《Separation and Purification Technology》：Enhanced mineral weathering as a carbon sequestration tool in the mining sector: Current and future field trials and experiments
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EMW利用硅酸盐矿物溶解固碳，采矿废料因高比表面积成为理想载体，需优化矿物学、粒径及环境条件以提升效率，并通过低能耗策略与生命周期评估实现规模化应用。
乔治·拉佐连科（Georgy Lazorenko）|亚历山大·克鲁格利科夫（Alexander Kruglikov）|安东·卡斯普日茨基（Anton Kasprzhitskii）
新西伯利亚国立大学，皮罗戈夫街2号，新西伯利亚630090，俄罗斯
摘要
增强型矿物风化（Enhanced Mineral Weathering, EMW）作为一种有前景的二氧化碳去除（Carbon Dioxide Removal, CDR）策略应运而生，它利用硅酸盐矿物的自然溶解作用来封存大气中的二氧化碳（CO2）。采矿行业产生的大量活性尾矿和废弃物为大规模实施EMW提供了独特的机会。本文汇编并讨论了近期在矿山进行的关于表面加速风化和矿物化的现场实验的证据，评估了影响风化速率的各种因素（如矿物学、颗粒大小、水文条件等），并指出了在工业场所部署EMW的近期可能性。这些见解被整合到一个实用框架中，该框架倾向于采用低能耗的方法，识别关键障碍，并制定了以过程整合、生命周期评估和成本优化为中心的研究议程。通过结合当前现场试验的经验与未来实验的设计原则，本文为将表面EMW的理论潜力转化为采矿行业的可验证、可持续的二氧化碳去除技术提供了前瞻性的视角和研究路线图。
引言
增强型矿物风化（EMW）作为一种有前景的二氧化碳去除（CDR）策略，利用硅酸盐矿物的自然溶解作用来封存大气中的二氧化碳（CO2），同时可能对气候和工业废弃物利用带来协同效益[1]、[2]、[3]。采矿系统因产生大量细碎的、化学性质适宜的尾矿（例如富含橄榄石、蛇纹石和辉石的残留物）而具有独特优势，这些尾矿具有较大的表面积且持续产生，相对于原位岩石而言，减少了预处理的需求[4]、[5]。超镁铁质和镁铁质矿石及其尾矿在储存设施中可以被动风化[6]、[7]、[8]。通过采矿副产品和废弃物的风化及矿物化实现碳封存的现象已在历史和现役矿山得到证实。一些例子包括加拿大育空地区克林顿溪（Clinton Creek）和不列颠哥伦比亚省卡西亚尔（Cassiar）的富含蛇纹石的尾矿[9]、[10]；加拿大魁北克省塞特福德矿（Thetford Mines）黑湖（Black Lake）的温石棉矿（Chrysotile Mine）的磨矿残渣[11]；澳大利亚伍兹里夫石棉矿（Woodsreef Asbestos Mine）的温石棉尾矿[12]、[13]、[14]；加拿大西北地区迪亚维克钻石矿（Diavik Diamond Mine）的加工金伯利岩[15]；以及南非库利南（Cullinan）和沃斯波德（Voorspoed）钻石矿的金伯利岩残渣[16]。被动矿物碳酸化的速率取决于原料的矿物学性质以及溶解动力学，而溶解动力学又受反应表面积、温度和溶液组成的影响[17]、[18]。例如，威尔逊（Wilson）等人对西澳大利亚基思山镍矿（Mount Keith Nickel Mine）超镁铁质尾矿中的二氧化碳封存量进行的定量评估显示，每年约有39,800吨二氧化碳被固定在尾矿中，抵消了该矿约11%的年温室气体排放量。同时，通过水溶液、气固反应或混合途径可以增加矿物碳酸化的速率。
利用采矿副产品和废弃物进行二氧化碳去除（CDR）的技术在理解反应机理和动力学方面取得了显著进展[17]、[20]，同时也在开发加速矿物碳酸化的实验室方法[21]、[22]、[23]。这些实验的结果令人鼓舞。下一个关键挑战是在降低能耗的同时扩大现有矿物碳酸化技术的规模并保持成本效益。对于大规模处理采矿副产品和废弃物，能够在接近常温常压条件下运行的方法是一个重要的发展方向。鉴于此，有必要在真实的采矿环境中进行广泛的现场试验和实验，以验证被动和加速碳封存方法的有效性。
采矿和矿物加工活动会产生大量富含硅酸盐的尾矿、炉渣和其他废弃物，这些物质向碳酸盐转化的热力学驱动力为大气中二氧化碳的封存提供了大量未开发的途径。在全球范围内量化这一潜力需要协调生产统计数据、矿物学库存以及关于气候和物流的地理空间数据，以限制每种废弃物和副产品的理论封存能力和实际应用限制。目前只有少数国家（包括西班牙[24]、南非[25]、[26]、中国[27]、英国[28]、[29]、[30]、[31]和日本[32]）详细评估了采矿废弃物的被动风化和碳酸化潜力。在化学适用性、矿物反应速率和处理量方面具有潜力的采矿废弃物包括含有蛇纹石的石棉和滑石矿床、金伯利岩钻石矿、硫化镍矿石、富含橄榄石的杜纳岩（dunite）以及含铂族金属的镁铁质侵入体（图1）。对2030年至2100年间全球每年产生的尾矿的情景建模表明，被动风化每年可封存约93百万吨二氧化碳（CO2），如果颗粒大小减小且浸出液呈微酸性，这一数值可增加到约4.65亿吨二氧化碳（CO2）[18]。在这些“改进”的条件下，到2100年的累计封存量将达到33亿吨二氧化碳（CO2），其中超过60%来自南部非洲、俄罗斯和北美的高产量铂族金属（PGM）尾矿[18]。布洛克（Bullock）等人对金属和钻石采矿废弃物二氧化碳封存潜力的全球分析表明，目前的尾矿原则上每年可捕获1.1至4.5亿吨二氧化碳（CO2（最佳估计为2.4亿吨二氧化碳，CO2），抵消采矿行业约31%至125%的直接排放量。在此背景下，EMW作为一种加速自然碳酸化过程的方法显得尤为有前景。由于采矿行业拥有大量细碎且化学性质活跃的尾矿和废弃物，因此它处于采用EMW的独特位置。然而，EMW的效率取决于多种因素，包括矿物学性质、颗粒大小和环境条件，因此需要针对不同类型的采矿废弃物制定定制化的策略。
部分摘录
范围、贡献与创新性
近年来，增强型矿物风化（EMW）和矿物碳酸化作为二氧化碳去除（CDR）的有效途径受到了广泛关注，相关研究探讨了反应机理、动力学、激活策略以及岩石和工业副产品的理论封存潜力（表1）。现有研究提供了关于实验室规模碳封存过程、矿物学控制因素以及新兴加速技术的宝贵见解，同时也对采矿废弃物进行了全面评估。
概念背景与基础
在本研究中，表面增强型矿物风化被定义为通过暴露和管理地表细碎的矿物残渣来有意加速自然发生的风化反应，目标是在常温常压条件下促进大气中二氧化碳（CO2的吸收。与异地矿物碳酸化或地下原位注入方法不同，表面EMW依赖于二氧化碳（CO2）-水-矿物之间的反应。
镍矿开采
由于富含水镁石（brucite）的矿物学特性，镍矿尾矿对大气中的二氧化碳（CO2具有较高的反应性[49]。此处讨论的大多数现场研究涉及从蛇纹石化橄榄岩中提取的超镁铁质尾矿。这些残留物主要由蛇纹石类矿物（通常是 lizardite）组成，在蛇纹石化过程中形成了含量可变但通常较高的水镁石，这显著增强了碳封存效果。
增强型矿物风化在野外实验中的应用
在野外实验中应用EMW是评估其大规模碳封存潜力的关键步骤。现场研究提供了关于实际条件下风化速率、生物地球化学响应和二氧化碳去除效率的重要数据。与受控的实验室环境不同，野外试验必须考虑气候变化引起的水分流动、空气温度、微生物活动以及矿山废弃物的异质性等因素。
汉密尔顿（Hamilton）等人
在工业场所加速矿物风化的策略
基于近期现场研究的经验以及采矿副产品和废弃物风化及矿物化的反应机理，可以提出几种关键策略来提高这一过程在工业规模上的动力学和效率（图12）。如表2所示，这些方法大致可分为被动、低强度的表面干预措施以及更积极的机械、生物或化学辅助策略。
生命周期评估与经济考量
生命周期评估（LCA）为评估采矿场所表面EMW是否能够实现净二氧化碳去除（CDR）提供了重要框架。然而，目前关于表面EMW的生命周期评估和经济分析在数量、范围和时间覆盖方面仍然有限，主要是因为大多数应用仍处于试点或观察性阶段，尚未达到持续工业运营的水平。与异地矿物碳酸化或专门建造的增强型风化系统不同，表面EMW依赖于...
二氧化碳去除的碳酸盐与硅酸盐风化途径
尽管本综述重点关注硅酸盐风化途径，但碳酸盐矿物和富含碳酸盐的废弃物也可以用于增强型风化策略，因为碳酸盐的溶解速度相对于硅酸盐更快，并且可以在短时间内以HCO3?的形式增加溶解性（DIC）的输出[112]。在土壤中，较高的二氧化碳浓度（高达10?2 atm，约为大气CO2浓度的15倍）可以显著提高碳酸盐的溶解度并促进溶解过程中的高DIC通量[113]。然而，净二氧化碳去除量...
总结与展望
本文汇总并讨论了当前EMW研究的进展，强调了其将二氧化碳封存与工业废弃物增值相结合的潜力。在澳大利亚新南威尔士州伍兹里夫温石棉矿（Woodsreef Chrysotile Mine）、加拿大魁北克省LAB温石棉矿（LAB Chrysotile Mine）和南非林波波省威尼斯亚钻石矿（Venetia Diamond Mine）进行的现场试验和实验，展示了EMW规模化应用的可行性和挑战。主要发现突出了矿物学性质、颗粒大小等因素的重要性...
CRediT作者贡献声明
乔治·拉佐连科（Georgy Lazorenko）：撰写原始草稿、可视化设计、方法论研究、概念构建。
亚历山大·克鲁格利科夫（Alexander Kruglikov）：撰写原始草稿、验证结果、进行研究。
安东·卡斯普日茨基（Anton Kasprzhitskii）：撰写原始草稿、验证结果、进行研究、进行正式分析、数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢俄罗斯联邦科学与高等教育部（Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation）的支持（资助编号：FSUS-2024-0027）。
