现代化工

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (10) : 86-91. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.10.016

技术进展

二氧化碳矿化技术现状与发展趋势

李志林 ¹^,² ,
刘琦 ² ,
薛明 ¹ ,
杨术刚 ¹ ,
蔡明玉 ¹ ,
张坤峰 ¹ ,
陈泉 ¹ ,
刘双星 ¹^,²^,^*

作者信息 +

Current status and development trends of carbon dioxide mineralization technology

LI Zhi-lin ¹^,² ,
LIU Qi ² ,
XUE Ming ¹ ,
YANG Shu-gang ¹ ,
CAI Ming-yu ¹ ,
ZHANG Kun-feng ¹ ,
CHEN Quan ¹ ,
LIU Shuang-xing ¹^,²^,^*

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文章历史 +

Received		Published
2025-12-01		2026-10-20
Issue Date	Revised Date
2026-10-14	2025-12-01

PDF (1345K)

摘要

综述了天然矿物、工业固废、原位及生物矿化等主要技术路线的最新进展与工程实践,深入剖析了其在反应速率、能耗成本及规模化应用方面的技术瓶颈。展望未来,研发高效催化剂、构建多场景耦合利用模式,并借助数字化优化手段,是突破瓶颈、推动该技术产业化与商业化应用的关键,对于应对气候变化具有重要意义。

Abstract

This paper reviews recent progress and engineering practices of major technological routes,including natural minerals,industrial solid wastes,in-situ mineralization,and biomineralization.It further analyzes the key technical bottlenecks in terms of reaction rates,energy consumption,and large-scale application.Looking ahead,the development of efficient catalysts,the construction of multi-scenario coupled utilization models,and the application of digital optimization methods are critical to overcoming these bottlenecks and promoting the industrialization and commercialization of CO₂ mineralization technology,which holds significant importance in addressing climate change.

关键词

CO₂矿化 / CCUS / 碳中和 / 工业固废 / 碳酸盐 / 矿化工程

Key words

CO₂ mineralization / CCUS / carbon neutrality / industrial solid waste / carbonates / mineralization engineering

引用本文

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李志林,刘琦,薛明,杨术刚,蔡明玉,张坤峰,陈泉,刘双星. 二氧化碳矿化技术现状与发展趋势[J]. 现代化工, 2026, 46(10): 86-91 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.10.016

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近10年来,全球温室气体排放总体仍呈高位波动,二氧化碳(CO₂)占据主导地位,深刻影响能源、工业与城市系统的低碳转型。CO₂矿化通过将CO₂与含碱性氧化物或硅铝酸盐反应,生成热力学稳定的碳酸盐矿物,可实现长期、被动的碳固定;同时,若与再生骨料、水泥基固废、钢渣等工业副产物耦合,还可改善材料的力学与耐久性能,形成“固碳-减污-增材”的协同效益。从碳管理视角看,矿化既可作为CCUS体系中的“终端封存”选项,也可与建材、金属冶炼、化工过程耦合为“资源化利用”路径,对实现过程工业的减排与污染协同治理具有重要意义。

当前研究与应用已在机理、工艺与工程3个层面取得进展:在机理层面,气液传质受限与固相表面反应的协同控制机制得到阐释,矿化反应速率受CO₂分压、温度、pH与反应位点活化等因素耦合影响;在工艺层面,围绕天然矿物矿化、工业固废矿化、地层原位矿化与生物矿化等路线,逐步形成以CO₂浓度、温度-时间窗口、前处理方式与助剂循环为核心的“工艺窗口”;在工程层面,混凝土养护与固废协同矿化实现了从中试到万吨级的装置实践,玄武岩/超基性岩等地层的原位试验完成多点验证。然而,走向规模化仍面临速率与通量受限、成本结构刚性较强、系统可扩展性不足等瓶颈,包括反应器放大后传质传热约束增强,能耗与预处理、反应助剂以及监测、报告、核证(MRV)成本较高,原料同质性与连续供给等问题。

基于上述背景,本文中系统梳理各类矿化技术路线的反应机理与关键参数,汇总代表性工程案例与技术经济(TEA)/环境生命周期(LCA)特征,凝练“速率-成本-规模化”的共性约束,并提出面向工程化的工艺强化与助剂循环策略、与建材标准和碳核算/核证相衔接的应用要件及验证路径。通过构建“路线-参数-成本-成熟度”的对比框架与案例证据链,旨在为二氧化碳矿化的可复制工程化方案提供结构化认识与数据支撑,服务于过程工业领域的减污降碳与资源化一体化转型。

1 二氧化碳矿化原理与分类

1.1 矿物碳化反应机理

CO₂矿化是指CO₂通过与含Ca²⁺、Mg²⁺等金属离子或碳酸盐沉淀菌等微生物反应生成稳定的碳酸盐矿物,从而实现气态CO₂的长期固定,防止其重新进入大气。相关反应如式(1)所示。

(1)$\begin{array}{l}(\mathrm{Ca}, \mathrm{Mg})_{x} \mathrm{Si}_{y} \mathrm{O}_{x+2 y+z} \mathrm{H}_{2 x}+\mathrm{CO}_{2} \longrightarrow \\x(\mathrm{Ca}, \mathrm{Mg}) \mathrm{CO}_{3}+y \mathrm{SiO}_{2}(\mathrm{aq})+z \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}\end{array}$

影响矿化效率的主要因素有粒径、反应温度、CO₂压力。粒径的减小可增大比表面积,提升反应活性。提高反应温度能够加快碳酸盐矿物的溶解速率;温度过高则会抑制CO₂溶解。当CO₂溶解为碳酸化过程的限速步骤时,适度升高反应压力可提高CO₂溶解度,但同时能耗增加,需在效率与经济性之间取得平衡^[1]。

未来仍需结合表征与多尺度模拟手段,深入揭示矿物活化与碳酸化反应之间的耦合机理,确定活化条件与碳酸化效率之间的定量关系,为工艺优化与工业化应用提供理论支撑。

1.2 原位矿化与外部矿化

CO₂矿化主要分为外部矿化与原位矿化2类实施路径。前者将CO₂与碱性材料反应生成碳酸盐,但成本较高;后者则将CO₂注入岩层,与矿物反应生成稳定碳酸盐,实现长期封存。无论采用何种途径,深入揭示矿物溶解与碳酸盐沉淀的反应机理及速率控制过程,是提升CO₂封存效率与经济性的关键。

1.3 矿化产物及资源化利用路径

CO₂可通过多种矿化路径生成矿化产物,用于水泥、混凝土、砖块等建材骨料或胶结材料,减少对天然资源的开采^[2],如表1所示。

2 二氧化碳矿化主要技术路线

目前,CO₂矿化封存主要包含5大技术路线,各类路线的核心特征与发展概况对比如表2所示。

2.1 天然矿物矿化

富含Ca、Mg的天然矿物因储量丰富、成本低廉,被认为是CO₂矿化的理想原料^[3]。按反应路径不同,矿化方式分为直接矿化与间接矿化。直接矿化是在高温高压下使CO₂与矿物反应,工艺简单但能耗较高、产品附加值低;间接矿化是通过酸、碱或盐类介质先浸出Ca²⁺、Mg²⁺,再与CO₂反应生成碳酸盐,具有条件温和、产物纯度及经济价值高等优势。

Qian等^[4]对比2种矿化方式的典型工艺参数,发现间接矿化具有更优表现。其中,介质筛选是间接矿化的关键步骤,需兼顾浸出效率、循环利用经济性、环境友好性,并利于大规模工业应用。

天然矿物的CO₂矿化性能受矿物类型、预处理与改性方法及吸附条件等因素影响。预处理和改性方式决定了吸附剂的结构与活性,因此应结合矿物特性合理选择工艺,并评估不同改性技术的协同效应。未来研究可聚焦高比表面积与多活性位点的复合矿物材料,以提升CO₂吸附效率与稳定性。

2.2 工业固废矿化

工业固废种类丰富、成本低、碳化活性组分较多,是理想的CO₂矿化封存原料。

钢渣作为代表性固废,其干法碳化率较低,而湿法与间接碳酸化因液相存在可显著加快反应速率。Zhai等^[5]通过盐酸与碱性预处理对比实验发现,盐酸可提高Ca²⁺浸出率使碳化率达28%,氢氧化钠则提升Si⁴⁺浸出率使碳化率达38%。Sun等^[1]研究发现超声波可促进固废的矿化反应。Tai等^[6]采用超临界二氧化碳(SC-CO₂)可穿透钝化层促进碳化,但更受制于高温高压条件及设备成本。此外,Ma等^[7]将流化喷射粉碎超细钢渣粉与电石渣1∶1混合,显著提升了矿化效率,并归因于二者在碳化时协同生成钙、镁碳酸盐。

这些强化措施已在实验室小规模验证,但具体应用场景与优化条件仍需进一步研究,并开发更全面的工业化技术方案。

2.3 盐水层与深部地质体矿化

深层盐水层主要由砂岩等多孔岩体构成,注入的CO₂溶解于地层水后形成碳酸,随后与地层矿物反应,生成稳定的碳酸盐矿物,该矿化过程通常需要数百年以上才能显著发生。在玄武岩地层中CO₂主要通过原位矿化实现长期封存,矿化速率相对较快^[8]。

包琦等^[9]通过矿化反应实验表明玄武岩矿化反应效率随温度升高和反应时间延长而增大,长期矿化过程中因矿物的溶解-再沉积平衡存在速率瓶颈。Deng等^[10]引入HCl和NH₃作为反应助剂,加速玄武岩CO₂矿化速率,模拟显示NH₃注入阶段矿化速率加快20倍。

CO₂原位矿化封存能够避免与大规模开采、运输和处理固体反应物相关的步骤和成本,降低能耗与提高反应速率仍然是未来工作的主要重点。其他方面,除传统的检测方法外,还需进一步发展精准的数值模拟技术,以加深对多尺度流体-岩石反应动力学及运移规律的理解,进而完善可视化监测技术^[11-12]。

2.4 生物矿化

生物矿化是微生物直接参与或间接影响矿化的过程,减少了传统化学助剂的使用^[13]。其中,微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)是矿化的重要途径,微生物通过代谢途径影响水体中CO₂浓度与pH,促进HC${\mathrm{O}}_{3}^{-}$向C${\mathrm{O}}_{3}^{2-}$转化并生成CaCO₃沉淀^[14]。该过程可分为自养与异养2类机制:前者主要由蓝藻和微藻主导,后者主要由脲酶和硝酸盐还原菌主导。脲酶因具备广泛存在、强钙化潜力和易于调节的优势,是研究最广泛、最有效的MICP途径。

Wang等^[15]研究发现,MICP处理使再生粗骨料吸水率降低了32.5%。Wang等^[16]研究发现,MICP处理使土体渗透率和侵蚀率分别降低了90.9%和95.2%。王晓丽等^[17]研究发现即使在盐渍环境下,MICP也可生成沉淀填充混凝土裂隙,提升抗压强度达28.93%,降低渗透系数达46.37%。目前,MICP主要归因于光合作用、硫酸盐还原、脲酶、反硝化和铁还原微生物,如表3所示。

在实际工程应用中,处理效果均匀性仍是一项重大挑战。由于反应不完全,脲酶水解副产物中会生成高浓度N${\mathrm{H}}_{4}^{+}$和NH₃,回收困难且可能造成环境危害。铁还原等无害的MICP途径正被探索,但这些替代工艺的技术可行性仍不明确,未来需跨学科领域的进一步合作,以推动该方向的研究与应用。

2.5 人工促进与催化剂辅助矿化

人工促进与催化剂辅助矿化旨在通过催化剂或助剂降低反应活化能,加速CO₂水合与Ca²⁺、Mg²⁺的溶出,提高矿化速率。碳酸酐酶(CA)可高效催化CO₂与水生成碳酸氢根离子,被视为CCUS体系中具备应用前途的生物催化剂^[18]。除生物酶外,化学助剂及多孔结构材料也被广泛用于促进CO₂矿化反应^[5]。

刘鹏等^[19]利用CA促进脲酶水解固化砂土,与常规MICP相比,胶结物生成量提高了105.3%。刘清等^[20]合成仿生CA,反应1 h能生成1 171 mg的CaCO₃并实现72.3%的CO₂转化率。酶类催化剂易受高温和pH影响,需进行固定化处理,各种方法的优缺点如表4所示。

该矿化方法面临酶稳定性差、助剂回收困难及材料成本高等问题,未来可从可循环使用的催化剂开展研究,研发更环保、更耐用的催化材料,为早日实现工业化生产奠定良好的基础。

3 工程应用现状与典型案例

当前,CO₂矿化技术已具备现场应用基础并开展多项示范项目。在国内,浙江大学建成全球首个万吨级CO₂矿化混凝土养护工程,每年可封存约 1万t CO₂并生产约1亿块轻质实心砖;四川大学与攀钢集团建成万吨级烟气CO₂矿化装置,年固碳约1.5万t,CO₂转化率达90%、净封存率达75%^[21]。包钢集团联合阿尔托大学建设钢渣矿化中试厂,可使每吨钢渣封存0.21~0.40 t CO₂,并产出高纯 CaCO₃与含铁料,实现钢渣资源化与减碳协同^[22]。

国外典型案例包括冰岛的CarbFix,自2007年以来累计注入并矿化超过8万t CO₂^[23];美国 Wallula项目首次在800~900 m玄武岩层实现SC-CO₂原位矿化;CarbonCure通过向混凝土中注入CO₂实现工业化应用,每立方米可减少7~11 kg CO₂排放,累计减排约50万t CO₂。Biomason采用MICP生产生物混凝土,计划到2030年前减少25%的工业混凝土排放。

上述项目已验证该技术的可行性与固碳潜力(表5),但一些因素仍制约其大规模开展^[23]。一方面,矿化过程能耗高、助剂与预处理成本高,经济性亟待提升;另一方面,不同矿物原料在活性、资源分布与处理路径上存在差异,影响技术的普适性。未来研究应聚焦低能耗工艺流程优化与资源耦合利用,加强反应器设计、废弃物协同矿化及助剂循环,提升整体经济性。同时需完善政策激励与市场衔接,健全MRV体系,推动矿化技术在钢铁、水泥、矿业及建材领域的规模化与商业化应用。

4 当前挑战与发展趋势

二氧化碳矿化的产业化当前面临4类核心问题:一是效率受限,气液传质与固相反应协同控制导致速率偏低,放大后边界层增厚、热管理和接触面积下降压制反应通量;二是成本刚性强,装置投资与能耗、预处理与药剂消耗、MRV构成主要支出;三是规模化掣肘,缺乏百万吨级连续稳定样板,固废成分与供给波动,制约技术复制;四是环境与安全边界紧张,腐蚀泄漏风险、原位注入的压力-盖层完整性控制、微小泄漏识别与核证,均对工程治理与合规提出更高要求。

技术演进呈现“高效化-耦合化-智能化-规模化-规范化”的综合趋势:在高效化上,发展多孔材料、类碳酸酐酶和多功能纳米催化体系,结合传质强化构建低能耗反应窗口。耦合化上,加速与CCUS全链条、建材与固废流程的协同,实现“定向捕集-就地矿化-就地消纳”一体化。在智能化上,依托在线传感、数字孪生和数据驱动寻优,实现对物质运移、反应效率与安全阈值的闭环管理与MRV一体化。在规模化上,采用模块化反应器群和流程集成推进“10 kt→100 kt→1 Mt”梯级放大。在规范化上,建立产品质量标准和统一碳足迹/核证规则,完善碳价、绿色金融和绿色采购机制,形成技术-标准-市场的闭环。

面向未来研究与应用,主张以“场景牵引、指标驱动、风险可控、经济可证”为原则推进:优先聚焦3类可落地场景(工业固废协同矿化、混凝土养护增性能、玄武岩/超基性岩原位矿化),分别设定明确的速率与成本里程碑[如≥2~5 t/(m³·d)等效体积通量、单位固碳成本分阶段降至碳价中枢以下];在材料与助剂上,确立寿命与回收率的量化门槛;在工程与放大上,形成标准化单元-群集式布局的设计手册与安全边界判据,并把TEA/LCA与MRV前置到工艺设计早期;在治理与合规上,完善注入压力管理、盖层完整性评估与微漏监测技术栈,建立全生命周期环境风险清单与应急预案;在产业与政策上,通过绿色建材标准、差异化碳价与财政/金融工具协同,提升矿化产品的市场接受度与现金流质量。通过上述路径,有望实现二氧化碳矿化在多行业、多区域的规模化部署,达成“长期固碳-产品增值-环境安全”三重目标。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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