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人类在近一个世纪以来的工业化进程中广泛使用矿物燃料（如煤、石油等），排放出了大量甲烷、CO2等多种温室气体，导致全球气候变暖加剧。不过，最近加拿大科学家发明了一种方法，可以让菱镁矿的形成过程加速数万倍。由于菱镁矿的形成过程中将会大量捕获二氧化碳，该方法因此将矿物固碳的现实性推进了一大步，为应对日益复杂的气候变化提供了一种新策略。
全球气候变暖加速冰雪消融
什么是二氧化碳矿物封存技术？
二氧化碳捕集和封存（carbon dioxide capture and sequestrations，CCS）项目是应对气候变化和巨大能源需求的现实选择之一。所谓CCS就是将工业和能源转化过程中产生的二氧化碳在排放之前就将其捕集，然后通过管线或者船舶运到封存地，压缩注入到地下深部适宜地层中，或者通过物理、化学等作用使其长期与大气隔离。
二氧化碳封存方式有地质封存、海洋封存及矿物封存，而二氧化碳矿物封存最具应用前景。二氧化碳矿物封存的核心是矿物碳化反应，即二氧化碳与碱性氧化物生成碳酸盐的反应。该过程主要经历三个阶段：二氧化碳溶解——钙镁离子从矿石中浸出——生成碳酸盐沉淀。
二氧化碳矿物碳化工艺路线一般分为直接碳化和间接碳化。直接碳化是矿物原料直接与二氧化碳或碳酸反应得到碳酸盐的方法，但它存在钙镁离子难以溶出的缺点。间接碳化是先使用媒介（酸、熔盐、铵盐、生物浸出等）将矿物原料中的钙镁离子浸出，再进行碳化反应。
矿物封存技术的亮点和不足
加拿大特伦特大学的研究小组介绍，到2050年，全球每年需要从大气中清除100亿吨二氧化碳，约为地球上所有人类体重的20倍。他们封存二氧化碳所用的矿物是菱镁矿（magnesite）。菱镁矿是天然矿物质，主要成分为碳酸镁，产地多在津巴布韦、巴西、澳洲和中国，其形成过程可以捕捉大气中的二氧化碳。
菱镁矿形成反应方程式
从化学反应式中可以看出，菱镁矿在形成过程中，需要消耗大量的二氧化碳。并且菱镁矿性质非常稳定，一吨的菱镁矿可以安全地储存大约半吨的二氧化碳。碳酸盐的自由能比二氧化碳低，因此矿物碳化过程从热力学角度上讲是可以自发进行的。但从动力学角度来看，如果让这种矿物天然形成，需历经数十万年，远远不能满足实际封存需求。
研究团队利用以聚苯乙烯制成的微细圆球作为催化剂，在室温条件下，菱镁矿结晶形成过程大大加快，时间可缩短至72天。聚苯乙烯作为催化剂，在反应过程中性质不会改变，可以重复使用。矿物的形成周期从数十万年压缩至数十天，这是本领域的重大突破，可以促进碳捕获和碳储存行业的发展前景。
需要指出的是，该项实验还处于早期研究阶段，且依然不是减缓气候变化的主要方法。要想固定100亿吨二氧化碳，则需要200亿吨菱镁矿，这么大的体量在现实中实现颇有难度。因此这项技术大规模的推广还取决于能源、资金和封存技术等问题的解决。
二氧化碳矿物封存技术的发展前景
目前国内外二氧化碳矿物碳化固定技术还停留在实验研究阶段，未来的发展重点将会落在探明不同原料及工艺的反应机理，优化工艺过程降低能源消耗和成本等方面。
参考 献：
（1） https://www.zmescience.com/science/news-science/magnesite-magnesium-mineral-co2-17082018/
（2） https://goldschmidt.info/2018/abstracts/abstractView?id=2018001242
（3） 张兵兵, 王慧敏, 曾尚红,等. 二氧化碳矿物封存技术现状及展望[J]. 化工进展, 2012, 31(9):2075-2083.
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