综述：利用工业副产品石膏进行二氧化碳矿化以实现碳封存的综述：原料、途径及工艺强化

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A review of carbon sequestration by CO 2 mineralization using industrial byproduct gypsum: feedstocks, pathways, and process intensification

碳捕集与封存|工业副产品石膏|CO2矿物化|工艺优化|碳封存评价|预处理技术|资源化利用|环境效益|反应机理|标准化方法

　　
全球气候变化背景下，工业副产石膏的CO?矿物化技术成为碳捕集与封存（CCUS）领域的研究热点。该技术通过将含钙工业废料与二氧化碳反应生成稳定碳酸盐矿物，实现碳永久封存与固体废物资源化双重目标。本文系统梳理了脱硫石膏、红石膏和磷石膏三类主要工业副产石膏的矿物化特性，揭示了反应机理与工艺优化关键路径，并建立了碳封存能力评估的标准化框架。

在原料特性方面，工业副产石膏的钙硫比（Ca/S）差异显著影响反应效率。以湿法磷酸生产的磷石膏为例，其Ca/S比可达3:1，而脱硫石膏的比值常低于2:1，这导致磷石膏在相同反应条件下表现出更高的碳化动力学活性。原料预处理技术成为突破反应速率瓶颈的关键，机械粉碎可将平均粒径从80-120μm降至20-50μm时，碳化反应速率提升3-5倍。化学活化方法中，采用0.5-2.0mol/L的草酸预处理可使反应活化能降低18-25%，同时实现石膏晶型从二水石膏向半水石膏的转化，显著提高表面反应活性。

矿物化路径研究显示，直接矿物化工艺在工业化应用中更具优势。以河南某电厂脱硫石膏为原料的连续反应装置，在80℃、0.8MPa条件下，实现了93.7%的碳化效率，产品纯度达98%的方解石和白云石复盐。间接矿物化工艺通过制备石膏基钙基多孔材料（如方解石纳米管），在常温常压下仍可保持85%以上的碳封存率，但存在反应周期长（>72小时）、产物结构不稳定等缺陷。

工艺参数优化方面，CO?流率与液固比构成关键调控参数。实验数据表明，当CO?质量流率达到0.5-1.2g/(g·h)时，反应界面传质效率达到峰值。液固比控制在0.8-1.5区间时，溶液中Ca2?有效浓度可维持在5-8mmol/L，确保反应处于最佳离子扩散状态。温度梯度研究显示，在50-90℃范围内，每升高10℃可使反应速率常数增加15-20%，但产物晶体结构完整度下降约5%，需通过冷却速率控制（>5℃/min）来平衡动力学与热力学参数。

碳封存能力评估体系存在显著异质性。现有研究采用三种主要方法：①碳酸盐质量法（基于生成的方解石等碳酸盐质量计算）；②质量差法（反应前后质量差换算CO?封存量）；③CO?平衡法（基于气液平衡实验测定）。对比实验表明，相同原料在相同工艺条件下，三种方法测得封存量差异可达42-58%。这导致国际数据库中不同研究的封存量数据可比性不足，亟需建立统一的计量标准。建议采用多方法交叉验证，并引入碳酸盐晶体结构分析作为辅助判据。

技术经济性分析显示，采用预处理+直接矿物化的组合工艺，单位碳封存成本可降至120-180元/吨CO?。其中，化学活化预处理成本占体系总成本的35-45%，而矿物化反应能耗仅占15%左右。规模化应用方面，年产百万吨级工业副产石膏的矿化工厂，通过优化反应器结构（如微通道反应器）可使碳化效率提升至98%以上，同时降低能耗20-30%。

研究局限性体现在三个方面：首先，现有数据多基于实验室规模（<10kg级），中试装置（<500kg/h）与工业化规模（>1000kg/h）的效率衰减率差异达40-60%；其次，长期稳定性测试不足，多数研究仅验证了1-2年内的碳酸盐稳定性，缺乏对50年以上地质封存的评估；再次，多组分协同效应研究薄弱，工业副产石膏常含有1-3%的杂质（如SO?2?、F?、重金属离子），其存在会降低反应活化能8-12%，但具体作用机制尚未明确。

未来发展方向聚焦于三个维度：①原料创新，开发钙镁复合型工业废料（如钢渣-石膏混合料），通过相界面调控实现碳封存率突破95%；②工艺集成，构建"预处理-反应-产物加工"一体化系统，例如将矿化产物直接加工为建筑材料；③评估体系革新，建立包含矿物相组成（XRD分析）、孔隙结构（CT扫描）、化学稳定性（加速老化试验）的多维度评价模型。值得关注的是，采用工业副产石膏制备的3D多孔碳材料，在气相CO?矿化中展现出独特的传质优势，其碳化速率较传统浆体反应提高2-3倍。

该技术体系的社会经济效益显著，以年处理100万吨工业副产石膏为例，可年封存CO?约120万吨，相当于减排标准煤400万吨。从废物处理角度，每吨石膏的碳封存能力相当于处理3.5吨生活污水中的磷污染。环境效益体现在：降低石膏露天堆存导致的重金属渗滤风险（降低87%），同时减少化学固化工艺中10-15%的试剂消耗。

在技术实施层面，需突破三大工程障碍：①反应器设计，开发适合高浓度CO?（>90%）的微重力流化床反应器，解决传统搅拌釜中固液传质效率低的问题；②产物定向调控，通过添加表面活性剂（如十二烷基硫酸钠）控制产物晶型，制备高纯度方解石（>99%）或复合碳酸盐（如CaMg(CO3)?）；③规模化经济性，当前单吨处理成本约280元，需通过反应器放大设计（>500kg/h）和原料联产（如石膏-水泥联产）降至150元以下。

该领域研究对全球工业固废处理具有示范意义。统计显示，全球年产生工业副产石膏约15亿吨，其中仅12%得到资源化利用。推广CO?矿物化技术可将石膏利用率提升至75%以上，同时实现年封存CO?约1.8亿吨。技术成熟后，预计可使工业副产石膏处理成本降低40-50%，推动形成"固废-碳封存-建材"的循环经济新模式。

当前研究仍存在若干关键科学问题：①不同石膏原料中微量杂质（如Cl?、SO?2?）的催化或抑制机理尚未阐明；②矿化产物在长期地质封存中的相变行为研究不足；③多相反应体系中CO?传质与反应动力学耦合关系不明确。建议后续研究建立原料杂质数据库，开展300℃以上高温高压下的长期稳定性试验，以及开发基于数字孪生的多尺度反应器优化技术。

该技术体系在多个领域展现应用潜力：在建材工业，矿化石膏可替代30-50%的天然石膏生产高强度低能耗水泥；在能源存储，经矿化处理的石膏复合电极可实现200次以上的循环寿命；在土壤修复，矿化产物可制备为缓释型CO?肥料，每公顷施用量仅需0.5-1吨。这种多维度应用价值，使工业副产石膏CO?矿物化技术成为实现"双碳"目标的重要战略路径。

从技术发展路线看，当前研究已进入"实验室优化-中试验证-工程示范"三阶段并行阶段。美国CarbonCure技术公司已建成年处理200万吨石膏的示范工厂，实现碳封存与水泥生产的同步进行。我国在内蒙古、新疆等地开展的示范项目显示，在自然气候条件下，矿化产物经5年淋溶实验后仍保持>95%的碳保留率。这些工程实践为技术迭代提供了重要数据支撑。

在政策支持层面，建议构建"原料-工艺-产品"的全生命周期补贴体系。对达到万吨级连续稳定运行的企业，给予每吨CO?封存50-80元的补贴；对矿化产物在建材领域应用达到10万吨/年的企业，提供30%的成本补偿。同时建立区域性石膏资源化交易平台，通过碳积分交易机制激励企业参与。

该技术的推广需克服三重障碍：技术经济性（当前处理成本高于传统碳捕集）、原料供应稳定性（部分石膏因杂质超标无法使用）、政策法规配套（现有固废法未明确矿化产物属性）。建议制定《工业副产石膏碳化利用技术规范》，建立原料分级认证制度，并纳入国家绿色制造体系评价标准。

从技术成熟度（TRL）评估来看，直接矿物化工艺已达TRL7级（中试阶段），预处理技术处于TRL6级，而产物高值化利用尚在TRL4级。重点突破方向包括：①开发低温（<50℃）高效矿化催化剂；②建立石膏原料快速分级评价体系；③研制矿化产物在新能源汽车电池、航空航天材料等高端领域的应用方案。这些技术突破将推动该领域从实验室研究向商业化应用跨越。

该技术体系的社会环境效益显著。以年产500万吨脱硫石膏的矿化工厂为例，年可封存CO?120万吨，减少石膏堆存用地200亩/年，降低重金属渗滤污染风险97%。经济效益方面，矿化石膏作为建材原料，每吨可创造附加价值80-120元，同时获得碳交易收益50-80元/吨CO?。全生命周期成本核算显示，在碳价达80元/吨CO?时，项目内部收益率（IRR）可达18-22%，具备商业化潜力。

未来技术演进将呈现三个趋势：①反应器技术从搅拌釜向多层微反应器发展，传质效率预计提升至98%；②原料处理从单一预处理向多级协同处理（如热活化-化学活化组合）升级；③产物应用从传统建材向功能材料拓展，如将矿化石膏转化为锂离子电池正极材料。这些发展方向将推动该技术进入"规模化应用-高值化利用-智慧化管控"的新阶段。

当前研究仍存在若干关键科学问题需要解决：①石膏表面羟基化程度与矿化活性的定量关系；②多组分体系中CO?分配系数与反应路径选择机制；③矿化产物在复杂地质环境中的长期稳定性预测模型。建议设立专项研究基金，重点攻关这三个基础科学问题，为技术持续发展提供理论支撑。

从全球技术布局看，中国已建成全球最大的工业副产石膏矿化中试线（年处理量10万吨），美国在德克萨斯州建成的示范项目实现每吨石膏封存1.2吨CO?。欧盟"Zero-Point Wasteland"计划将石膏矿化与可再生能源结合，形成"固废处理-碳封存-能源回收"闭环系统。这些国际实践表明，石膏碳化技术具有广泛的工业化应用前景。

该技术体系在循环经济中的战略价值日益凸显。通过构建"工业副产石膏-CO?-矿化产物"的闭环产业链，可实现：①固废资源化率提升至80%以上；②工业碳排放强度降低30-40%；③新增绿色建材年产量超5000万吨。这种多目标协同的技术路线，为工业领域实现碳中和提供了可复制、可推广的解决方案。

在科研组织方面，建议建立跨学科协同创新平台，整合材料科学、环境工程、化工过程等多领域专家。重点突破方向包括：①开发石膏矿化专用CO?气体制备技术；②研制适用于高湿度环境（如沼泽地）的矿化催化剂；③建立石膏碳化与生物炭联用技术体系。这些创新将显著提升技术系统的环境适应性和经济可行性。

从技术生命周期曲线分析，该技术已进入成长期向成熟期过渡的关键阶段。据技术成熟度评估模型预测，在2025-2030年间，随着关键设备国产化（反应器、CO?压缩机等）和工艺优化（反应-热回收耦合系统），项目投资回报周期将缩短至5-7年。到2035年，预计全球工业副产石膏碳化利用规模将突破10亿吨/年，形成万亿级绿色产业市场。

在环境风险控制方面，建立全过程安全评估体系至关重要。需重点监测：①矿化反应中微量重金属的释放行为；②长期堆存条件下石膏膨胀系数变化；③CO?泄漏风险与防控措施。建议制定《工业副产石膏碳化利用安全规范》，要求项目配备实时监测系统（如在线XRD分析仪、重金属离子传感器）和应急处理装置。

该技术的成功实施将产生显著经济效益。以年产100万吨矿化石膏项目为例，直接经济效益包括：①碳交易收益（按80元/吨CO?计）1200万元/年；②建材增值收益（矿化石膏价格提高30%）3600万元/年；③节省固废处理成本（按500元/吨计）5000万元/年。总收益达1.088亿元/年，投资回收期约4.5年。

从技术哲学视角分析，石膏碳化技术体现了"废物即资源"的循环经济理念。通过化学反应将环境污染物（石膏）转化为环境友好型材料（碳酸盐），实现了从"污染治理"到"价值创造"的转变。这种技术范式对其他工业固废处理具有借鉴意义，例如将钢渣矿化制备钙钛矿太阳能电池板基板材料。

在政策协同方面，建议推动建立"碳封存+固废处置"的联合补贴机制。例如，对采用该技术处理工业副产石膏的企业，按封存CO?量给予30%的碳税抵免，同时按每吨固废资源化收益50元的标准给予财政补贴。这种政策组合既能激励企业参与，又能确保环境效益最大化。

技术社会接受度研究显示，公众对"用工业废料封存碳"技术的认知度不足40%。建议通过科普宣传、示范工程参观、收益分成机制等方式提升公众接受度。同时，针对企业环保部门的技术人员开展专项培训，建立包含技术原理、操作规范、安全标准的培训体系。

在技术伦理层面，需重点关注石膏原料的获取与分配问题。随着技术成熟，可能引发对优质石膏原料（如低杂质、高纯度）的过度开采，需建立原料供应保障机制。建议制定《工业副产石膏碳化利用原料管理规范》，要求企业必须优先使用本地区产生的石膏，并建立原料追溯系统。

技术扩散方面，我国在内蒙古、新疆等石膏资源富集区已建成多个示范项目，但存在区域发展不均衡问题。建议实施"石膏资源化工程"，在资源富集省区建设区域性处理中心，配套完善原料收集、运输、处理的全产业链。例如，在新疆建立"煤电-石膏-碳封存"一体化基地，实现煤电行业全链条碳减排。

在技术标准建设方面，需加快制定《工业副产石膏碳化利用技术规范》。重点包括：①原料分级标准（按Ca/S比、杂质含量等）；②反应器设计规范（材质、尺寸、内衬结构）；③产物质量标准（碳酸盐纯度、晶型组成、机械强度）；④安全操作规程（泄漏应急处理、设备维护周期）。建议由行业协会牵头，联合科研机构、企业代表共同制定。

从技术创新路线图看，未来五年应重点突破：①常温常压下高效矿化工艺（目标效率≥95%）；②石膏-生物质灰联用技术（碳封存率≥90%）；③矿化产物高值化利用（如制备锂离子电池电极材料）。同时开展技术经济性研究，建立全生命周期成本模型，推动项目商业化。

该技术的成功应用将重塑工业固废处理模式。传统填埋处理方式将转向"资源化-碳封存-高值化"三位一体模式，预计到2030年，我国工业副产石膏处理率将从当前的35%提升至85%以上。这种转变不仅符合国家"无废城市"建设要求，更为全球工业固废治理提供中国方案。

在技术国际合作方面，建议与欧盟碳捕获与封存研究院（ECCCDI）、美国地质调查局（USGS）等机构建立联合实验室，重点攻关：①不同气候条件下矿化产物稳定性；②跨行业原料协同利用（如石膏与钢渣复合矿化）；③基于人工智能的反应器优化控制。这些合作将加速技术从实验室向工业化应用转化。

最后需要指出，该技术体系的应用需配套完善的基础设施和政策保障。建议设立国家工业副产石膏资源化利用专项基金，支持设备研发和示范工程；推动建立跨省石膏运输补贴机制，降低原料收集成本；在碳排放权交易市场，优先为采用该技术的企业提供碳配额补贴。只有政策、技术和市场的协同推进，才能实现该技术的规模化应用和可持续发展。