解锁采出水的碳矿化潜力：参数优化与相变机制研究

本研究针对采出水(PW)的环境治理与CO2固定难题，通过优化初始pH(12.0)、CO2流速(0.4 L/min)等参数，实现单吨PW固定28.75 kg CO2（达理论值90%），Mg2+/Ca2+/Sr2+/Ba2+转化率最高达99.2%，产物为稳定碳酸盐。该技术兼具碳捕集与封存(CCS)和废水处理双重价值，年封存潜力达652亿kg CO2（仅美国PW）。

　　

随着全球气候变化加剧，二氧化碳（CO₂）作为主要温室气体，其减排技术成为研究热点。传统碳捕集与封存（CCS）技术中，CO₂矿化因能生成稳定碳酸盐而备受关注，但固体原料（如橄榄石、钢渣）需苛刻反应条件。与此同时，油气开采产生的采出水（Produced Water, PW）因含高浓度Mg²⁺（2503 mg/L）、Ca²⁺（22665 mg/L）等碱性金属离子，成为潜在液态矿化介质，但其实际应用潜力尚未充分挖掘。

针对这一挑战，中国研究人员在《Journal of Cleaner Production》发表研究，系统评估了PW的CO₂矿化效能。通过参数优化实验结合原位X射线衍射（XRD）分析，发现将PW初始pH提升至12.0可促使金属离子形成高活性氢氧化物，在0.4 L/min CO₂流速下，最终pH降至8.0时实现28.75 kg CO₂/吨PW的固定量，相当于理论值的90%。关键金属离子转化效率依次为：Ca²⁺（92.8%）> Ba²⁺（98.7%）> Sr²⁺（99.2%）> Mg²⁺（68.0%）。相变分析揭示反应路径为：氢氧化物→亚稳态碳酸盐→稳定碳酸盐（如MgCO₃、CaCO₃）。

研究采用三大关键技术：1）ICP-MS（电感耦合等离子体质谱）定量PW离子组成；2）多参数反应系统调控pH和CO₂流速；3）原位XRD追踪固相产物演变。样本来自美国Marcellus页岩地层，经0.22 μm滤膜预处理。

主要研究结果

1. 初始pH优化：pH=12.0时，Mg(OH)₂和Ca(OH)₂大量生成，为后续碳酸化提供充足反应位点。
2. 相变机制：XRD证实最终产物以菱镁矿（MgCO₃）、方解石（CaCO₃）为主，具有地质稳定性。
3. 规模潜力：按美国PW年产量估算，年封存CO₂可达652亿公斤。

结论与意义
该研究首次阐明PW中多金属离子的协同矿化机制，突破传统固体原料的动力学限制。处理后的PW可回用于石油开采，较常规注水提高采收率。成果为碳中和目标下“以废治废”提供新范式，兼具环境效益（CO₂减排+废水净化）与经济价值（碳酸盐副产品+水资源回用）。未来需进一步探索复杂离子体系的反应动力学与工程放大路径。