酸、硫酸、硝酸、甲酸與鹽酸類似，都能從蛇紋石中浸出 Mg2+。Park等[30]也發(fā)現(xiàn)磷酸（1%）、草酸（0.9%）和EDTA（0.1%）的混合物能夠大大提高蛇紋石中鎂的浸出率。Baldyga等[31]的研究則表明琥珀酸可以高效地從硅灰石中浸出Ca2+。

在酸浸出工藝過程中，由于CO2在酸性條件下溶解性差，所以碳酸鹽沉淀過程通常需要在堿性環(huán)境進(jìn)行[32]。為解決這一問題，Park等[33]提出了pH值調(diào)節(jié)工藝。具體是在酸浸出之后，將體系pH值提高到9.5然后再進(jìn)行碳化沉淀。這樣不僅提高了碳化效率，還可以在碳化沉淀之前即pH值調(diào)節(jié)過程中將雜質(zhì)鐵等除去，最終得到高純度碳酸鹽，提高了工藝的經(jīng)濟(jì)性。Teir等[32]將鹽酸浸出工藝與pH值調(diào)節(jié)相結(jié)合用于蛇紋石固碳試驗(yàn)，最終在實(shí)現(xiàn)鹽酸回收循環(huán)利用的同時(shí)得到了高純度 MgCO3。Kakizawa等[34]使用硅酸鈣為原料、乙酸作為浸出劑，先用乙酸浸出鈣離子并得到沉淀二氧化硅，然后用浸出液與CO2進(jìn)行碳化反應(yīng)并回收得到乙酸。

硅酸鹽礦石中鈣鎂離子的浸出需要在強(qiáng)酸性條件下進(jìn)行，而CO2的水解及碳酸鹽的沉淀通常在堿性條件下才容易進(jìn)行，這一矛盾是影響礦物碳化封存速率和效率的關(guān)鍵。因此，真正切實(shí)可行的CO2礦物碳化工藝是容易形成游離態(tài)的鈣鎂離子同時(shí)也容易形成碳酸根的體系。本文作者課題組提出了一種資源利用率高、能源消耗少、經(jīng)濟(jì)可行的CO2礦物碳化方法，以含方英石雜質(zhì)的天然鈣基膨潤(rùn)土為原料，主要步驟包括分散活化、離子交換、碳酸鹽沉淀分離、堿法分離、碳化反應(yīng)（工藝流程圖見圖2）[35]。本方法的優(yōu)點(diǎn)之一在于使用的原料鈣基膨潤(rùn)土是2∶1型層狀硅鋁酸鹽，片層間吸附了大量可交換的Ca2+。Ca2+與片層的結(jié)合力為弱的靜電作用，很容易通過離子交換產(chǎn)生游離態(tài)的Ca2+。用稀堿溶液對(duì)離子交換反應(yīng)后得到的鈉基蒙脫土進(jìn)行堿提取分離，提取分離后收集的濾液中通入CO2或富CO2氣源進(jìn)行碳化固定反應(yīng)。由于稀堿溶液提取分離后收集的濾液主要成分為硅酸鈉溶液，溶液pH＞11。因此本方法的優(yōu)點(diǎn)之二是在這樣的堿性條件下CO2非常容易水解成碳酸根，且由于體系生成的硅酸容易分解生成二氧化硅，從而大大增加了碳化反應(yīng)的速率及效率。本方法的優(yōu)點(diǎn)之三是碳化反應(yīng)后的壓濾液主要為碳酸鈉溶液，可直接作為離子交換反應(yīng)的改型劑，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。

圖2 CO2封存與富含方英石膨潤(rùn)土提純相結(jié)合工藝流程圖

2.2.2 熔鹽碳化工藝

熔鹽碳化工藝是為解決鹽酸浸出工藝能耗高的缺點(diǎn)而提出的，即將鹽酸浸出工藝中的鹽酸用可以循環(huán)使用的熔鹽MgCl2·3.5H2O代替。熔鹽碳化工藝主要反應(yīng)方程式見式（12）～式（15）。

與以鹽酸為媒質(zhì)相比，熔鹽碳化過程水蒸發(fā)量減少，有效降低了能耗。然而熔鹽MgCl2·3.5H2O本身的腐蝕性以及操作困難等缺點(diǎn)難以克服，這使得熔鹽碳化工藝的工業(yè)應(yīng)用前景渺茫[10,12]。

2.2.3 銨鹽浸出工藝

銨鹽浸出工藝是利用NH3以及NH4Cl、(NH4)2SO4、NH4NO3等銨鹽作為浸出媒質(zhì)的方法[12]。為解決濕法碳化工藝過程中礦石浸出需要酸性條件而碳酸鹽沉淀過程又需要堿性環(huán)境的問題，Kodama等[36]巧妙地使用NH4Cl作為浸出媒質(zhì)進(jìn)行體系pH值的調(diào)節(jié)與控制，并在碳化過程中實(shí)現(xiàn)了NH4Cl的再生，主要反應(yīng)方程式見式（16）、式（17）。

圖3 銨鹽循環(huán)與pH值調(diào)節(jié)相結(jié)合的CO2礦物封存工藝流程圖

在Ca2+浸出的過程中，NH3的形成使得體系pH值逐漸升高從而促進(jìn)了碳化過程中沉淀的形成，因此銨鹽浸出工藝的鈣浸出率可以高達(dá)99% 。Wang等[37]提出了一種銨鹽循環(huán)與pH值調(diào)節(jié)相結(jié)合的間接碳化工藝，見圖3，發(fā)現(xiàn)使用NH4HSO4可以顯著提高蛇紋石中鎂的浸出率，濃度為 1.4 mol/L的NH4HSO4在100 ℃下3 h的鎂浸出率達(dá)到100%。更重要的是這一工藝還可將循環(huán)氨水用于電廠CO2的捕獲。雖然該工藝還沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是銨鹽浸出工藝是一種很有應(yīng)用前景的礦物碳化技術(shù)。

2.2.4 生物浸出工藝

生物浸出工藝是利用細(xì)菌作為浸出媒質(zhì)的方法[38]，即將鈣鎂硅酸鹽、酸生成基質(zhì)（如硫化物或單質(zhì)硫）、化能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌（如嗜酸氧化亞鐵硫桿菌或氧化硫硫桿菌）結(jié)合起來用于固定CO2的方法。生物浸出工藝的原理是：化能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌能夠在氧化亞鐵離子或還原態(tài)硫的同時(shí)產(chǎn)生代謝副產(chǎn)物硫酸。因此酸生成基質(zhì)可以為化能無機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌提供食物，而細(xì)菌產(chǎn)生的硫酸則可將礦物原料中鈣鎂離子浸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)碳化固定[39]。目前生物浸出工藝還無法達(dá)到與其它間接碳化工藝相當(dāng)?shù)姆磻?yīng)速率，但生物浸出工藝代表了一種創(chuàng)新的、低成本的、可持續(xù)發(fā)展的碳化工藝。隨著生物浸出工藝的進(jìn)一步發(fā)展，可能在將來用于硫化礦物采選尾礦的存儲(chǔ)、固碳等領(lǐng)域[12]。

3 二氧化碳礦物封存的前景展望

從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，發(fā)展CO2礦物封存技術(shù)是碳減排的最佳選擇。國(guó)內(nèi)外許多研究者對(duì)CO2礦物封存進(jìn)行了深入的研究。以各種天然礦物及固體廢棄物為原料進(jìn)行礦物碳化研究的主要工藝過程及研究結(jié)果見表 2。不難看出，許多方法包括直接和間接的工藝路線都可以被用來實(shí)現(xiàn)CO2礦物碳化。直接濕法碳化工藝及以酸或銨鹽為浸出劑的間接碳化工藝都顯示出了很大的產(chǎn)業(yè)化潛力。盡管經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)已經(jīng)將CO2碳化反應(yīng)時(shí)間由過去的幾十小時(shí)縮短至幾小時(shí)以內(nèi)，反應(yīng)壓力也由100多個(gè)大氣壓減至幾十個(gè)大氣壓，且轉(zhuǎn)化率也有明顯提高。但對(duì)目前研究較多的橄欖石、蛇紋石、硅灰石等鈣/鎂硅酸鹽天然礦物來說，其結(jié)構(gòu)中鈣鎂離子的浸出仍需要高溫、高壓、長(zhǎng)時(shí)間、高能耗等苛刻條件，而且還需要處理封存后的大量污染物及廢棄物，同時(shí)礦山開采對(duì)生態(tài)資源的破壞也不容忽視。與天然礦物相比，工業(yè)廢棄物的反應(yīng)活性更好、所需要的反應(yīng)條件要溫和得多。但是工業(yè)廢棄物也存在原料來源復(fù)雜、組成不確定、碳化機(jī)理不明確等問題，距離實(shí)現(xiàn)工業(yè)化仍有待時(shí)日。因此，目前CO2礦物碳化固定技術(shù)還主要停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。未來的發(fā)展方向應(yīng)該是進(jìn)一步探明不同原料及工藝的碳化反應(yīng)機(jī)理、優(yōu)化工藝過程以降低資源能源消耗，同時(shí)設(shè)計(jì)得到高附加值的副產(chǎn)物以降低工藝經(jīng)濟(jì)成本。

4 結(jié) 語

從理論上講，CO2封存技術(shù)是一種相對(duì)經(jīng)濟(jì)、有效的碳減排策略。對(duì)我國(guó)而言，需要制定適合我國(guó)國(guó)情的碳封存方案，特別需要加強(qiáng)礦物封存這一適合我國(guó)發(fā)展的CO2封存技術(shù)的研究與應(yīng)用[59]。我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，切合實(shí)際的做法是將經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)與CO2封存相結(jié)合。因此對(duì)于CO2礦物封存技術(shù)的發(fā)展而言，還需進(jìn)一步深入研究礦物封存的機(jī)理，研究提高礦物碳化反應(yīng)速率的方法，優(yōu)化工藝過程，研究過程集成技術(shù)。為了盡可能地降低成本，并從能量和物料集成方面考慮，將來可行的策略是將CO2捕獲與CO2礦物封存有機(jī)耦合、將CO2的固定與現(xiàn)有工業(yè)過程結(jié)合，以達(dá)到優(yōu)化反應(yīng)流程、降低生產(chǎn)成本的目的，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益的雙贏，為真正實(shí)現(xiàn)CO2礦物封存工業(yè)化奠定基礎(chǔ)。溫室氣體的利用與封存并舉、減排與效益雙贏，在CO2的高效利用過程中實(shí)現(xiàn)其永久封存，是我國(guó)履行CO2減排義務(wù)最現(xiàn)實(shí)的選擇[60-61]。從目前我國(guó)的發(fā)展形勢(shì)來看，需要更加注重從資源綜合利用的角度考慮，將CO2看做是取之不盡、用之不竭的廉價(jià)碳資源材料，積極推進(jìn)碳捕獲、利用與封存（carbon capture,utilization and sequestration，CCUS）項(xiàng)目的實(shí)施[62]，才是實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳減排目標(biāo)的可行之道。

表2 各種碳化固定材料的碳化工藝條件及結(jié)果

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Current status and outlook of carbon dioxide mineral carbonation technologies

ZHANG Bingbing1，WANG Huiming1，ZENG Shanghong2，SU Haiquan1,2
（1School of Life Science, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, Inner Mongolia，China；2Inner Mongolia Key Laboratory of Coal Chemistry, School of Chemistry and Chemical Engineering, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, Inner Mongolia，China）

Facing the ecological disaster caused by greenhouse effect, the key is to seal the huge carbon dioxide using various CO2storage technologies. Carbon dioxide mineral sequestration is one of the most environment-friendly, secure and permanent technology. This paper introduces the basic principle of CO2mineral carbonation in terms of sequestration solutions, reaction kinetics and carbonation materials, and various process routes of CO2mineral carbonation are described, including direct mineral carbonation and indirect mineral carbonation, such as acid extraction, molten salt process,ammonia extraction and bioleaching. Meanwhile, combined with the research and development of CO2mineral carbonation techniques both in China and the rest of the world, the advantages and disadvantages of present researches and commercialization prospect are also discussed. Moreover, it is proposed that the next key point of research and development of CO2mineral carbonation techniques is to pay more attention to resources utilization, regarding CO2as cheap carbon source, and promoting carbon capture, utilization and sequestration (CCUS) project.

carbon dioxide；mineral carbonation；direct carbonation；indirect carbonation

X-1；TQ 127.1+3

：A

：1000-6613（2012）09-2075-08

2012-03-09；修改稿日期：2012-03-23。

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（2010ZD01）。

張兵兵（1983—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)槲廴旧鷳B(tài)學(xué)。聯(lián)系人：蘇海全，院長(zhǎng)，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槟茉辞鍧嵗门c生態(tài)環(huán)境材料。E-mail haiquansu@yahoo.com。