二氧化碳诱导形成的碳酸盐矿物作为新型灌浆材料在土壤改良中的应用

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Application of CO 2-induced carbonate minerals as novel grouting materials for soil improvement

CO2诱导的碳酸矿物作为环保灌浆材料在砂土和泥炭土中应用，FeCO3和CaCO3分别提升抗压强度至70 kPa和36 kPa，XRD和SEM证实矿物形成并改善土壤结构。生命周期评估显示全球变暖潜力降低85%-87%，在13-14个环境指标优于水泥基材料，符合绿色化学和可持续发展目标

　　
该研究聚焦于利用二氧化碳（CO?）合成的碳酸矿物作为渗透灌浆材料，旨在通过环保技术提升土壤密实度和稳定性。作者团队通过实验室模拟和生命周期评估（LCA），验证了碳酸矿物在工程应用中的可行性及其环境效益。

### 研究背景与意义
传统灌浆材料如硅酸盐水泥具有高碳排放特性，其生产过程消耗大量能源并排放CO?。全球约5%-7%的CO?排放源自水泥行业，而渗透灌浆技术广泛应用于地基加固、滑坡治理等领域，但现有材料多依赖不可再生资源且环境负担重。本研究提出以CO?为原料合成碳酸矿物（如方解石、菱铁矿），替代传统水泥基灌浆材料，兼具工程性能与环保优势。

### 核心技术与材料
1. **碳酸矿物合成**
通过水溶液反应将CO?与金属盐（CaCl?、FeCl?）结合，生成方解石（CaCO?）和菱铁矿（FeCO?）。该过程利用低能耗的溶液反应路径，避免了水泥煅烧的高温步骤。

2. **材料特性对比**
- **方解石**：晶体尺寸较大（5-10μm），形成多面体结构，在砂土中表现稳定但强度提升有限。
- **菱铁矿**：晶体更细（<1μm），呈球状分布，能显著增强砂土（最高达70kPa）和泥炭土（达36kPa）的压缩强度，且早期脆性特性更利于密实填充。

### 关键实验发现
1. **微观结构分析**
扫描电镜（SEM）显示，碳酸矿物均匀填充土壤孔隙。菱铁矿颗粒的纳米级分布（<1μm）更易与土壤颗粒形成致密结构，而方解石晶体（5-10μm）的空隙可能影响长期稳定性。

2. **力学性能提升**
- 砂土：菱铁矿处理组在11%掺量时达到70kPa，抗压强度提升率约85%（对比未处理组）；方解石需16%掺量才能达到53kPa。
- 泥炭土：菱铁矿组强度提升3倍（12kPa→36kPa），方解石组提升近2倍（12kPa→23kPa）。泥炭土的高有机质含量和持水性限制了碳酸矿物渗透效率。

3. **生命周期评估（LCA）结果**
相较于传统水泥基灌浆，碳酸矿物灌浆的全球变暖潜势（GWP）降低85%-87%，化石资源消耗减少74%-77%，细颗粒物排放降低58%-70%。显著改善的指标包括：
- 空气污染：地面臭氧和PM2.5生成量减少79%-84%
- 资源利用：减少石灰石开采和能源消耗
- 生态影响：淡水富营养化减少54%-56%

### 技术优势与局限性
**优势**：
- **碳捕集协同**：每吨碳酸矿物可固定约0.93吨CO?，实现负碳排放。
- **经济性**：利用工业副产物（如CaCl?来自苏打灰工艺）降低材料成本。
- **适应性广**：在低强度土壤（如泥炭土）中仍能实现显著强度提升。

**挑战**：
1. **水资源消耗**：制备碳酸矿物需大量水（约6-4倍于水泥基材料），需开发低水耗工艺。
2. **土地占用**：NaOH和CaCl?的生产涉及盐矿开采和氯碱工业，导致土地足迹增加（方解石组土地占用上升72%）。
3. **长期稳定性**：菱铁矿可能因氧化（Fe2?→Fe3?）导致结构劣化，需验证其在湿热环境下的耐久性。

### 环境效益与可持续发展
研究显示，碳酸矿物灌浆在18项环境指标中优于传统水泥基材料：
- **气候友好**：GWP降低幅度最大（85%-87%），相当于每吨灌浆材料减少0.87吨CO?当量排放。
- **资源节约**：矿物资源消耗减少50%-60%，且能利用工业废料（如钢厂酸洗废液提供Fe2?）。
- **生态安全**：减少97%的PM2.5排放，降低89%的臭氧生成，符合《巴黎协定》的温控目标。

### 工程应用前景
1. **适用场景**：优先适用于低强度地基加固、管涌防治等非高荷载场景，如边坡修复、软土密实化。
2. **施工优化**：通过控制注浆压力（30kPa）和注射频率（每2小时循环），减少对原状土结构的扰动。
3. **扩展方向**：可开发复合型碳酸矿物（如白云石、菱镁矿），并探索与纳米改性剂复配以提升材料性能。

### 结论与建议
研究证实，CO?驱动的碳酸矿物灌浆技术能有效提升土壤力学性能，同时实现80%以上的温室气体减排。建议后续研究：
1. 开发基于海水电解的NaOH制备工艺，减少淡水消耗
2. 探索工业废液（如钢厂含Fe2?废液）直接用于碳酸矿物合成
3. 建立长期监测体系，评估20年以上服役期内的材料稳定性
4. 优化注浆参数与矿物配比，提升复杂地质条件下的适用性

该技术为《联合国可持续发展目标（SDGs）》中"负排放技术（SDG9.2）"和"清洁能源（SDG7）"提供了工程化解决方案，同时契合"循环经济"（SDG12）理念，具有显著的推广价值。