碳矿化是一种加速二氧化碳与某些矿物之间反应的过程，可从大气中去除二氧化碳并将其永久封存。
这一过程在自然条件下需要数百至数千年才能发生，但可以通过多种方式加以加速，从而在未来数十年内从大气中去除大量二氧化碳。
碳矿化在从大气中去除二氧化碳方面具有巨大潜力，但尚未得到广泛应用。
然而，还需要开展更多研究，以了解碳矿化对环境和社会的影响。
碳矿化是一种二氧化碳去除（CDR）方法，正日益受到关注，因为全球都在努力防止气候变化的一些最严重影响。该过程加速了二氧化碳与某些矿物之间的反应，从而从大气中去除二氧化碳并将其永久封存。尽管这一过程在自然条件下需要数百至数千年才能发生，但碳矿化可以通过多种方式加以加速，从而在未来数十年内从大气中去除大量二氧化碳。
随着全球气温持续上升，必须大幅减少温室气体排放（尤其是二氧化碳），以将全球变暖幅度控制在1.5摄氏度（2.7华氏度）以内，这一目标已列入国际气候变化《巴黎协定》。存在科学共识，即除大幅减排外，要实现这些目标还需要去除大气中已有的二氧化碳。尽管大幅减排必须仍是最高优先事项，但矿化等二氧化碳去除方法必须作为补充。
矿化具有显著的碳去除潜力，但长期缺乏足够的研究和示范资金，难以使其最终得到更广泛的应用。需要开展更多研究和测试，以更好地了解其在何种方式和地点最为有效，以及可能产生的环境和社会影响。
以下是关于碳矿化的五个常见问题的解答：
1）什么是碳矿化？
碳矿化是一种在数百至数千年间自然发生的过程，岩石中的某些矿物与大气中的二氧化碳反应，生成碳酸盐，即一种可稳定去除并封存二氧化碳的固体矿物。
这一化学反应最适用于基性或超基性岩石，这类岩石对二氧化碳的反应活性很高，因为其中含有碱性矿物，如含镁或含钙的硅酸盐。通过这些天然汇过程，碳矿化每年可从大气中永久去除约0.3十亿公吨（吉吨）二氧化碳，略高于波兰的年排放量。
有多种方式可以加速这一自然矿化过程，从而从大气中去除更多二氧化碳，并将其封存于自然环境中，或封存于混凝土等产品中。科学家估计，若我们今天投入足够资金进行研究和测试，为未来几年的更大规模部署做好准备，到2035年，全球每年最多可从大气中去除1吉吨二氧化碳，到2050年，每年可去除10吉吨二氧化碳。作为参考，目前全球每年的二氧化碳排放量约为40吉吨。
加速矿化过程可能需要数小时至数年不等，具体取决于矿物成分、温度、湿度，以及该方法中所使用的二氧化碳来源和碱性原料类型等因素。
2）碳矿化的不同方法有哪些？
总体而言，碳矿化既可发生在地下（称为原位碳矿化），也可发生在地表（称为异位或地表碳矿化）。
地下
原位矿化方法有几种。其中一种方法是将高浓度二氧化碳溶于水中（几乎类似于工业规模的苏打水机），然后通过井注入基性或超基性岩石中，这类岩石与二氧化碳的反应活性很高。在那里，反应会生成碳酸盐矿物，从而封存二氧化碳。随后，已耗尽二氧化碳的水被抽回地表。
另一种方法是将超临界二氧化碳（压缩至密度接近水的二氧化碳）注入玄武岩中。该方法所需的注入用水量显著减少，但压缩所需的能量要大得多。
二氧化碳地下注入在沉积岩储层中已有较为充分的研究，例如将枯竭油藏改作二氧化碳封存场所，但针对玄武岩开展原位碳矿化的研究则较少。目前有两个现有项目（华盛顿州的Wallula和冰岛的CarbFix）已证明玄武岩储层有望用于原位碳矿化。
玄武岩具有渗透性和孔隙性，能够储存大量二氧化碳，因此在碳矿化方面前景广阔。玄武岩在火山岛和溢流玄武岩省中大量分布，例如美国西北太平洋地区的哥伦比亚河流域。
地表
地表矿化发生于碾碎的碱性原料（如开采的岩石、尾矿或工业废料）与环境中或高浓度的二氧化碳发生反应时。碾碎的碱性岩石具有更大的表面积，从而加速矿化。地表矿化可在工业场地或以尾矿为副产品的矿山进行。若二氧化碳在现场捕集，这些碱性原料便可与同一场地中浓度更高的二氧化碳反应，其反应速度比与环境二氧化碳反应更快。
地表矿化还包括强化岩石风化，即将基性或超基性岩石研磨成粉末，并铺撒于海岸线或农田上。岩石粉末中的碱性矿物与环境中的二氧化碳发生反应，将其固定于固态碳酸盐中。例如，在海岸线上，岩石粉末溶解于海水中，将地表水中溶解的二氧化碳转化为碳酸氢盐和碳酸盐，从而使更多大气中的二氧化碳被海洋吸收。这一过程相当于为海洋起到抗酸剂的作用，提高海水pH值，从而可减轻局部海洋酸化。
异位矿化发生于高压和/或高温反应器中，其中碱性岩石与高浓度二氧化碳发生反应。与其他碳矿化途径相比，异位矿化仍然能耗较高且成本高昂。因此，相关努力集中于利用异位方法生产增值的建筑材料，例如混凝土骨料。混凝土中的矿化颇具吸引力，因为其符合美国45Q税收抵免的条件，该抵免旨在激励对捕集二氧化碳的有益利用。据估计，全球0.1至1.4吉吨二氧化碳可在2050年前封存于混凝土中。然而，要实现净负排放，将取决于混凝土价值链的碳强度。
3）碳矿化可能带来哪些协同效益？
矿化可用于生产有用的产品。一些公司已在开发混凝土砌块，方法是在混凝土凝固前将捕集的二氧化碳注入其中。该反应生成碳酸钙，不仅可增强混凝土强度，使所需水泥用量减少，还可永久封存二氧化碳。此外，部分尾矿含有镍或钴等稀有且有价值的矿物（电动汽车电池所需），可通过间接异位矿化提取。这可带来额外的收入激励，并符合拜登政府提升国内关键矿产产量的目标。
矿化还有助于降低部分尾矿相关的健康危害。例如，石棉尾矿通常堆存于废弃石棉矿，因其纤维状晶体结构，吸入后具有毒性。石棉与二氧化碳反应时会形成碳酸镁矿物，既封存二氧化碳，又改变晶体形态，从而消除健康风险。然而，利用有毒尾矿进行矿化的技术仍需进一步开发，并须在受限场地及严格监管下进行测试。
另一项潜在的协同效益是利用碱性岩石减轻局部海洋酸化，并避免珊瑚礁和具有商业价值的水产养殖受到后续损害。橄榄石等岩石可被研磨后铺撒于海滩，或直接加入海水中，与溶解的二氧化碳发生反应，形成固态碳酸盐，从而锁存碳。需要开展更多研究和测试，以更好地了解如何最大化这些协同效益，以及如何尽量减少对生态系统的潜在负面影响。
4）碳矿化可能带来哪些负面影响？
除潜在的协同效益外，矿化应用还可能带来社会和环境风险，在大规模推广之前，必须更好地加以了解并加以应对。
部分方法（如强化岩石风化）可能会将镍和铬等金属引入环境。这些金属在积累后具有毒性，并会在土壤或海洋中被氧化。此外，将碳酸化尾矿存放于尾矿库中，可能污染附近的地表水和地下水资源。为尽量减少这种情况，部分尾矿可预先处理，以提取其中的重金属。
尽管矿化有助于消除与石棉尾矿相关的健康危害，但处理这类废料的工人仍可能面临严重健康问题的风险。通过风机增加石棉尾矿上方的气流可以增强矿化效果，但也会使工人面临吸入石棉纤维的风险。因此，需要采取严格的预防措施。例如，可向石棉喷水，以避免石棉粉尘飘散于空气中。
部分原位矿化方法（如冰岛CarbFix所采用的方法）需要大量用水——每注入1吨二氧化碳约需25吨水。尽管该过程包含水的循环利用，但在美国西南部等水资源匮乏地区，总用水量可能成为问题。一种替代方案是将该方法应用于海上，利用海水以避免水资源短缺问题。然而，这将需要消耗更多能源。
除水资源问题外，还需考虑诱发的局部地震活动。为降低风险，必须定期开展并评估区域地震活动性测试。在CarbFix开始注入溶解态二氧化碳之前，其曾向玄武岩储层注入废水，这显著增加了地震活动。为解决这一问题，项目调整了二氧化碳注入速率，并采取了其他预防措施。结果是，地震事件减少，由2011年的96次降至2018年的1次，因此该项目目前运行于监管范围之内。需要更多数据和进一步的试点项目，以更好地了解玄武岩原位矿化的相关风险。
在地表大规模推广碳矿化的一个关键问题在于需要增加采矿活动，以获取大量碱性材料，此外，研磨和运输也都需要能源。此类采矿增加将带来与现有采矿活动相关的负面社会和环境影响，如水和空气污染以及对人类健康的危害。
5）要可持续地扩大碳矿化规模，需要哪些条件？
不同的矿化路径处于不同的发展阶段。玄武岩地层中的地下矿化已在冰岛和美国开展。部分地表矿化方法也已可进行商业化应用。然而，要负责任地扩大碳矿化规模，还需进一步开展研究，以解决科学不确定性并应对风险。同时，还需建立标准化的测量和监测框架。
研究需求
需要更多试点项目，以积累不同地点和规模的经验，使研究人员能够评估潜在不确定性并降低风险。尽管碳矿化在理论上具有去除大量二氧化碳的潜力，但其部分可能受到物流因素的制约，例如二氧化碳或原料的运输。此外，还需改进工程和物流实践，以尽量减少与矿化方法相关的排放和成本。
此外，需进一步研究某些矿物的化学性质及其对二氧化碳矿化处理的反应，以及岩石的整体特征。数据集往往缺乏标准化，使得比较岩石成分、粒度、压力、孔隙度、渗透率和比表面积等数据颇具挑战。此外，还需要更多关于不同地区潜在原料数量及其浓度和成分的数据。
需要在更全面的尺度上，对适宜岩石和矿物的分布进行更新且高分辨率的制图。例如，现有的美国地质调查局（USGS）关于在产和已关闭矿山的数据已十年未更新。至关重要的是获取最新信息，并将其纳入综合数据库，以更好地识别废石和尾矿的位置、数量、化学及矿物成分，并估算其二氧化碳封存潜力。还需与行业加强合作，以更好地绘制并了解可用于二氧化碳矿化的碱性废料数量，以及有关某些超基性岩石的石棉含量的数据。
改进并标准化的测量和监测工具
标准化的方法和高质量的MRV（测量、报告与核查）协议必须加以制定，并在各项目中应用，以准确测量某一项目在特定时段内去除了多少二氧化碳。目前，相关方法尚未标准化，各公司采用各自独有的协议，使得跨项目比较十分困难。
例如，通过地表矿化去除的碳难以核算且难以监测，因为尾矿和碎石所铺撒的海洋、海岸和土壤均为开放系统（相较之下，封闭系统的直接空气捕集（DAC）工厂则为封闭系统）。观测通过地下矿化去除的碳量同样存在挑战，因为它无法被直接观测，而物理样本的采集可能既复杂又昂贵。通过异位矿化封存的二氧化碳更易于监测，尤其是当其封存于水泥等产品中时。需要高质量的MRV体系，以确保各项目之间的一致性和完整性，从而保证其产生积极的气候效益。
将矿化作为气候解决方案加以推进
作为一种碳移除途径，碳矿化在更广泛的碳移除和气候行动组合中具有显著潜力，有助于实现全球气候目标。若要将碳矿化视为关键的CDR路径，相关研究和试点项目必须有所增加。对于矿化项目应在何处以及如何实施存在的不确定性，以及项目可能带来的负面环境和社会影响，必须加以最大限度地降低。同时，还需要标准化且全面的MRV协议，以确保碳矿化能够负责任地规模化推进。
