玄武岩在低水合条件下实现高效CO2封存：超临界碳矿化技术的突破性进展

为应对气候变化中CO2封存的水资源限制问题，研究人员探索了玄武岩在低水合（30%含水量）和超临界CO2（sc-CO2）条件下的矿化潜力。通过XRD和SEM-EDS分析，发现玄武岩粉末可高效形成方解石、菱铁矿、菱镁矿和铁白云石等稳定碳酸盐矿物，28天内碳化效率达18.4%。该研究为干旱地区碳捕集与封存（CCUS）提供了可持续解决方案。

　　

在全球气候危机加剧的背景下，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术成为减缓大气CO₂浓度的关键策略。然而，传统矿物碳酸化技术依赖高水合环境，限制了其在干旱地区的应用。玄武岩因其富含钙、镁、铁硅酸盐矿物，被视为理想的CO₂封存介质，但低水合条件下的反应机制尚不明确。来自福建某研究机构的研究团队通过创新实验设计，揭示了玄武岩在超临界CO₂（sc-CO₂）和低水合条件下的高效矿化路径，相关成果发表于《Geoscience Frontiers》。

研究采用福建福鼎火山盆地的玄武岩样本，通过控制30%含水量、50°C和15 MPa条件，结合X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜-能谱联用技术（SEM-EDS），动态监测了0-28天内矿物演变。实验系统模拟了低水合地质环境，利用sc-CO₂的高密度和低粘度特性，实现了气相-固相直接反应。

3.1. XRD揭示碳封存动力学
XRD分析显示，玄武岩中辉石（66.6 wt.%）主导初始矿物相，7天内即检测到方解石（2θ=29.42°）、菱铁矿（32.63°）和铁白云石（30.84°）的形成。28天后，四种碳酸盐矿物结晶度显著提升，总含量达18.4%，证实低水合条件下仍可实现高效矿化。

3.2. 矿物组成的定量演变
10-20 μm细颗粒在21天时碳化效率达峰值22.3%，而40-50 μm粗颗粒则呈现持续增长趋势。辉石含量从初始66.6%降至55.1%，铁白云石增长至7.0%，反映Mg²⁺/Fe²⁺离子置换的动态过程。

3.3. 碳化路径的跨研究对比
与饱和水条件相比，低水合体系更易形成铁/镁碳酸盐。例如，50°C/8 MPa饱和水实验仅生成菱铁矿，而本研究同时获得方解石和铁白云石，说明水含量显著影响矿物相选择性。

3.4. SEM-EDS揭示形貌演化
7天时纳米级碳酸盐分散分布，28天通过奥斯特瓦尔德熟化形成微米级晶体。EDS证实铁白云石颗粒尺寸随时间增大，而菱铁矿逐渐被菱镁矿替代，符合溶解-再沉淀机制。

3.5-3.7. 反应动力学与热力学机制
热力学计算显示铁白云石（ΔG=?1819.34 kJ/mol）比方解石更稳定。低水合条件通过限制离子扩散速率，促使局部过饱和，优先形成亚稳态菱铁矿，后期逐步转化为热力学稳定的菱镁矿。

该研究证实，玄武岩在sc-CO₂和低水合条件下仍能实现CO₂的高效矿化，突破传统CCUS技术的水资源瓶颈。通过调控颗粒尺寸（10-50 μm）和反应时间（7-28天），可优化碳封存效率。这一发现为干旱地区碳封存提供了新思路，同时为工业级CCUS系统设计提供了理论依据。未来研究可探索该技术与地热系统等可再生能源的协同应用，进一步提升可持续性。