增强玄武岩风化耦合苏打盐碱土实现CO2矿化：粒径效应、碳酸盐固存与区域生命周期评价

《Journal of CO2 Utilization》：Combining enhanced basalt weathering with soda saline soil: A novel CO? mineralisation strategy

　　

提出一种将增强岩石风化（ERW）与苏打盐碱土耦合的新型CO₂矿化策略。证实盐碱环境中的玄武岩风化与碳酸盐形成被加速。通过集成生命周期评价（LCA）量化能耗—排放权衡。在各容量情景内，三种粒径在30年总CO₂去除量（CDR）上趋近一致。建立基于增强岩石风化（ERW）的碳捕集、利用与封存（CCUS）路径，将近地表地球化学与持久碳储存相衔接。

研究背景与问题：大规模CO₂去除是气候减缓的核心组成，矿物碳酸化因将CO₂固定为热力学稳定碳酸盐而具有持久性。增强岩石风化（ERW）通过将磨细硅酸盐岩石施入反应性土壤，促使Ca²⁺、Mg²⁺释放并与溶解无机碳形成碳酸盐，可嵌入现有农业基础设施。玄武岩含斜长石、辉石、橄榄石等Ca/Mg硅酸盐，分布广并释放K、P和微量元素，具农艺共益；全球评估其潜在去除量为0.5–2 Gt yr^?1。部署效率受粒径和宿主土壤化学控制；粒径—溶解关系在实验室与田间预测间难协调，缩核模型等预测差异大，土壤批式系统中表面积预期差异常被削弱，机制未完全明确。多数ERW实验针对酸性农田，碱性土壤常被视为不适用；但高pH驱动碳酸盐沉淀，持续移除风化产物并维持溶解驱动力。盐碱土孔隙水富含HCO₃^?和CO₃^2?，为碳酸盐形成提供阴离子库，交换性Na⁺可被玄武岩释放的Ca²⁺置换，兼顾钠质结构退化和低肥力。全球约23%土壤为碱性，盐碱地广布于中国西部、中亚和北美大平原，但真正苏打盐碱土上的玄武岩ERW实验稀少。ERW净CO₂去除还取决于粉碎、运输、施用排放与固碳比较；已有生命周期评价（LCA）覆盖巴西圣保罗、英国、美国中西部和美国农业，因研磨能耗、电力排放因子和运输距离不同结论不同。中国盐碱区缺乏区域参数LCA，电网排放因子较高、运输距离长，细粒更优经验是否适用不明确。三个缺口为：苏打盐碱土中粒径依赖是否同酸性系统、孔隙水体积和矿物表面钝化作用未量化、中国区域参数下排放成本未评估。

研究开展与结论意义：研究人员用长白山玄武岩和吉林乾安苏打盐碱土开展90天封闭培养，结合水化学、固相表征、饱和建模、修正缩核模型和LCA，评估粒径与加水量对风化和碳酸盐信号影响，并评价吉林省12情景。结论显示，玄武岩添加改变水化学并产生碳酸盐相关固相信号；表观风化在仅Ca碳酸盐primary情形相当于1.66–3.68 mg CO₂ g^?1 basalt，在全碱基阳离子碳酸盐等效upper情形为3.25–7.21 mg CO₂ g^?1 basalt；30年gross CDR分别为72.45–72.47和141.92–141.96 kg CO₂ t^?1 basalt；net CDR在primary为?5.53–38.45、在upper为63.96–107.92 kg CO₂-eq t^?1 basalt；区域容量分别达34.93和68.43 Mt CO₂。其意义在于建立基于ERW的CCUS路径，将盐碱土改良与持久碳储存联系，但在所评价的30年情景中粗粒玄武岩净去除更优。

关键技术方法：样本来源为长白山玄武岩与吉林省松原市乾安县5–30 cm苏打盐碱土。将30 g盐碱土与30 g玄武岩（0.42、0.074、5 mm）混合，加30或60 g蒸馏水，15 °C暗处封闭培养90 d；终点分离溶液，分离玄武岩组分用于扫描电镜—能谱（SEM–EDS）和热重分析（TGA），电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）测阳离子，X射线荧光（XRF）测全岩氧化物；PHREEQC v3/Pitzer数据库计算饱和指数；修正缩核模型推演1、10、20、30年；OpenLCA联合Ecoinvent 3.9和Tiangong (CN)做LCA，功能单位1 t玄武岩，300 km运输，3粒径×4施用量共12情景。

研究结果：Changes in soil ion concentrations：通过终点水化学和pH比较，所有玄武岩处理Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺和P高于无玄武岩对照；5 mm、60 g水组Ca²⁺ 1210.49、Mg²⁺ 323.04、Ni²⁺ 0.90 mg L^?1最高；细粒水相Ca/Mg较低但碳酸盐固相信号更强，增加水提高Ca/Mg。Mineral characterization and thermogravimetric analysis：SEM–EDS显示0.42 mm、60 g水组玄武岩颗粒表面涂层、裂隙充填和Ca–C–O富集区，并见纤维/片状结构；TGA以550–800 °C质量损失计算碳酸盐相关信号，0.074 mm信号强于0.42 mm和5 mm，5 mm最低，估计不确定性约±10%。Pore-water saturation state and Ca partitioning：PHREEQC/Pitzer计算显示各组方解石均过饱和，对照基线SI_calcite=+1.27，细/中粒+1.55至+1.72，5 mm +2.66至+2.71，12组敏感性输入保持排序；细/中粒过饱和度较低但TGA信号较强，粗粒保留更多水相Ca，表明Ca在水相与固相间分配不同。Estimation of Carbon Sequestration：全岩组成给出primary Ca-only容量0.072 g CO₂ g^?1 basalt，upper全碱基阳离子容量0.142；表观风化玄武岩质量G2 1.524 g > G1 0.938 g > G3 0.687 g，对应primary 0.068/0.110/0.050 g、upper 0.133/0.216/0.098 g；几何表面基准预测风化分数0.001%–0.066%，表观分数2.29%–5.08%，有效速率远高于BET归一化基准。Life-cycle emissions and cost of CO₂ removal via basalt ERW in Jilin Province：30年累积LCA显示primary gross CDR 72.45–72.47 kg CO₂ t^?1 basalt、net ?5.53–38.45 kg CO₂-eq t^?1，10情景净去除，0.42和0.074 mm在5 t ha^?1不净去除，正净去除成本1327–29328 USD t^?1 CO₂；upper gross 141.92–141.96、net 63.96–107.92、成本473–4667 USD t^?1，12情景均净去除；5 mm在各施用量组30年净CDR最高，因接近完全风化且供应链排放最低；修正缩核完全反应时间32.03、23.37、14.30年。CO₂ sequestration potential of basalt ERW in Jilin Province：以Cropland2000吉林省耕地6376,490 ha、75.6 t ha^?1计，玄武岩482.06 Mt；primary 1/10/30年gross CDR：5 mm 3.17/23.57/34.93 Mt，0.42 mm 4.30/28.39/34.93，0.074 mm 6.83/33.98/34.93；upper：6.21/46.17/68.42，8.41/55.62/68.43，13.37/66.57/68.43 Mt CO₂；30年容量利用率99.97%–100.00%。

讨论与结论：讨论表明粒径、水相Ca与碳酸盐TGA信号非单调；0.074 mm表观风化分数最大，但粒径响应远小于表面积预测，团聚和孔隙水化学可解释压缩响应；细/中方解石过饱和度低与Ca向固相转移一致，5 mm水相Ca最高但表观风化质量和TGA最低，应联合解释水相与固相。水添加提高Ca 40–47%、Mg 11–60%；大孔隙体积降低Ca²⁺和HCO₃^?浓度、延迟沉淀并延长风化，干土局部浓缩可抑制反应或盐结晶。盐碱环境富HCO₃^?/CO₃^2?有利硅酸盐风化与次生碳酸盐保留，但Ca²⁺ + 2HCO₃^? → CaCO₃ + CO₂ + H₂O返回一个CO₂，使每摩尔阳离子捕获效率相对碱度输出路径减半；Ca/Mg置换交换性Na⁺可改良钠质土，可溶性阴离子与Na⁺形成易淋洗盐降低总盐度，玄武岩释放K、P和微量营养。与既往研究比较，CDR强依赖实验系统和碳核算定义；本研究粒径依赖弱于多数酸性土研究，约67倍几何表面积变化下表观风化仅2–3倍；区域LCA与巴西、英国、美国结果均显示超细研磨在计入生命周期排放后不一定最优，本研究识别时间—负担权衡：0.074 mm最早达容量控制上限，5 mm在各施用量组30年净CDR最高，primary下两个细粒5 t ha^?1情景未净去除。局限包括90天封闭容器每处理一个培养容器、仅终点化学、碱度和孔隙水Na⁺为估算（基线电荷平衡误差?36%至+57%）、交换态和次生固相Ca覆盖不完整、从1:1混合外推到区域部署、区域轨迹依赖有效速率、容量和供应链输入；重复部署需关注碳酸盐长期稳定性、重金属累积和微生物群落响应；75.6 t ha^?1接近已发表ERW剂量上限，技术潜力情景是条件性上限评估而非实际可部署或田间验证CDR。研究结论翻译：玄武岩添加改变了苏打盐碱土的水化学并产生碳酸盐相关固相信号。终点Ca核算给出的表观风化玄武岩质量在仅Ca碳酸盐primary情形相当于1.66–3.68 mg CO₂ g^?1 basalt，在全碱基阳离子碳酸盐等效upper情形相当于3.25–7.21 mg CO₂ g^?1 basalt。30年轨迹分别达到gross CDR 72.45–72.47和141.92–141.96 kg CO₂ t^?1 basalt。primary情形net CDR为?5.53至38.45 kg CO₂-eq t^?1 basalt，upper情形net CDR为63.96至107.92 kg CO₂-eq t^?1 basalt。在6376,490 ha、75.6 t ha^?1下，gross容量在primary情形达34.93 Mt CO₂，在upper情形达68.43 Mt CO₂。较细颗粒缩短模型去除时间，而在所评价情景中粗粒玄武岩产生最高30年净去除。