综述：创新性矿物碳酸化技术：超声辅助加工、机理洞察、优化策略及环境影响全面评述

这篇综述系统探讨了超声辅助加工（UAP）在矿物碳酸化（MC）技术中的应用进展，重点解析了声空化（AC）的物理化学机制及其对CO2封存效率的提升作用（碳化率提升10-40%），同时对比了与传统高温高压反应器（HTHP）的能耗优势，为工业级碳捕集与封存（CCUS）技术发展提供了新思路。

　　

超声辅助矿物碳酸化技术的前沿进展

技术背景与核心机制

全球工业发展导致CO₂排放量激增，矿物碳酸化（MC）因其永久封存CO₂的特性成为研究热点。超声辅助加工（UAP）通过声空化（AC）效应产生局部高温（5000 K）和高压（1000 atm），显著提升金属离子（如Ca²⁺、Mg²⁺）的浸出效率，同时抑制钝化层的形成。这种"物理-化学协同作用"使碳化率较传统方法提高10-40%，且能耗降低30%以上。

反应器设计与优化策略

声化学反应器主要分为探头式（纵向/横向）和驻波式两类。低频超声（16-100 kHz）更适合材料处理，因其瞬态空化效应能产生高强度能量密度。实验数据显示，45 kHz频率下铁浸出率可达94.5%，而功率在700 W时锗浸出率出现峰值（93%）。温度控制在55-60°C可平衡CO₂溶解度和反应动力学，反应时间以0.5-2小时为最佳窗口期。

关键参数的影响规律

• 粒径效应：将钢渣粒径从118.8 μm降至12.8 μm，碳化率提升8倍
• pH调控：碱性环境（pH>8.5）促进碳酸盐沉淀，而UAP能维持溶液pH稳定
• 双重限制：钝化层和离子扩散共同制约反应效率，但UAP通过空化微射流可清除表面沉积物

工业应用挑战与突破

虽然UAP在实验室规模表现优异，但规模化应用仍面临声场均匀性控制、设备腐蚀等问题。最新研究提出将声空化（AC）与水力空化（HC）联用，可使钨浸出率从13.5%骤增至67.1%。此外，利用工业废水作为反应介质，结合双频系统（20/40 kHz）设计，可同步实现重金属去除和CO₂固定（102 g/kg固废）。

未来发展方向

政策层面需完善碳交易机制（当前CO₂定价$2-90/吨），技术层面应聚焦：

1. 高附加值产物（纳米CaCO₃市场价$103-160/吨）
2. 海水介质碳酸化
3. 旋转填充床反应器规模化设计
4. 锆合金探头防腐蚀材料开发

该技术通过"废物增值-碳减排-污染治理"三重协同，为碳中和目标提供了创新解决方案。