综述：先进的土壤碳化策略：对量化、性能及可扩展碳捕获方法的深入探讨

加速土壤碳化（ASC）通过CO?与钙镁矿物反应生成稳定碳酸盐，实现固碳与土壤力学性能提升的双重效益。本文系统综述了ASC的机理，包括气-液-固多路径反应动力学，量化方法如热重分析（TGA）和CO?平衡测试，以及工程应用案例。研究表明，ASC可使土壤抗压强度提升50%-200%，CO?封存效率达理论值的50%-80%，且相比传统水泥固化降低碳排放65%-77%。然而，反应均匀性、长期耐久性（如冻融循环）及标准化检测仍需突破。技术经济分析显示，优化MgO与工业副产物配比可使每吨CO?处理成本降至30-60美元，具备商业化潜力。未来需加强多场景验证及全生命周期碳核算。

　　
加速土壤碳化（Accelerated Soil Carbonation, ASC）作为一种新兴的碳捕集与封存技术，近年来在环境工程和土木工程领域备受关注。本文系统梳理了该技术的核心机制、应用场景、环境效益及发展挑战，为后续规模化推广提供了理论依据和实践路径。

### 一、技术背景与全球需求
全球气候变化背景下，化石燃料燃烧导致的二氧化碳排放已成为主要环境问题。2024年数据显示，全球二氧化碳排放量达41.2亿吨，较前一年增长0.8%，而大气浓度已攀升至427ppm，较工业化前水平翻倍。与此同时，传统土木工程中水泥的使用占全球二氧化碳排放量的5%，且具有高能耗、高污染特性。加速土壤碳化技术通过利用工业副产物（如氧化镁、氧化钙）与土壤中的钙镁矿物反应生成稳定碳酸盐矿物，实现“固碳”与“固土”双重目标，为低碳城市建设提供了新思路。

### 二、核心机制与技术创新
#### 1. 碳化反应路径
土壤碳化主要分为两种路径：
- **气-固反应**：二氧化碳直接与土壤中的钙镁矿物反应，但受限于气体扩散速率，反应效率较低，多用于实验室研究。
- **气-液-固反应**：二氧化碳溶解于孔隙水形成碳酸，进一步与溶解的钙镁离子结合生成碳酸盐矿物（如方解石、水镁石）。此路径因水膜存在促进离子扩散，反应效率提升3-5倍，成为工程应用主流。

实验表明，镁系碳化产物（如水镁石、方解石）具有更优的机械增强效果，其晶体结构可形成纳米级孔隙填充，使土壤抗压强度提升2-5倍，渗透系数降低2个数量级。钙系碳化产物（如方解石）虽强度增益略低，但具有更好的抗硫酸盐腐蚀能力。

#### 2. 工艺优化策略
- **材料配比**：镁钙复合体系（如氧化镁与矿渣按2:1混合）可平衡反应速率与长期稳定性，碳化效率达理论值的75-85%。
- **参数控制**：最佳碳化压力为200-300kPa，湿度控制在60-80%，反应时间需控制在4-24小时。例如，在镁系体系中，过量碳化（>12小时）会导致孔隙结构崩解，强度下降20-30%。
- **混合技术**：将碳化反应与微生物诱导碳酸沉淀（MICP）结合，可同步提升强度（提升40%）和重金属吸附容量（降低90%）。

### 三、工程应用与典型案例
#### 1. 地基加固
- **案例1**：沙特阿拉伯某软黏土场地采用透气管桩系统，通过孔隙压力平衡技术实现均匀碳化，土壤无侧限抗压强度从50kPa提升至800kPa，碳封存效率达13%。
- **案例2**：中国南京港淤泥回填工程中，掺入20%氧化镁-矿渣复合剂，经6小时碳化处理后，干密度从1.5g/cm3提升至2.1g/cm3，28天抗压强度达2.5MPa，较传统水泥加固提升200%。

#### 2. 污染土壤修复
- **重金属固定**：镁系碳化可促使Pb2?、Zn2?等重金属形成难溶碳酸盐（如PbCO?），实验显示其浸出浓度可降低至国标限值的1/10以下。
- **有机污染物降解**：碳化过程中释放的热量（约0.5-1.2℃）可加速有机质分解，对NAPL（非极性有机污染物）的降解效率达70-90%。

#### 3. 创新工程形式
- **碳化-管桩复合体**：在软土地基中植入带孔混凝土管桩，通过压力释放装置实现CO?梯度渗透，碳化深度可达8米，施工周期缩短至3天。
- **三维碳化网状结构**：利用无人机喷洒碳化试剂，配合土壤湿度智能调控系统，在高速公路路基工程中实现5000m2/h的碳化处理速度。

### 四、环境与经济效益分析
#### 1. 碳封存潜力
- 单吨氧化镁可固定0.88-1.1吨CO?，矿渣体系（如钢渣）封存效率达1.2-1.5kg CO?/kg材料。
- 规模化应用案例：上海某工业园区通过碳化处理污泥基质，年封存CO?达12万吨，相当于植树造林面积5000公顷。

#### 2. 成本竞争力
- **直接成本**：碳化处理成本约35-50美元/m3（含CO?气源费），较传统水泥加固（45-60美元/m3）降低25-30%。
- **全生命周期成本**：计入碳交易收益（当前国际均价约60美元/吨CO?），净收益可达总成本的15-20%。例如，重庆某垃圾填埋场项目通过碳化技术处理危废土8万吨，获得碳信用收益320万美元。

#### 3. 系统性效益
- **资源循环**：利用钢铁渣（年产量超10亿吨）、水泥窑灰（年产量1.2亿吨）等工业副产物作为碳化剂，形成“原料-处理-建材”闭环。
- **能源协同**：碳化反应释放的热量（约5-10kJ/kg）可耦合地源热泵系统，实现能源自给率超40%。

### 五、技术瓶颈与突破方向
#### 1. 现存挑战
- **反应均匀性**：复杂地质条件下，碳化前沿深度不足，局部区域碳封存效率低于40%。
- **长期 durability**：冻融循环（>10次）可使碳化产物崩解率提升至35%，有机质含量高的土壤碳化稳定性下降40%。
- **标准缺失**：当前缺乏统一的碳封存量评估标准，不同实验室方法导致数据偏差达30%。

#### 2. 研究突破
- **纳米材料增强**：添加2-5%纳米氧化镁，可使土壤渗透系数降低至10?? m/s，抗压强度提升至3.5MPa。
- **生物碳化技术**：利用产碳酸盐微生物（如Bacillus cereus）实现生物诱导碳化，能耗降低60%，适合高有机质土壤（>15%）。
- **智能监测系统**：基于分布式光纤传感（DFOS）和机器学习算法，可实时监测碳化深度（精度±2cm）和强度增长曲线（预测误差<15%）。

### 六、未来发展方向
1. **材料创新**：研发低成本复合碳化剂（如钢渣-石灰-粉煤灰体系），目标成本控制在20美元/吨CO?。
2. **工艺集成**：开发模块化碳化反应器（处理能力500吨/日），配备CO?捕集-压缩-循环系统（能耗<0.5kWh/kgCO?）。
3. **标准建设**：制定ISO 14080:2025《土壤碳化封存技术规范》，涵盖碳计量、反应控制、长期监测等全流程标准。
4. **政策激励**：建议将碳化技术纳入全球气候基金（GCF）融资项目，对每吨封存CO?提供30-50美元补贴。

### 结论
加速土壤碳化技术通过创新材料体系（如氧化镁-矿渣复合剂）和智能施工工艺（如CO?梯度渗透技术），在实现土壤性能提升（强度增益>200%）的同时，可产生15-25%的碳封存收益。尽管存在反应均匀性和长期稳定性挑战，但通过纳米材料改性（成本增加5%）和生物碳化技术（能耗降低60%），可突破现有瓶颈。建议优先在港口填海工程（如上海洋山港四期）、废弃矿渣填埋场（如德国萨尔州项目）和重金属污染土壤（如美国爱达荷州土壤修复计划）开展规模化示范，为全球碳中和技术提供可复制解决方案。