综述：碱性工业固体废物在二氧化碳矿化方面的最新进展：机制、应用与前景

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Recent advances in CO 2 mineralization by alkaline industrial solid waste: Mechanisms, applications and perspectives

CO?矿化利用钢渣、粉煤灰等碱性工业废渣制备碳酸钙类建材，矿化效率52–310 g/kg，实验室与中试验证其资源化潜力，但存在反应速率慢、能耗高、产物性能不稳定等挑战，需通过协同矿化、机器学习优化生命周期评估提升技术经济性。

　　在当今工业化迅速发展的背景下，二氧化碳（CO?）的排放量持续上升，对全球环境造成了严重的影响。与此同时，工业固体废弃物的产生量也在不断增加，其中碱性工业固体废弃物因其富含碱性金属氧化物（如CaO和MgO）而成为CO?矿化技术的重要原料。CO?矿化是指通过化学反应将CO?转化为稳定的碳酸盐矿物，从而实现碳封存和废弃物资源化利用。这一技术不仅有助于减少温室气体排放，还能提高工业固体废弃物的利用效率，推动绿色低碳循环经济发展。

本文系统地探讨了四种典型的碱性工业固体废弃物——钢渣（SS）、粉煤灰（FA）、赤泥（RM）和脱硫石膏（DG）在CO?矿化过程中的作用机制和应用潜力。这些废弃物中含有丰富的CaO和MgO，能够与CO?发生反应，形成碳酸钙和碳酸镁等稳定矿物。根据不同的废弃物组成和矿化路径，它们的CO?封存能力存在差异。例如，钢渣的封存能力范围为52至310克/千克，赤泥为5至175克/千克，粉煤灰为11至210克/千克，而脱硫石膏则为53至128克/千克。这些数据表明，碱性工业固体废弃物在CO?矿化过程中具有显著的潜力，但其具体表现还受到多种因素的影响。

在CO?矿化技术的应用方面，目前主要分为实验室应用和试点应用两个阶段。实验室研究主要用于揭示矿化反应的机制，为后续的规模化应用提供理论支持和技术指导。而试点应用则关注实际操作中如何提高矿化效率，优化反应条件，并评估矿化产物的性能和应用前景。矿化产物通常被用作建筑材料，如水泥、混凝土等，这不仅能够有效减少CO?排放，还能为工业废弃物提供新的利用途径。此外，一些研究还探索了矿化产物在催化剂、吸附剂等领域的潜在应用，显示出其在资源循环利用中的广阔前景。

然而，CO?矿化技术在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，反应动力学限制是当前技术推广的主要障碍之一。在干法矿化过程中，CO?难以深入反应材料内部，导致反应速度缓慢，矿化效率较低。虽然湿法矿化能够提高反应效率，但其过程需要消耗大量水资源，并且对反应温度、压力和时间等条件有较高要求，从而增加了能源消耗和成本。其次，矿化产物的稳定性问题也值得关注。尽管碳酸盐矿物在地质时间尺度上具有良好的稳定性，但在某些环境条件下，如高湿度或酸性环境，可能会发生分解或转化，影响其长期封存效果。此外，矿化过程中的副产物和残留物也可能对环境造成一定影响，需要进一步研究其处理和再利用方法。

为了克服上述挑战，本文提出了一些未来的研究方向。首先，加强强制矿化技术的研究。强制矿化是指通过外部手段（如添加催化剂、调节反应条件等）加速矿化反应，提高CO?的封存效率。其次，探索多种碱性固体废弃物的协同矿化。不同类型的废弃物可能具有不同的矿化特性，通过协同矿化可以实现资源的高效利用，并优化反应条件，提高整体矿化效果。此外，利用机器学习（ML）技术优化生命周期评估（LCA）过程。LCA是一种评估产品或技术在整个生命周期中环境影响的方法，而ML可以用于预测矿化过程中的关键参数，如反应速率、产物性能等，从而提高LCA的准确性和效率。

在实验室研究方面，已有大量文献探讨了不同碱性工业固体废弃物的矿化机制。例如，粉煤灰的矿化能力主要取决于其CaO和MgO的含量，而钢渣的矿化能力则与其矿物组成和结构密切相关。研究发现，通过调整反应条件，如温度、压力和反应时间，可以显著提高矿化效率。例如，Ukwattage等人在40℃、6 MPa的CO?压力和1:5的液固比条件下，对粉煤灰进行了矿化实验，结果显示矿化效率得到了明显提升。此外，添加生物炭等辅助材料也被证明能够改善矿化过程。Liu等人通过将生物炭加入钢渣中，进行碳化实验，发现CO?的吸收量和矿化产物的强度均有所提高。这些研究成果为实际应用提供了重要的理论依据和技术支持。

在实际应用方面，CO?矿化技术已经开始在一些工业领域中得到尝试和推广。例如，粉煤灰被广泛用于生产建筑材料，如水泥和混凝土，这不仅能够减少CO?排放，还能降低对传统水泥的依赖，从而减少对环境的破坏。钢渣则被用于制造道路材料和水泥替代品，显示出其在建筑和基础设施建设中的应用潜力。赤泥因其高碱性特性，也被用于CO?矿化反应，尤其是在高CO?浓度的环境中，其矿化能力表现突出。脱硫石膏则因其较高的CaO含量，被用于制造石膏板和建筑材料，进一步拓展了其应用范围。

尽管CO?矿化技术在实验室和实际应用中取得了一定的进展，但在推广过程中仍面临一些问题。例如，矿化反应的能耗较高，尤其是在湿法矿化过程中，需要大量的水和能源投入。此外，矿化产物的性能和稳定性也需要进一步研究，以确保其在实际应用中的可行性。为了降低能耗，一些研究提出了优化反应条件的方法，如降低反应温度、调整反应时间等。同时，开发新的催化剂和添加剂也被认为是提高矿化效率的重要途径。

此外，CO?矿化技术的经济性和可行性也是研究的重要方向。虽然矿化产物在某些领域具有较高的市场价值，但其生产成本仍然较高，限制了其大规模应用。因此，需要进一步研究如何降低矿化过程的成本，提高其经济效益。同时，政策支持和市场激励机制的建立也是推动该技术发展的重要因素。例如，政府可以通过提供补贴、税收优惠等方式鼓励企业采用CO?矿化技术，从而促进其在工业中的应用。

在环境和可持续发展方面，CO?矿化技术为减少碳排放和实现工业固体废弃物资源化利用提供了新的思路。通过将CO?转化为稳定的碳酸盐矿物，不仅可以实现碳封存，还能减少工业废弃物对环境的污染。这符合全球应对气候变化和实现碳中和的目标。因此，CO?矿化技术的推广和应用具有重要的现实意义和长远价值。

综上所述，CO?矿化技术利用碱性工业固体废弃物进行碳封存和资源化利用，是一项具有广阔前景的绿色技术。尽管在反应动力学、能耗控制和产物稳定性等方面仍存在挑战，但通过不断的技术创新和研究优化，这些问题有望得到解决。未来，随着对矿化机制的深入理解和应用技术的不断完善，CO?矿化技术将在工业领域中发挥更大的作用，为实现绿色低碳发展做出积极贡献。