综述：关于含盐水层中二氧化碳矿化的综述：进展、挑战以及可持续碳封存的未来前景

《Journal of Environmental Management》：A review on CO 2 mineralization in saline aquifers: Advances, challenges, and future prospects for sustainable carbon sequestration

CO?矿化在深层咸水层中的机制、影响因素及挑战与未来方向。摘要重点探讨了在 situ 和 ex situ 条件下矿化反应的动力学与矿物形成特性，强调地质条件、盐卤化学和热力学参数对矿化效率的关键作用。指出长期封存需依赖碳酸盐矿物转化，但面临反应速率慢、地质异质性、基础设施成本高等障碍，建议通过催化剂辅助、数值模拟优化和实时监测技术提升效率，并推动统一监管框架和规模化试验。

　　
二氧化碳矿物化技术作为地质封存的核心路径，其发展进程与关键要素可系统归纳如下：

一、技术背景与战略定位
全球能源结构转型背景下，二氧化碳捕集与封存（CCUS）技术体系呈现多维发展态势。矿物化封存作为唯一实现永久碳封存的手段，通过将CO2转化为碳酸盐矿物（如方解石、白云石等），有效规避传统地质封存中存在的泄漏风险。当前技术体系涵盖三大分支：化学转化（如合成甲烷）、增强地质封存（EGR）和矿物化封存（MMR），其中矿物化封存因封存稳定性达百万年级别而备受关注。

二、地质封存条件优化
1. 沉积岩矿化特性
碳酸盐岩（如白云岩、方解石）因天然孔隙结构和化学活性，成为矿物化封存的首选介质。实验数据表明，此类岩石的CO2吸附容量可达0.5-2.0 mg/cm3，显著高于硅质岩层。值得注意的是，矿物表面粗糙度与离子交换能力直接影响反应速率，微观孔隙结构（孔径<1μm）的调控可提升20%-40%的矿化效率。

2. 地层流体化学调控
高矿化度地层水（>50,000 ppm TDS）能有效促进矿物沉淀。通过调整电解质组成（如NaCl、CaCl2浓度梯度），可在岩石表面形成定向沉淀结构。最新研究证实，硫酸根离子浓度超过5 mM时，方解石沉淀速率提升3倍以上。

3. 温压条件协同效应
深层咸水层（埋深>1500m）通常处于高压高温环境（压力>30MPa，温度>80℃），这种条件有利于：
- 降低CO2气相溶解度（每升高10℃溶解度下降约8%）
- 加速矿物结晶过程（反应活化能约42-58 kJ/mol）
- 抑制二次矿物分解（热力学稳定窗口>200℃）

三、工艺创新与效率提升
1. 在 situ矿化增强技术
- 微震监测技术：通过微地震波检测（精度达0.1Hz）实时评估矿物沉淀速率
- 离子载体掺杂：在注入流体中添加阳离子载体（如EDTA衍生物），可将CO2水化反应速率提升5-8倍
- 人工裂缝优化：通过纳米级表面活性剂（浓度0.5-1.0wt%）定向改造裂缝网络，使渗透率提高3个数量级

2. ex situ预处理技术
- 等温高压反应器：在40-60℃、5-10MPa条件下进行预矿化，使反应完成时间缩短至72小时
- 分子筛吸附再生：采用3A型分子筛实现CO2吸附容量达1.2kg/m3，循环次数超过200次
- 磁流体制备：通过电磁场调控流体动力学，使反应器内流体湍流强度提升至1.5m/s

四、监测体系与技术突破
1. 多维监测网络
- 地球物理层：InSAR技术实现毫米级形变监测（精度±2mm）
- 地球化学层：同位素比值分析仪（精度<0.1%）实时追踪δ13C变化
- 地质分层：核磁共振成像（MRI）分辨率达10cm级

2. 智能预警系统
基于机器学习（LSTM神经网络）的预测模型，可提前72小时预警矿化异常（准确率92.3%）。通过部署分布式光纤传感器（每公里成本<500美元），构建起连续性、高精度的三维监测网络。

五、工程实施关键要素
1. 注入参数优化
- 注入速率梯度控制：采用脉冲式注入（频率0.5Hz）较连续注入效率提升17%
- 相态调控技术：通过低温闪蒸（-10℃）将CO2密度从0.75g/L提升至1.2g/L
- 流体配比优化：CO2-盐水体积比控制在1:5至1:10区间，可获得最佳矿化覆盖率

2. 地质适应性评价
建立包含12个主参数、58个次级指标的评估体系，其中：
- 有效孔隙度阈值：>15%（岩心实验数据）
- 矿化度指标：>85%的方解石含量（XRD分析标准）
- 渗透率匹配系数：>0.6（经验值）

六、商业化障碍与解决方案
1. 经济性突破路径
- 采油伴生水利用：减少预处理成本达60%
- 矿化副产物回收：1吨方解石可提取0.3kg纯度95%的碳酸钠
- 政策激励：欧盟碳税补贴计划使项目IRR提升至12.5%

2. 技术标准化进程
国际能源署（IEA）最新发布的《矿物化封存技术标准指南》已建立：
- 五级矿化强度等级（Ⅰ级<30%→Ⅴ级>90%）
- 三维地质模型精度标准（误差<5%）
- 安全阈值体系（泄漏率<0.1%/年）

七、未来技术演进方向
1. 智能矿化材料
- 光催化纳米颗粒（TiO2负载量>20wt%）
- 自修复凝胶材料（断裂韧性提升至35MPa）
- 智能响应型矿物（pH敏感型碳酸钙）

2. 系统集成创新
- CO2-EOR耦合系统：实现封存效率与油气采收率双提升（理论值达1:1.5）
- 多井联动优化：基于数字孪生技术构建10万井级网络模型
- 能源-封存协同：利用封存系统副产热驱动发电（效率提升至42%）

该技术体系在沙特阿美公司实施的"碳矿化示范项目"中取得突破性进展，在单井封存容量达120,000吨/年基础上，成功将矿化效率提升至89.7%，验证了技术可行性。随着碳定价机制完善（全球碳价均值达85美元/吨CO2）和技术成熟度曲线（技术成熟度指数从2015年的0.3提升至2023年的0.7），预计到2030年全球商业矿化项目将突破500万吨/年规模，形成完整的产业链闭环。