利用塞尔维亚Zlatibor山蛇纹岩生物浸出与化学浸出镁：矿物碳化封存CO2的创新策略与应用潜力

本研究探索了从塞尔维亚Zlatibor山超基性岩中通过生物浸出（bioleaching）和化学浸出提取镁（Mg）的创新方法，应用于矿物碳化（mineral carbonation）过程以实现CO2封存。实验表明，生物反应器中的生物浸出和硫酸浸出效率最高（Mg提取率分别达95±3.9%和92±2.8%），而柱式渗透器模拟堆浸效果较低。该研究为利用丰富超基性岩资源开发低成本、可扩展的气候变化缓解方案提供了新路径。

　　

引言

矿物碳化是一种天然过程，通过富镁岩石捕获大气中的CO₂，生成稳定的碳酸镁矿物，实现长期碳封存。超基性岩如蛇纹岩和橄榄岩具有高镁含量（MgO可达45 wt%），是理想的碳封存材料。全球超基性岩风化每年封存约2.4 Gt CO₂，但自然过程缓慢，需通过加速风化技术增强效率。增强风化（Enhanced weathering）是一种碳 dioxide removal (CDR) 技术，通过加速岩石溶解释放Mg²⁺离子，并在碱性条件下沉淀碳酸镁。化学方程式如下：

Mg₃Si₂O₅(OH)₄ + 6H⁺ → 3Mg²⁺ + 2SiO₂ + 5H₂O

5Mg²⁺ + 4CO₃^2? + 2OH^? + 5H₂O → Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·5H₂O

塞尔维亚及巴尔干地区拥有丰富超基性岩资源，且靠近工业CO₂排放源（如燃煤电厂和水泥厂），为开发碳捕集与封存基础设施提供了独特机遇。Zlatibor山超基性岩体距离主要CO₂排放源不足300 km，符合经济运输距离（无需再压缩站），具有显著应用潜力。

材料与方法

从塞尔维亚Zlatibor山Dobroselica地区采集约50 kg蛇纹岩样品，避免直接暴露地表的岩石。样品破碎至2 mm粒径用于反应器实验，1–3 cm粒径用于柱式渗透器实验。矿物相组成通过粉末X射线衍射（PXRD）鉴定，主要矿物包括利蛇纹石、纤蛇纹石、斜绿泥石和顽火辉石。化学元素含量通过ICP-OES测定：Si 325 g/kg、Mg 130.26 g/kg、Fe 51.15 g/kg、Ca 9.46 g/kg等。光学显微镜和SEM-EDS用于详细矿物学和岩石学分析。

实验设计包括四种方法：

1. 1.

   化学反应器浸出：500 mL 1 M H₂SO₄与100 g岩石在1 L烧杯中磁力搅拌（600 rpm，30°C，24 h），定期采样分析pH和金属浓度。

2. 2.

   生物反应器浸出：2 L发酵罐（Fermac 310/60）接种Acidithiobacillus thiooxidans DSM 9463，在 basal salt solution（pH 2.5）中加入32 g硫，预培养3天后每日添加15 g岩石，持续7天（总105 g），维持pH 0.8–1.5，实验时长14天。

3. 3.

   柱式渗透器模拟堆浸：玻璃柱（50 cm × 5 cm）填充100 g岩石，两组用1 M H₂SO₄（流速2 mL/min，循环模式），另两组用细菌培养液（同生物反应器制备），实验时长21天。

   所有实验的液体样品通过ICP-OES分析Mg、Fe、Ca、Si浓度，固体残留物通过XRD分析矿物相变化。

结果

矿物分析显示样品以利蛇纹石和纤蛇纹石为主（约70 vol%），含橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和铬尖晶石残留。酸浸后纤蛇纹石完全溶解，残留物中出现新晶相。

化学浸出（烧杯）：最终Mg浓度24,000 ppm，提取率92±2.8%；Fe提取82.65±6.9%，Ca提取28.53±3.1%，Si提取仅0.17±0.06%，表明硅酸盐骨架保持完整，为不一致溶解。

生物浸出（生物反应器）：Mg浓度10,000 ppm，提取率95±3.9%；Fe、Ca、Si提取分别为60.29±2.9%、26.42±1.4%、0.5±0.07%。与化学浸出无显著统计差异（t-test, p=0.59）。

柱式渗透器浸出：硫酸浸出提取率73±2.9%（Mg浓度19,000 ppm），生物浸出提取率16±1.4%（Mg浓度4,000 ppm）。两者差异显著（p<0.05）。Fe、Ca、Si提取在硫酸浸出中分别为52±4.7%、10.57±1.9%、0.23±0.4%，生物浸出中为8.8±1.1%、5.28±0.9%、0.09±0.01%。

所有实验均显示低硅提取，证实H⁺优先攻击Mg–OH键，释放Mg²⁺。

讨论

蛇纹岩中镁提取效率遵循纤蛇纹石 > 利蛇纹石 > 叶蛇纹石趋势，硫酸被证明是最有效浸出剂。生物浸出虽速度较慢，但成本更低：元素硫（价格约100 USD/吨）生产1吨生物硫酸仅需32.7 USD，而商业硫酸价格约165 USD/吨，且运输存储更安全。

反应器和生物反应器虽效率高，但设备投资大、操作维护复杂；堆浸（柱式渗透器模拟）能量消耗低（无需细磨），适合大规模应用。本研究中柱式生物浸出效率（16%）与文献报道（14.3%）一致，受限于颗粒大小、缺乏控温曝气等因素。

与环境风险高的铜硫化物生物浸出不同，蛇纹岩浸出几乎消耗所有硫酸，残留物化学惰性，无酸性矿山排水风险，更环保。

结论

本研究证实塞尔维亚Zlatibor山蛇纹岩可通过生物和化学浸出高效提取镁，用于矿物碳化封存CO₂。生物反应器和化学反应器浸出效率超90%，堆浸硫酸浸出达73%，生物堆浸虽效率较低（16%）但成本优势显著。未来研究将聚焦于从浸出液中温和加压碳化生产水合碳酸镁，并评估其在低碳水泥生产中的应用潜力，为开发 scalable、经济可行的CDR技术提供支撑。