前言
近日在看碳移除的碳礦化技術（Carbon mineralization），找到 Nature 上一篇完整說明的研究文獻。
稍微將一些最重要的概念整理出來，讓有需要的人能快速了解此碳移除技術之內涵。碳礦化技術介紹
碳礦化是一種多功能且熱力學向下（thermodynamically downhill）的過程，可被用於捕獲、儲存和利用二氧化碳（CO2），以合成具有增強性質的產品。
定義與原理
- 碳礦化涉及將二氧化碳轉化為固態無機碳酸鹽，主要包括鈣（Ca）或鎂（Mg）碳酸鹽。這是一個熱力學上非常有利的過程。
- 儘管描述鈣或鎂碳酸鹽形成的化學計量反應看似簡單，但複雜的化學形態相互作用導致碳酸鹽生長的動力學呈現非單一性。
- 透過調整所涉及的化學相互作用，可以釋放碳礦化的潛力，從而推動低碳能源和資源轉化途徑的發展。
資源來源
- 實施碳礦化途徑的關鍵在於含鈣和鎂資源的可用性。
- 天然礦藏：地球上自然礦藏中約可儲存 10,000 至 100,000 吉噸（Gt）的總碳量。
- 礦山尾礦：來自鎳開採和鑽石生產的尾礦，以及石棉中的溫石棉（纖維狀水合矽酸鎂） 都是額外的鹼性來源。
- 鹼性工業殘留物：粉煤灰（例如燃燒褐煤或煤產生的C級粉煤灰，其石灰含量高於無煙煤和煙煤產生的F級粉煤灰）、水泥窯灰、鋼渣和赤泥等，每年可儲存約 200 至 300 兆噸（Mt）的CO2。這些與共生 CO2 可在目標地點反應生成鈣或鎂碳酸鹽。
碳礦化途徑的類型
- 現地碳礦化（In situ carbon mineralization）：
- 將發電廠或工業來源產生的CO2捕獲、壓縮並儲存在反應性地質構造中。
- 流體形式的CO2在當地層中礦化，產生水不溶性的鈣或鎂碳酸鹽。 現場規模的研究，如在冰島和華盛頓州將加壓CO2注入反應性玄武岩地層，顯示玄武岩中的鈣和鎂矽酸鹽成分在幾年內轉化為鈣和鎂碳酸鹽。
- 這種方法有助於將注入的CO2迅速轉化為水不溶性碳酸鹽，減少CO2的流動性並降低監測流動性CO2的需求。
- 異地碳礦化（Ex situ carbon mineralization）：
- 在工程化過程中，將捕獲的CO2礦化為碳酸鹽。
- 異地過程的優勢之一是，可以生產可用於多種應用的產品，例如無機碳酸鹽，因此可作為CO2利用的途徑。
資源利用與產品
- 碳礦化可以降低與鹼性工業殘留物共存的有害元素（如鋅、銅、鉛）的流動性，並促進含碳酸鹽富鈣爐渣中鉻的部分固定化。
- 這有助於鹼性材料的再利用並降低垃圾填埋成本。
- 在建築材料中，即使只加入10 wt%的含碳酸鹽鋼渣，也能將抗壓強度提高。
- CO2固化合成矽酸鈣以生產高強度含碳酸鹽建築材料已被應用。
- 還需要開發能從人為CO2中合成高純度、納米級和中尺度鈣鎂碳酸鹽的新型化學途徑。這些材料在造紙工業和作為填充材料方面有廣泛應用。
主要挑戰
- 鹼性來源的異質性：天然礦物或鹼性工業殘留物等鹼性來源的化學成分和形態具有異質性。因此，需要闡明二氧化矽和鐵成分在不同流體環境中對碳酸鹽形成機制和速率的影響。
- 動力學控制的複雜性：從多組前驅物開始的碳酸鹽形成動力學通常是非單一的，因此開發預測性控制仍然是一個挑戰。
- 新型溶劑/吸附劑的需求：現有的酸鹼消耗性方法用於生產鈣鎂碳酸鹽，需要尋找能夠在碳酸鹽形成時供應二氧化碳，並擁有能夠再生的新型溶劑或吸附劑。
- 合成高純度、奈米級和中尺度碳酸鹽的挑戰：需要開發新的化學途徑，以從人為二氧化碳中合成高純度、奈米級和中尺度的鈣和鎂碳酸鹽，且需減少額外單元操作和可再生溶劑。
- 地質儲存的理解與動態變化：深入了解矽酸鹽礦物中的溶解和碳酸鹽形成機制，對於理解二氧化碳在地下地質構造中的儲存（即現地碳礦化）具有轉化性的影響。在評估二氧化碳在地下環境中的歸宿時，需要考慮溶解和碳酸鹽形成行為的動態變化以及相關的孔隙和裂縫形態變化。
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