综述：从实验室到工业规模：如何评估水泥及水泥基材料的碳矿化作用

本综述系统探讨了水泥基材料（CCM）在全生命周期中的碳矿化（Carbon Mineralization）潜力，涵盖反应机制（如Ca(OH)2、C-S-H与CO2反应生成CaCO3）、封存效率（养护阶段达35.0–113.47 kg/m3）、技术经济限制及政策需求。研究指出，该过程可协同吸附NOx/SOx，年封存潜力达483 Mt. CO2，但工业推广需突破CO2捕获、基础设施及成本壁垒。生命周期评估（LCA）证实其环境效益，尤其CO2养护技术优势显著。

　　

碳矿化机制与反应路径

碳矿化是CO₂与水泥基材料（CCM）中碱性组分（如Ca(OH)₂、C-S-H、未水化熟料）发生加速风化反应，生成稳定碳酸盐（主要为CaCO₃）的过程。该反应在热力学上自发且可通过动力学条件（温度、压力、湿度）调控。关键反应包括：

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  Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

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  C-S-H + CO₂ → CaCO₃ + SiO₂·nH₂O

  反应受CO₂扩散速率、材料孔隙结构与pH值影响。此外，CCM的多孔碱性特性使其可协同吸附酸性气体（如NO_x、SO₂），但竞争吸附可能降低单一气体捕获效率。

生命周期阶段的封存潜力

碳矿化在CCM生命周期不同阶段呈现显著差异：

1. 1.

   搅拌阶段：将CO₂直接注入新拌混凝土浆体（占水泥重量2–5%），封存效率较低（0.616–2.21 kg/m3），但可改善早期强度。

2. 2.

   养护阶段：以CO₂替代蒸汽养护，能耗降至蒸汽养护的1/5，封存效率最高（35.0–113.47 kg/m3），且提升材料耐久性。

3. 3.

   废弃阶段：对再生骨料（RA）进行碳化处理，封存效率为16.9–58.0 g/kg骨料，同时增强骨料物性并减少天然资源开采。

工业化应用与区域对比

发达国家（如北美、欧洲）已实现部分技术商业化：

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  CarbonCure：注入人为CO₂至混凝土，每区块封存约30 g CO₂。

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  Solidia Technologies：利用废CO₂矿化辅助胶凝材料（SCM），替代35–50%波特兰水泥，减排18–28%。

  发展中国家（如中国）仍以试点项目为主，面临政策碎片化、碳市场不成熟、改造成本高及公众认知不足等障碍。工业推广需解决CO₂捕获物流、烟气纯度、基础设施适配及经济可行性问题。

环境效益与生命周期评估

生命周期评估（LCA）表明：

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  自然碳化可抵消30–55%过程排放，全规模加速碳化年封存潜力达483 Mt. CO₂。

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  CO₂养护技术能耗低、环境效益显著，但实际效益可能因碳化速率慢、过程限制而被高估。

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  需扩展LCA边界以全面评估净环境收益，并结合碳定价与政策支持提升经济竞争力。

技术挑战与未来方向

核心挑战包括：

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  气体扩散限制：多孔介质中CO₂传输效率低；

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  原料变异性：工业废料成分波动影响反应稳定性；

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  成本壁垒：养护系统资本投入高，尤其在高纯度CO₂需求场景。

  未来需跨材料科学、过程工程与政策框架协同创新，开发高效预处理技术（如CO₂溶解混合水、溶剂预处理），优化共吸附（CO₂/NO_x/SO_x）工艺，实现CCM从碳源向碳汇的转型。