电石渣湿法矿化封存CO2的生命周期评估：从过程热点到碳中和潜力

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Electrochemical CO 2 Conversion to CH 4 over Anchored Nanohybrid MXene Electrocatalyst

为解决工业固废资源化与CO2减排的双重挑战，研究人员对电石渣湿法矿化封存CO2技术进行了全生命周期评估。结果表明，热干燥预处理是主要环境热点，而采用太阳能干燥及将碳酸化产物用于水泥混合可显著降低全球变暖潜能值，CO2减排潜力最高达3.5 kg/kg，为工业碳捕集与利用提供了可持续路径。

　　

随着全球工业化进程的加速，大气中二氧化碳（CO₂）浓度的持续升高已成为引发气候变化的关键因素。联合国政府间气候变化专门委员会指出，要在2050年前将全球温升控制在1.5°C以内，全球CO₂排放量需削减50%-80%。在这一背景下，碳捕集、封存与利用（CCSU）技术，特别是矿化碳封存技术，因其能够模仿自然界中金属氧化物/硅酸盐与CO₂反应生成稳定碳酸盐的地球化学过程而备受关注。在众多矿化路线中，直接湿法矿化以其反应动力学快、环境友好、碳化效率高（>85%）等优势，被认为是最具大规模应用前景的路线之一。

然而，传统的矿化技术可能面临高能耗、高成本以及环境二次影响等挑战。特别是，当使用天然矿物作为原料时，开采过程本身就会带来显著的环境负担。因此，利用富含钙、镁等碱性成分的工业固体废物，如电石渣，作为矿化原料，不仅可以实现CO₂的封存，还能促进固废的资源化利用，具有“一石二鸟”的潜力。电石渣是乙炔生产过程中的副产物，全球年产量约5600万吨，其氢氧化钙（Ca(OH)₂）含量高达70-90%，反应活性高，可在温和条件下（如常温、低压）高效转化为碳酸钙（CaCO₃）。但一个关键问题随之而来：这项看似环保的技术，其整个生命周期是否真的“环境友好”？是否存在隐藏的环境代价？为了回答这个问题，生命周期评估（LCA）这一标准化工具变得至关重要。它能够全面评估一项技术或产品从“摇篮到坟墓”（即从原材料获取到最终处置）的全过程环境影响，避免环境效益被潜在的环境负担所抵消。

尽管已有一些研究对矿化技术进行了LCA，但多数聚焦于气候相关指标，或使用天然矿物或部分工业废渣作为原料，且往往忽略最终产品的利用方式。针对电石渣这种特定废料进行湿法矿化的全面LCA研究，尤其是考察多种最终产品利用方案的研究，尚属空白。此外，现有研究很少同时评估18种 midpoint 环境影响指标，难以全面揭示该技术可能存在的环境权衡。为此，发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上的这项研究，首次对阿联酋地区电石渣湿法矿化封存CO₂进行了全面的 cradle-to-gate/grave 生命周期评估，旨在识别过程环境热点，评估不同废弃产品利用方案的环境效益，并探讨改进策略（如采用可再生能源）的减排潜力。

为开展这项研究，研究人员主要应用了以下几项关键技术方法：首先，对来自阿联酋阿布扎比的电石渣样品进行了系统的物理化学表征，包括能量色散X射线荧光光谱（ED-XRF）分析元素组成，激光粒度分析仪测定粒径分布，X射线衍射（XRD）鉴定矿物相，热重分析（TGA）评估热稳定性，以及氮气吸附-脱附法和扫描电子显微镜（SEM）分析比表面积、孔结构和表面形貌。其次，基于实验室规模的湿法矿化实验结果（如CO₂捕集容量、液固比等）进行数据外推，构建了大规模过程的生命周期清单。核心方法是遵循ISO 14044标准，使用OpenLCA软件和Ecoinvent 3.71数据库（包含阿联酋特定电力数据），采用ReCiPe 2016层次评估方法，对18个中点环境影响指标进行了量化分析。研究还设置了三种不同的废弃产品情景（ landfill 处置、替代石灰石、与水泥混合）并进行敏感性分析，以评估关键参数（如干燥方式、原料含水量）变化对结果的影响。

3.1. 电石渣样品的表征

通过对电石渣样品的分析，研究人员得出以下结论：元素组成显示钙（Ca）是主要元素，含量约95 wt%，其次是硅（Si，约2.9 wt%）。BET分析表明其比表面积为11.16 m2/g，孔体积为0.083 cm3/g。SEM图像显示颗粒表面粗糙，无明确晶体结构。XRD图谱确认波特兰石（Ca(OH)₂）是主要矿物相，并含有少量方解石（CaCO₃，约5%）。TGA曲线在450-550°C和650-850°C的质量损失分别对应于Ca(OH)₂和CaCO₃的分解。粒径分布显示85%的颗粒体积小于150 μm。这些特性表明该电石渣具有高反应活性，适合用于湿法矿化。

3.2. 湿法矿化过程的环境影响

对运输、预处理（干燥）和操作（筛分、泵送、碳化反应）三个主要阶段的评估发现：预处理阶段是绝大多数环境影响类别（约90%）的主要贡献者，其对全球变暖潜能值（GWP）的贡献达828.01 kg CO₂ eq，对化石资源稀缺性（FRS）的贡献为345.18 kg oil eq，在各类毒性影响（如人类非致癌毒性HNCT、海洋生态毒性MET、淡水生态毒性FET）中也占主导地位，这主要归因于热干燥过程的高能耗。运输阶段（50公里距离）对陆地生态毒性（TET, 765.98 kg 1,4-DCB eq）和土地利用（LU, 2.48 m2a crop eq）有显著贡献，但对GWP等指标的贡献相对较小（<10%）。操作阶段在所有类别中的环境影响均微乎其微（<1%），表明矿化反应本身在温和条件下进行是非常环保的。

3.3. 不同废弃产品考虑下的环境影响

比较三种废弃产品方案（Scenario 1: landfill 处置；Scenario 2: 替代石灰石；Scenario 3: 与水泥混合）发现：Scenario 1（ landfill 处置）在所有环境影响类别中都增加了净负担，尤其对LU、OFHH（臭氧形成对人类健康影响）、OFTE（臭氧形成对陆地生态系统影响）等类别增加显著。Scenario 2（替代石灰石）带来了适度的环境效益，但多数类别的净影响仍为正值，GWP仅降低约1-5%，LU和FPMF（细颗粒物形成）降低较明显。Scenario 3（与水泥混合）表现出最佳的环境效益，在所有类别中都实现了净环境效益（负值），GWP降低了超过300%（-2548 kg CO₂ eq），LU、FPMF、MRS（矿产资源稀缺性）等指标降幅高达数百至上千百分比，这主要得益于避免了传统水泥生产的高环境代价。

3.4. 替代干燥方法作为改进方案

鉴于热干燥是主要环境热点，研究评估了用太阳能干燥完全替代热干燥的改进方案。结果显示，改用太阳能干燥后，所有环境影响指标均大幅下降。例如，GWP从889 kg CO₂ eq降至61.26 kg CO₂ eq（降低约91%），FRS从366.11 kg oil eq降至20.94 kg oil eq，WC（水资源消耗）从1.71 m3降至0.10 m3，各类毒性影响也显著降低。这表明转向可再生能源是降低该技术环境足迹的关键。

3.5. 敏感性分析

敏感性分析表明，在混合干燥系统中，将太阳能干燥的比例提高50%，可使GWP、FRS等能源相关指标降低约46-48%。将原料含水量降低50%，可导致GWP降低约47.5%，OFHH、OFTE、LU、FPMF等指标变化更为敏感（变化幅度±56-59%）。这证实了干燥能耗和原料初始含水量是影响LCA结果的关键敏感参数。

3.6. 实际意义、局限性与未来展望

该研究表明，结合太阳能干燥和将碳酸化产品用于水泥生产的电石渣湿法矿化技术，具有显著的CO₂减排和资源节约潜力。按全球电石渣年产量估算，理论上每年可封存1.8至65.3百万吨CO₂，并可替代约75百万吨石灰石或水泥。然而，本研究基于实验室数据的外推，未来需要通过中试试验验证放大效应，并考虑电石渣和烟气成分的不确定性进行更稳健的不确定性分析。

综上所述，本研究通过系统的生命周期评估，揭示了电石渣湿法矿化封存CO₂技术的环境绩效。研究结论明确指出，该过程的环境热点在于预处理阶段的热干燥，其能耗是主要环境影响来源。通过采用太阳能干燥等可再生能源技术，以及将生成的碳酸钙（CaCO₃）作为替代材料与水泥混合使用，可以极大地扭转环境平衡，使该技术从净排放源转变为净碳汇，展现出巨大的CO₂减排潜力（最高可达3.5 kg CO₂ avoided/kg CO₂ captured）。这不仅为工业碳捕集与利用（CCU）提供了一条低能耗、高效益的技术路径，也有力地支持了循环经济和建筑行业低碳转型。未来研究需聚焦于工艺放大验证和关键参数的不确定性量化，以推动该技术向大规模工业化应用迈进。