富鎂尾礦封存二氧化碳的實驗地球化學研究

王 晗，朱 辰，張猛龍，趙 良

表生地球化學教育部重點實驗室，南京大學地球科學與工程學院，南京210023

1 前言

人類社會大量利用化石燃料，造成大氣中的二氧化碳氣體濃度不斷升高，全球氣候變化異常。為應對氣候變化，中國在第十三個五年規(guī)劃中提出，推動二氧化碳排放在2030 年左右達到峰值并爭取盡早達峰。此外，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）指出，為了避免氣候變化的最壞影響，本世紀全球平均氣溫升幅要控制在工業(yè)革命前水平2℃以內(nèi)，同時努力將其限制在1.5℃（Masson-Delmotte et al.,2018）。二氧化碳礦物封存因其具有長期穩(wěn)定性和安全性，成為二氧化碳減排的研究熱點。

礦物封存這一概念首先由Seifritz（1990）提出，指人為加速自然界中硅酸鹽風化這一過程，使二氧化碳與礦物中的金屬離子（主要是鎂、鈣）反應生成穩(wěn)定的碳酸鹽礦物。硅酸鹽是常見的鎂、鈣來源。對蛇紋石（Mg3Si2O5(OH)4）、橄欖石（Mg2SiO4） 和硅灰石 （CaSiO3）（Lackner et al.,1995; Huijgen et al., 2006; Gerdemann et al., 2007;H?nchen et al., 2008; Olajire, 2013）等礦物的研究表明，礦石顆粒大小是影響礦物碳酸鹽化速率的重要因素（Sanna et al., 2014）。 O’Conner 等（2000）研究了粒度對反應速率的影響，當?shù)V物粒度從150 um 減小到37 um，礦物轉(zhuǎn)化程度可以從10%增加到90%。但這一過程需要消耗大量的能量，從而使二氧化碳礦物封存能耗和成本顯著增加（Kemache et al.,2016）。

除了自然礦物，富含鎂鈣元素的工業(yè)廢料和副產(chǎn)物也是很好的礦物封存原料（Bobicki et al.,2012）。工業(yè)廢料具體可以分為：鋼渣（Huijgen et al.,2005;Bonenfant et al.,2008）、水泥渣（Huntzinger et al.,2009;Gunning et al.,2010）、礦業(yè)廢料（石棉尾礦（Wilson et al., 2009; Larachi et al., 2010）、鎳礦尾礦（Teir et al.,2009）、紅泥（Yadav et al.,2010等）、飛灰（城市固體廢棄物（Li et al.,2007）、粉煤灰 （Uliasz-Bocheńczyk et al., 2009）、油頁巖灰（Uibu et al., 2010））等；工業(yè)副產(chǎn)物具體可以分為：工業(yè)堿性廢水（含Ca(OH)2、Mg(OH)2、NaOH）、磷酸工業(yè)廢料磷石膏（Bin et al.,2014;劉項和孫國超,2015）、鹽湖廢棄鎂鹽（謝和平等,2014）等。……