The Innovation Materials | 打通天然矿物空气碳捕集的“任督二脉”

天然矿物的增强风化作用（EW）是碳移除的重要途径，然而自然环境下矿物碳酸化反应速率十分缓慢，本文评论了近年来利用天然矿物进行空气碳捕集的强化策略，并展望了未来研究方向，为该技术的大规模应用提供理论参考。

导  读

以天然矿物为基础的“增强风化”技术，通过将大气 CO₂ 固定为稳定碳酸盐，是实现大规模碳移除的重要路径。其优势在于储量丰富、封存容量巨大且生态扰动小。然而，在自然环境条件下，上述反应速率十分缓慢，如何提升反应动力学是当前的研究重点。本文从反应机理出发，系统梳理了近年来强化天然矿物碳捕集的代表性策略，评估其碳捕集效能、经济成本与潜在风险，并对该领域未来的研究方向进行了展望。

图1 加速风化速率的方法(A)酸性土壤加速碱性金属离子（M2+）溶解 (B) 植物根系和微生物释放有机酸促进M2+溶解 (C) Ca2+/Mg2+热交换释放高活性碱性物质 (D) 海水浸出矿石碱性阳离子

二氧化碳移除（CDR）技术在应对气候变化和实现碳中和目标中发挥着关键作用。天然矿物的增强风化（EW）通过捕集大气中的CO2并将其转化为稳定的碳酸盐，展现出巨大的碳封存潜力，其理论上可移除超过105Gt CO2。该过程高度模拟自然地质碳汇机制，环境影响相对较低；且其成本（0.6-1.2 MWh/t CO2）显著低于直接空气捕集技术（1.8-2.7 MWh/t）。然而，天然矿物在自然环境下的碳酸化反应速率极其缓慢，严重制约了其固碳效率和大规模应用。本文基于反应动力学原理，系统评述了提升矿化速率的典型策略，并对其碳捕集效能与潜在风险进行了对比分析。总体而言，提升反应动力学的关键在于如何通过特定手段激发天然矿物的反应性，将其由低活性状态转化为更具矿化能力的高反应活性相。

天然矿物的固态结构限制了其反应活性。在潮湿环境中，CO2与水反应形成H2CO3，进而与矿物溶出的碱金属离子（如Ca2+、Mg2+）结合形成碳酸盐沉淀。Kantzas等通过酸性土壤改良试验发现，当土壤pH<6.5时，H+可加速硅酸盐岩中Ca2+的浸出速率，使农田系统的年封存能力达600-3000万吨CO2（图1A）。Taylor等进一步研究表明，热带植被根系与微生物分泌的有机酸可构建局部酸性微环境，促使岩石的Ca2+加速溶解，模型预测该机制在三分之一的热带地区实施可使2100年大气CO2降低30-300 ppm（图1B）。

海洋环境作为EW的主要实施场所，其作用已被多项研究证实。Montserrat等人的研究表明橄榄石风化过程能够显著提升海水的碱度，不仅促进了CO2溶侵，还提高了溶解无机碳的浓度，从而验证了强化硅酸盐风化技术在碳封存方面的理论可行性（图1D）。物理搅动能够促进颗粒间碰撞与表面磨蚀，显著加速了矿物溶解速率。Mg2+溶解速率约为[SiO4]四面体中Si元素的30倍，这主要源于Mg2+的晶体离子半径与橄榄石晶格中其他阳离子相近，使其可通过固相扩散快速迁移至矿物表面；此外，溶解初期形成的硅富集-镁贫化表面蚀变层会显著抑制硅元素的释放，而阳离子则能通过边界层反应迅速脱离。

针对反应动力学限制，Chen等人开发了一种高效的Ca2+/Mg2+热交换工艺。该工艺在1200-1300 ℃条件下，使镁硅酸盐与CaCO3或CaSO4发生反应，通过离子交换生成高活性的Ca2SiO4和MgO（图1C）。与天然硅酸盐相比，这提高了矿化反应速率。在潮湿空气中，Ca2SiO4与CO2迅速反应形成CaCO3，MgO在数周内即可部分碳化为MgCO3，而未经处理的天然硅酸镁在相同条件下半年以上仍无反应活性。在常压CO2环境中，改性材料在数小时内实现完全转化，矿化反应速率得到大幅提升。该工艺系统能耗低于1 MWh/t CO₂，较直接空气碳捕集技术（DAC）降低50%以上，为当前的CDR技术提供了一种可规模化推广的高能效解决方案。

总结与展望

基于天然矿物的碳移除技术展现出优异的固碳潜力，通过激活碱性成分转化为活性氧化物可进一步提升封存性能。未来研究建议重点关注以下方向：

1、将天然矿物拓展应用至工业烟气碳捕集研究，利用工业烟气高CO₂浓度特性以提升反应动力学效率；

2、工业过程产生的固废含有多种矿物，碱性元素浓度更高，理论上固碳潜力更强，建议开展工业固废的碳移除研究；

3、关注重金属浸出风险、封存稳定性以及长期生态环境效应等问题，开展长期风险评估。

责任编辑

陈智杰   The University of New South Wales

熊海龙   中国科学技术大学