余旭辉 李振江 周福篯 张文林 游水生 林鑫 李志伟
摘要：铁镁质矿物可在自然条件下与CO2反应形成稳定的碳酸盐矿物，是一种安全、经济且长久的碳捕获与封存方式。介绍了铁镁质矿物固碳机理，基于四川梭罗沟金矿铁镁质尾矿储量大，且可封存CO2的CaO、MgO和FeO等成分占比高，分析了其固碳能力及潜力。初步估算梭罗沟金矿现有尾矿的CO2封存量高达164万t，按目前的生产效率估算未来年均CO2封存量约12万t，未来生产的尾矿至少可以封存CO2 246万t。参考ERW法可将梭罗沟金矿尾矿砂进一步分选出铁镁质矿物后，喷撒在农田使其自然风化消耗CO2，全面推广将极大地降低CO2封存成本。
关键词：碳中和；
二氧化碳；
矿物固碳；
尾矿综合利用；
铁镁质矿物；
梭罗沟金矿
中图分类号：TD926.4文献标志码：A开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
文章编号：1001-1277（2023）06-0090-04doi：10.11792/hj20230618
引 言
全球气候学家的种种观测和试验模拟表明，工业革命以来大气中的温室气体逐年上升。2020年前，全球每年向大气中排放的温室气体约51 Gt，平均气温相对于工业革命前水平已升高近1.2 ℃，全球气候的变化已严重威胁人类的生存和发展［1-3］。为了应对气候变化，国际社会于2015年达成《巴黎协定》，目标是在21世纪末将全球升温控制在较工业化前2 ℃（力争1.5 ℃）以内［4-5］。中国在2020年第75届联合国大会上作出“碳达峰、碳中和”的郑重承诺，“双碳”目标升级为国家战略［6］。
全球多个国家和地区都提出了相关政策及可行方案，除了探索新的清洁能源、加大使用替代化石燃料的能源以外，正在积极推进碳捕获与封存（Carbon Capture and Storage， CCS），以实现最終净零排放［7］。CCS技术是将大气中或相关产业排放的CO2分离出来，再传输至海底或采空的矿洞密闭储藏，还可以作为开采石油的加压介质，既完成了油气开采，又实现了CO2的封存［8］。此外，CO2矿物封存技术是通过自然界中可与CO2发生化学风化的岩石，如将CO2与富铁镁的无水硅酸盐矿物进行反应形成自然条件下稳定的碳酸盐矿物，达到CO2矿物封存的目的［9-10］。
铁镁质矿物碳酸盐化作为更有优势的碳封存技术，可以将CO2快速转变为稳定的碳酸盐矿物，实现长久固碳，且不需考虑CO2返回大气的风险，在增加储存安全性的同时也降低了对盖层岩石的依赖，使得CO2
封存工程潜在的健康、安全及环境风险降到最低。四川梭罗沟金矿铁镁质尾矿可为CO2封存提供巨大的碳储空间，因此有必要估算该矿山巨量尾矿对CO2的封存量，评估其固碳潜力并采取行之有效的应用方案。
1 研究区地质背景
甘孜—理塘缝合带是三江特提斯造山带与松潘—甘孜造山带的重要组成部分，是川西义敦古岛弧与扬子地块碰撞拼贴的缝合线，也是川西高原重要贵金属成矿带之一［11］。甘孜—理塘缝合带具有复杂的构造演化历史，从北到南孕育了30余处金矿床（点）［12］。
梭罗沟金矿床位于甘孜—理塘缝合带南段（见图1），是目前四川在产最大的岩金矿床。区域上海西期—印支期的岩浆活动频繁且强烈，发育了一套以铁镁质岩类、超铁镁质岩类为代表的基性—超基性岩组合，包括以橄榄岩、辉石岩、辉石玄武岩等为组合的超基性岩，以块状玄武岩、球粒玄武岩等为组合的基性熔岩和以辉长岩、辉长玢岩、辉绿岩等为组合的基性岩墙群［13］。金矿体赋存于基性岩墙群的构造蚀变带内，矿山选矿厂通过浮选法将金矿石中的载金黄铁矿及毒砂提取后，剩下的大量铁镁质矿物与其他少量脉石矿物排入尾矿坝［14-15］。这些铁镁质尾矿中MgO、CaO和FeO含量相对较高，而MgO等可以直接与CO2发生反应，因此这些铁镁质高的尾矿是CO2矿物封存的合适原料［16］。
2 铁镁质矿物固碳机理
铜镍矿、石棉矿、蛇纹石矿及钒钛磁铁矿等尾矿中残留的大量铁镁质矿物，如橄榄石（（Mg，Fe）2SiO4）、辉石（Ca（Mg，Fe）Si2O6）、蛇纹石（Mg3Si2O5（OH）4）、硅灰石（CaSiO3）等，在自然条件下，容易与CO2水溶液发生化学风化作用，形成更稳定的碳酸盐矿物（菱镁矿、菱铁矿、方解石等）和硅质氧化物（石英、玉髓等）［17-18］。主要化学反应式为：
3 梭罗沟金矿尾矿固碳分析
3.1 碳封存量估算分析
尾矿是选矿厂分选作业的产物之一，通常将其输送至尾矿库或尾矿坝堆存（见图3）。一些矿山是不定期存放，待选冶技术升级改造后二次回收利用尾矿中的有价成分；
一些矿山将尾矿用于回填采空区或是用作建筑材料；
大部分矿山的尾矿都是长期堆置，未有效利用［21］。
勘查报告显示，梭罗沟金矿2006—2011年为生产初期，按年生产30万t矿石概算；
自2012年矿山扩大了生产规模，可按年生产60万t矿石概算。因此，从2006—2022年，矿山已生产840万t矿石。矿山尾矿产率平均为94.23 %，初步估计矿山尾矿坝已储存约792万t尾矿。半工业选矿试验产生的尾矿中可作为封存CO2的成分有CaO（8.40 %）、MgO（8.70 %）和TFe（5.76 %）（见表1），以现有尾矿储量计算，假设CaO、MgO和Fe全部转化为CaCO3 、MgCO3和FeCO3，则梭罗沟金矿目前的尾矿可以封存CO2约164万t，未来每年生产的尾矿可以封存CO2约12万t（见表2），固碳潜力巨大。
四川省内同类型尾矿储量庞大，且每年仍在不断增长，如攀枝花钒钛磁铁矿1970—2002年排放的尾矿堆积储量已达1.05亿t，年增加储量0.35亿t ［22］，估计现有近10亿t尾矿储量，是梭罗沟金矿尾矿储量的近百倍，固碳潜力相当可观。
3.2 固碳潜力评价
利用尾矿中的铁镁质矿物进行CO2封存最大的优势在于矿物固碳的稳定性和安全性，减少了长期监控CO2是否存在泄漏的投入，是一种具有巨大潜力的碳捕获和封存技术［23］。但是，目前该技术还在起步阶段，实现大规模工业应用还有很大的差距，主要原因是自然风化过程的铁镁质矿物固碳周期漫长，而人为增强矿物固碳的试验流程长、能耗高，均达不到高效、经济固碳的目標。采用可循环助剂（如NH4Cl、NH4NO3、王水等）的间接矿物固碳技术可以提高固碳过程的经济性，还可进一步采用矿山工业固体废物作为原料，实现固体废物处理的同时封存CO2并回收高附加值产品，具有环保和经济的双重价值［9］。
2018年，四川省凉山彝族自治州CO2主要由化石燃料燃烧和工业生产过程中碳酸盐分解产生［24］。经统计，化石燃料燃烧的CO2排放总量为1 390万t，工业生产过程的CO2排放总量为289万t，CO2排放总量为1 679万t。按照梭罗沟金矿现有尾矿CO2封存量，至少需要10个同等尾矿储量的矿山才能完成铁镁质矿物的固碳反应，才能基本实现凉山彝族自治州内2018年度 CO2净零排放。以矿山目前的矿石储量和年平均产量，预估梭罗沟金矿还能生产服务至少21 a，假设未来矿石原料性质不变，则生产的尾矿至少可以封存CO2 246万t，能够实现凉山彝族自治州10个月（以2018年为例）工业生产过程的CO2净零排放。若将攀枝花钒钛磁铁矿等矿集区同类型尾矿也利用起来，将大大提高工业生产过程的CO2净零排放。
以上估算还存在很多不确定的影响因素，如铁镁质矿物的固碳速率、矿石质量引起的尾矿成分变化、气温条件、大气CO2浓度等。相比而言，梭罗沟金矿的尾矿更适合目前较为容易实施的方法，如将尾矿砂直接或进一步分选出铁镁质矿物后，撒落在地表或农田中使其自然风化消耗CO2。英国谢菲尔德大学Beerling教授及其团队推荐将这种方法应用到农业中，并将这种地表碳矿化作用称之为“增强的岩石风化作用（Enhanced Rock Weathering，ERW）”，并指出现代农田中普遍存在营养元素流失、土壤酸化及土壤厚度减薄的问题［25］；
这些铁镁质尾矿粉末的风化产物一方面含呈弱碱性的HCO-3，另一方面富含钙、镁、硅、钾等肥料元素，所以向土壤中喷撒铁镁质尾矿粉末有利于农业生产（见图4）。此外，铁镁质矿物风化还具有提高土壤水分保持能力、限制有毒微量元素迁移、减缓海洋酸化等正面环境效应［26］。
根据科学家们的估计，每年通过这种方法能够吸收5亿～20亿t CO2，与自然界全球硅酸盐风化的碳汇效应（5亿～6亿t/a）相近［27］。同时，与其他几种人工措施的固碳潜力也基本一致［28］，如土壤有机碳封存（5亿～50亿t/a）、生物能源碳捕获和储存（5亿～50亿t/a）、植树造林（5亿～36亿t/a）等。研究还发现，中国、美国和印度得益于拥有大面积农田，是此方法固碳潜力最高的3个国家［24-25］。
4 结 语
根据铁镁质矿物风化过程捕获并固定CO2的机理，初步估算梭罗沟金矿现有尾矿可以封存CO2约164万t，按目前的生产效率估算未来年平均CO2封存量约12万t。以该矿山目前的矿石储量和年平均产量，预估未来生产的尾矿至少可以封存CO2 246万t，基本能够满足凉山彝族自治州10个月工业生产过程的CO2净零排放。此外，参考ERW法可将梭罗沟金矿尾矿砂进一步分选出铁镁质矿物后，喷撒在农田使其自然风化消耗CO2。这种方法已受到国际学者的关注和论证，全面推广将极大地降低CO2封存成本。
［参 考 文 献］
［1］ 比尔·盖茨.气候经济与人类未来［M］.陈召强，译.北京：中信出版社，2021.
［2］ 全球能源互联网发展合作组织.全球碳中和之路［M］.北京：中国电力出版社，2021.
［3］ 蒲俊兵，蒋忠诚，袁道先，等.岩石风化碳汇研究进展：基于IPCC第五次气候变化评估报告的分析［J］.地球科学进展，2015，30（10）：1 081-1 090.
［4］ Energy transitions commission.Pathways from Paris：Assessing the INDC opportunity［R］.London：Energy transitions commission，2016.
［5］ 韩立群.碳中和的历史源起、各方立场及发展前景［J］.国际研究参考，2021（7）：29-36，44.
［6］ 习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话（全文）［EB/OL］.（2020-09-22）［2022-10-10］.http：//www.xinhuanet.com/politics/leaders/2020-09/22/c_1126527652.htm.
［7］ 雷英杰.中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）发布 建议开展大规模CCUS示范与产业化集群建设［J］.环境经济，2021（16）：40-42.
［8］ 盛雪芬，季峻峰，陈骏.中国超基性岩封存CO2的潜力研究［J］.第四纪研究，2011，31（3）：447-454.
［9］ 何民宇，刘维燥，刘清才，等.CO2矿物封存技术研究进展［J］.化工进展，2022，41（4）：1 825-1 833.
［10］ 宋贤威，高扬，温学发，等.中国喀斯特关键带岩石风化碳汇评估及其生态服务功能［J］.地理学报，2016，71（11）：1 926-1 938.
［11］ 周福篯.甘孜—理塘成矿带梭罗沟式金矿床找矿模型初探［J］.黄金，2022，43（2）：6-14.
［12］ 付小方，应汉龙.甘孜—理塘断裂带北段新生代构造特征及金矿成矿作用［J］.中国地质，2003，30（4）：413-418.
［13］ 余旭辉，游水生，李振江，等.木里县梭罗沟地区蓝闪石片岩的首次发现及地质意义［J］.四川地质学报，2021，41（增刊1）：53-56.
［14］ 迟崇哲，翟菊彬，兰馨辉，等.黄金尾矿综合利用分析［J］.黄金，2022，43（2）：100-103.
［15］ 胡强，彭仕冕.梭罗沟金矿选矿厂2 000 t/d改扩建及生产管理实践［J］.现代矿业，2019，35（3）：205-207，215.
［16］ 王晓妍，张丽君，袁旭音，等.中国东部典型铁镁质尾矿的潜在固碳能力评估［J］.高校地质学报，2012，18（2）：248-255.
［17］ 吴卫华，郑洪波，杨杰东，等.硅酸盐风化与全球碳循环研究回顾及新进展［J］.高校地质学报，2012，18（2）：215-224.
［18］ 李子波，刘连文，赵良，等.应用超基性岩尾矿封存CO2——以金川铜镍矿尾矿为例［J］.第四纪研究，2011，31（3）：464-472.
［19］ ALEXANDER G，MAROTO-VALER M M，GAFAROVA-AKSOY P.Evaluation of reaction variables in the dissolution of serpentine for mineral carbonation［J］.Fuel，2006，86（1）：273-281.
［20］ 周志强.超基性岩蛇纹石化蚀变与层状硅酸盐矿物演化作用［D］.綿阳：西南科技大学，2021.
［21］ 夏洪波.尾矿资源综合利用新思路［J］.黄金，2016，37（12）：70-72.
［22］ 邱克辉，刘熙光，张其春，等.攀钢工业固体废弃物现状及处置对策初探［J］.成都理工学院学报，2002，29（2）：209-212.
［23］ 邱添，曾令森，申婷婷.基性-超基性岩碳酸盐化固碳效应研究进展［J］.中国地质调查，2021，8（4）：20-32.
［24］ 赵飞.碳达峰碳中和约束下凉山州低碳发展路径研究［J］.中国资源综合利用，2022，40（5）：179-181.
［25］ BEERLING D J，KANTZAS E P，LOMAS M R，et al.Potential for large-scale CO2 removal via enhanced rock weathering with croplands［J］.Nature，2020，583：242-248.
［26］ LEHMANN J，POSSINGER A.Atmospheric CO2 removed by rock weathering［J］.Nature，2020，583：204-205.
［27］ HARTMANN J，JANSEN N，DRR H H，et al.Global CO2-consumption by chemical weathering：What is the contribution of highly active weathering regions？［J］.Global and Planetary Change，2009，69（4）：185-194.
［28］ FUSS S，LAMB W F，CALLAGHAN M W，et al.Negative emissions—Part 2：Costs，potentials and side effects［J］.Environmental Research Letters，2018，13（6）：063002.
Abstract：Ferromagnesian minerals can react with CO2 under natural conditions to form stable carbonate minerals，which is a safe，economical，and sustainable way of carbon capture and storage.This paper introduces the carbon fixation mechanism of ferromagnesian minerals and analyzes their carbon fixation capacity and potential based on the large reserves of ferromagnesian tailings from the Suoluogou Gold Mine in Sichuan，where the proportion of CaO，MgO，FeO and other components that can fixate CO2 is high.It is estimated that the current carbon storage capacity of the Suoluogou tailings is as high as 1.64 million tons，and the average annual CO2 storage capacity in the future is estimated to be about 120 000 t based on the current production efficiency.At least 2.46 million tons of CO2 can be stored for the future production of tailings.Referring to the ERW method，ferromagnesian minerals can be further separated from the Suoluogou tailings and sprayed on farmland for natural weathering and consumption of CO2，which will greatly reduce the cost of CO2 storage by promoting comprehensive utilization of tailings.
Keywords：carbon neutralization;carbon dioxide;carbon fixation by minerals;comprehensive utilization of tailings;ferromagnesian minerals;Suoluogou Gold Mine
猜你喜欢碳中和二氧化碳扬眉吐气的二氧化碳哈哈画报(2022年8期)2022-11-23用多种装置巧制二氧化碳中学生数理化·中考版(2021年12期)2021-12-31用多种装置巧制二氧化碳中学生数理化·中考版(2021年11期)2021-12-06“抓捕”二氧化碳小学科学(学生版)(2021年5期)2021-07-22如何“看清”大气中的二氧化碳学生天地(2020年18期)2020-08-25哥本哈根有望成为首个“碳中和”首都环球时报(2019-08-12)2019-08-12碳中和背景下德夯旅游景区低碳发展和建设研究现代营销·信息版(2019年4期)2019-06-07旅游风景区碳估算与碳中和实证研究世纪桥(2014年12期)2015-01-04高性能可变进气岐管降低二氧化碳排放汽车零部件(2014年8期)2014-12-28
