综述：在利用粉煤灰间接矿化二氧化碳（CO?）的过程中，工艺参数与反应动力学对实现高效碳捕获与利用具有重要意义

《Process Safety and Environmental Protection》：Process Parameters and Reaction Kinetics in the Indirect Mineralisation of CO 2 with Fly Ash: Towards Efficient Carbon Capture and Utilization

碳捕集与封存中粉煤灰间接矿物化技术的研究进展与挑战，系统分析了钙离子浸出和碳化反应的关键影响因素，建立了工艺参数与矿物化效率的关联模型，揭示了气-液-固多相反应机制及速率控制瓶颈，提出优化路径和规模化应用策略。

　　实现“碳达峰与碳中和”目标对于全球生态安全和可持续发展具有重要意义。在全球范围内，温室气体（GHGs）的排放量持续上升，其中包括甲烷（CH?）、氧化亚氮（N?O）以及尤为突出的二氧化碳（CO?）。其中，CO?的浓度上升已成为全球变暖的主要驱动因素。大量的CO?排放对地球生态系统造成了严重影响，例如极端天气事件的增加、环境灾害的频发、冰川融化、海水酸化以及生物多样性的丧失。根据大气管理局的数据，自19世纪以来，全球大气中CO?的浓度已从大约360 ppm上升到目前的425 ppm，这一增长速度约为每年2.9 ppm。全球对化石燃料的深度依赖，以及不断增长的能源需求（预计到2040年将增长超过28.6%），使得碳排放问题愈发严峻。国际能源署（IEA）在《全球能源回顾2025》中指出，2024年全球能源相关CO?排放量达到了历史峰值37.8 Gt。因此，实现能源系统的去碳化对于缓解气候变化具有决定性作用。

在中国，燃煤发电是主要的能源消费形式，燃煤过程会产生大量飞灰和CO?排放。飞灰是燃煤发电厂的主要固体废弃物，每燃烧两吨煤大约会产生一吨飞灰。全球每年飞灰的产量在6到8十亿吨之间，但其综合利用率仅约为80%。未被充分利用的飞灰不仅占用大量土地资源，还可能通过淋溶和排放造成地下水、空气和土壤的环境污染。在中国，飞灰已成为最大的单一固体废弃物污染源，亟需进行管理。与其他工业固体废弃物如钢渣和电石渣相比，飞灰中碱土金属元素的含量较低，因此当前关于飞灰矿化的主要研究集中在影响因素和反应动力学方面，这些因素是限制其大规模工业应用的关键瓶颈。

为了应对全球CO?带来的气候和环境问题，不仅需要减少向大气中排放的CO?量，还需要去除已经排放到大气中的CO?，以实现碳排放和碳中和。碳中和被定义为一种净零排放的形式，可以通过抵消一个国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的CO?或温室气体排放量来实现。这可以通过能源转型和碳抵消等机制来达成，以实现相对“零排放”。为了减缓全球变暖的速度，已经采取了多种措施来减少大气中的CO?排放或浓度。例如，使用风能、太阳能和生物质等非碳可再生能源。尽管可再生能源具有环保优势，但其实施成本较高，而化石燃料的广泛可用性限制了这些清洁能源的推广。考虑到上述情况，化石燃料预计将在未来几十年内仍然是主要的能源来源。因此，碳捕集与封存/利用（CCS/U, CCUS）技术对于减少CO?排放具有重要意义。据估计，到2050年，CCUS技术将在全球电力生产和工业领域得到广泛应用，每年封存超过7十亿吨的CO?。这一技术已成为发达国家竞争研究的焦点，同时也是国际社会应对气候变化的重要策略。

CO?的矿化与封存技术是解决这一问题的关键途径之一。该过程涉及将CO?永久封存在碱性材料中，利用含有Ca2?/Mg2?离子的碱性金属氧化物。这一过程模拟了自然界的岩石风化过程，旨在实现CO?的减排。CO?矿化与封存的化学过程复杂，其核心在于通过碱性材料的反应将CO?转化为稳定的碳酸盐矿物，从而实现长期的CO?固定。然而，目前的CO?矿化技术仍面临诸多挑战，包括矿化效率较低、反应动力学较慢以及CO?处理能力有限。因此，研究如何提高矿化效率并优化反应条件具有重要意义。

飞灰矿化是实现CO?减排的双重效益方案之一，它不仅能够封存CO?，还能利用固体废弃物。然而，当前技术在钙离子提取和溶液碳化两个核心阶段都存在一系列相互关联的挑战。钙离子的提取是制备碳酸钙的关键步骤，影响钙离子提取的因素包括浸出剂的种类和浓度、液固比、温度、浸出时间以及飞灰的性质。例如，浸出剂的选择对钙离子的溶解效率有显著影响，不同的浸出剂可能对飞灰中的钙元素具有不同的溶解能力。此外，浸出时间的长短也会影响钙离子的提取率，通常较长的浸出时间可以提高提取效率，但也会增加成本。温度和液固比则影响钙离子的扩散速度和反应速率，高温通常有助于提高反应速率，而较高的液固比则可能促进钙离子的充分溶解。飞灰的性质，如其化学成分和结构，也对钙离子的提取产生影响。飞灰通常具有类似水泥的外观，颜色从灰白色到深灰色不等，其结构由球形颗粒组成，颗粒表面可能光滑或具有微孔，这些物理特性决定了其反应活性。

在飞灰的浸出过程中，飞灰中的钙元素需要被提取出来，以便后续的碳化反应。碳化反应是飞灰浸出液与CO?气体之间的复杂反应过程，其效率受到质量传递和化学动力学的共同影响。碳化过程可以被概念化为几个连续的阶段：首先，钙离子从固相基质溶解到液相中；其次，CO?气体扩散并水合形成碳酸根离子（CO?2?）；接下来，碳酸根离子与钙离子发生化学反应形成碳酸盐晶核；最后，碳酸盐晶核沉淀并形成固体碳酸钙。这一过程的每个阶段都受到不同因素的影响，例如CO?的浓度、反应温度、搅拌速度以及溶液的化学性质。CO?的浓度直接影响反应的进行，较高的CO?浓度可以提高反应速率，但可能增加成本。反应温度是影响质量传递和化学反应速率的重要因素，通常较高的温度有助于提高反应效率。搅拌速度则影响CO?与飞灰浸出液之间的混合程度，较高的搅拌速度可以促进质量传递，从而提高反应效率。溶液的化学性质，如pH值和离子浓度，也会影响反应的进行。例如，较高的pH值可以促进碳酸根离子的形成，从而提高反应效率。

尽管飞灰矿化技术在理论上具有可行性，但在实际应用中仍面临诸多挑战。首先，钙离子的提取效率较低，这限制了飞灰矿化技术的整体应用。其次，反应动力学较慢，这使得飞灰矿化过程需要较长的时间，从而影响其工业化应用的可行性。此外，CO?的处理能力有限，这限制了飞灰矿化技术在大规模应用中的潜力。因此，为了提高飞灰矿化技术的效率，需要深入研究影响钙离子提取和碳化反应的关键因素，并探索优化这些因素的方法。

在飞灰矿化过程中，反应速率和效率是决定其应用前景的重要因素。因此，研究反应动力学对于优化飞灰矿化技术具有重要意义。反应动力学分析可以揭示控制反应速度和平衡的机械因素，例如气体-液体扩散和表面覆盖效应。这些因素可能限制飞灰矿化过程的进行，因此需要通过合理的实验设计和模型分析来优化反应条件。例如，通过改变浸出剂的种类和浓度、调节反应温度和液固比、优化搅拌速度等方法，可以提高钙离子的提取效率和碳化反应的进行速度。此外，研究飞灰的物理化学性质，如其结构和表面特性，也可以为优化反应条件提供依据。

为了实现飞灰矿化技术的规模化应用，需要解决一系列技术、经济和环境问题。技术方面，需要提高钙离子的提取效率和反应动力学，以确保飞灰矿化过程的顺利进行。经济方面，需要降低飞灰矿化技术的成本，使其在经济上具有可行性。环境方面，需要确保飞灰矿化过程不会对环境造成二次污染，同时能够充分利用飞灰这一固体废弃物。因此，飞灰矿化技术的研究需要从多个角度进行，包括化学、物理、机械和经济等方面。

在飞灰矿化技术的研究中，一个重要的挑战是提高钙离子的提取效率。目前，钙离子的提取效率较低，这限制了飞灰矿化技术的整体应用。为了提高钙离子的提取效率，需要优化浸出剂的种类和浓度，选择能够有效溶解钙离子的浸出剂。例如，使用强酸或碱性浸出剂可以提高钙离子的提取效率，但可能对环境造成影响。因此，需要在提取效率和环境影响之间找到平衡。此外，优化浸出时间、温度和液固比也可以提高钙离子的提取效率。例如，延长浸出时间可以提高钙离子的提取率，但会增加成本。较高的温度可以加快反应速率，但可能增加能耗。较高的液固比可以促进钙离子的充分溶解，但会增加浸出液的用量。

另一个重要的挑战是提高碳化反应的效率。碳化反应是飞灰浸出液与CO?气体之间的复杂反应过程，其效率受到质量传递和化学动力学的共同影响。为了提高碳化反应的效率，需要优化反应条件，例如CO?的浓度、反应温度和搅拌速度。较高的CO?浓度可以提高反应速率，但可能增加成本。较高的反应温度可以加快反应速率，但可能增加能耗。较高的搅拌速度可以促进CO?与飞灰浸出液之间的混合，从而提高反应效率。此外，研究飞灰浸出液的化学性质，如pH值和离子浓度，也可以为优化反应条件提供依据。

飞灰矿化技术的另一个挑战是提高CO?的处理能力。目前，飞灰矿化技术的CO?处理能力有限，这限制了其在大规模应用中的潜力。为了提高CO?的处理能力，需要优化飞灰的结构和表面特性，使其具有更高的反应活性。例如，通过改变飞灰的颗粒形态和表面结构，可以提高其与CO?的反应效率。此外，研究飞灰的化学成分，如其碱性物质和硅酸盐的含量，也可以为优化反应条件提供依据。

飞灰矿化技术的经济可行性也是研究的重要方向之一。目前，飞灰矿化技术的成本较高，这限制了其在经济上的可行性。为了降低飞灰矿化技术的成本，需要优化反应条件，例如减少浸出剂的用量、提高反应效率、降低能耗等。此外，研究飞灰的综合利用率，如其在建筑材料、土壤改良等领域的应用，也可以为降低技术成本提供依据。

在飞灰矿化技术的研究中，还需要考虑其环境影响。飞灰矿化过程可能会对环境造成二次污染，因此需要确保其不会对环境产生负面影响。例如，研究飞灰浸出液的排放对地下水、空气和土壤的影响，以及飞灰矿化过程中可能产生的其他污染物，可以为优化技术提供依据。此外，研究飞灰矿化技术对生态系统的影响，如其对生物多样性和生态环境的潜在影响，也可以为优化技术提供依据。

飞灰矿化技术的未来发展需要从多个方面进行探索。首先，需要进一步研究飞灰矿化机制，以提高反应速率和效率。其次，需要优化反应条件，例如浸出剂的种类和浓度、反应温度和液固比、搅拌速度等，以提高钙离子的提取效率和碳化反应的进行速度。此外，还需要研究飞灰的综合利用率，以提高飞灰矿化技术的经济可行性。最后，还需要考虑飞灰矿化技术对环境的影响，以确保其不会对环境造成二次污染。

飞灰矿化技术的广泛应用对于实现“碳达峰与碳中和”目标具有重要意义。通过飞灰矿化，不仅可以减少CO?排放，还能充分利用固体废弃物，实现资源的循环利用。因此，飞灰矿化技术的研究需要从多个角度进行，包括化学、物理、机械和经济等方面。未来的研究方向应聚焦于提高飞灰矿化技术的效率和可行性，以支持“双碳”目标和可持续的固体废弃物管理。