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主要作者及研究机构

该研究由Megan Danczyk和Christopher Oze共同完成，研究机构为Aspiring Materials, Christchurch, New Zealand。该研究发表于2024年的《Communications Chemistry》期刊，DOI为10.1038/s42004-024-01361-6。

学术背景

该研究的主要科学领域为环境科学与地球化学，具体聚焦于通过增强岩石风化（Enhanced Rock Weathering, ERW）技术去除大气中的二氧化碳（CO₂）。背景知识包括岩石和矿物在土壤系统中通过增加碱性来促进碳酸氢盐的形成，从而间接或直接地减少大气中的CO₂。研究的目的是评估常见的水合岩石和矿物粉末在增强碱性和与大气及高浓度CO₂反应方面的潜力，特别是研究它们在CO₂去除和储存中的应用前景。

研究流程

研究分为多个步骤，主要包括以下几个方面：

1. 材料选择与准备
   研究选取了六种岩石/矿物/水泥材料作为研究对象：氢氧化镁（Mg(OH)₂）、蛇纹石（Serpentine）、橄榄石（Olivine）、玄武岩（Basalt）、水泥废料（Cement Waste）以及玄武岩/超基性岩混合物。所有材料均经过精细研磨，并在实验前进行化学分析。

2. 直接空气捕获（Direct Air Capture, DAC）实验
   研究设计了一个封闭循环的DAC实验系统，用于测量不同材料在大气CO₂条件下的反应能力。实验中，将25克材料与去离子水混合，形成多孔床层，并通过蠕动泵循环空气。CO₂浓度、温度和湿度均被实时监测，实验持续5小时。

3. 高浓度CO₂浆液实验
   为了研究材料在高浓度CO₂条件下的反应，研究将每种材料与700克水混合，并通过Sodastream™碳酸化装置注入CO₂。实验结束后，样品经过干燥并通过X射线衍射（XRD）分析，以检测碳酸盐的形成。

4. pH与碱性测量
   研究还测量了每种材料在浆液中的pH值，以评估其对土壤碱性的影响。pH值通过2:1的水与固体质量比进行测量。

主要结果

1. DAC实验结果

   • 玄武岩在实验中释放了CO₂，表明其不适合用于CO₂去除。
     
   • 橄榄石和蛇纹石对CO₂的反应较弱，CO₂浓度仅下降了3%和1%。
     
   • 水泥废料和Mg(OH)₂表现出显著的CO₂去除能力，能够快速将CO₂浓度降至检测下限。

2. 高浓度CO₂浆液实验结果

   • 蛇纹石、玄武岩及其混合物在高浓度CO₂条件下未检测到碳酸盐形成。
     
   • 水泥废料中的碳酸钙含量从7%增加到18%。
     
   • Mg(OH)₂完全转化为水合碳酸镁（Hydromagnesite），表明其高效的CO₂矿化能力。

3. pH与碱性测量结果

   • 水泥废料的pH值最高（12.6），其次是Mg(OH)₂（10.3）。
     
   • 橄榄石和蛇纹石的pH值分别为9和8.9，表明它们对酸性土壤有一定的碱性增强作用。

结论

研究表明，Mg(OH)₂是一种极具潜力的CO₂去除材料，能够快速矿化大气中的CO₂并增强土壤碱性。相比之下，玄武岩由于其释放CO₂的特性，不适合用于CO₂去除。水泥废料虽然具有一定的CO₂去除能力，但其效果受限于其CaO含量和潜在的重金属污染风险。研究还指出，增强岩石风化技术的应用需要考虑岩石中气体的释放及其对碳生命周期的影响。

研究亮点

1. 重要发现

   • Mg(OH)₂是唯一一种在实验中完全矿化CO₂且无重金属污染的材料。
     
   • 玄武岩的CO₂释放特性被系统性忽视，这对其在CO₂去除中的应用提出了挑战。

2. 方法创新

   • 研究开发了一种封闭循环的DAC实验系统，能够实时监测材料对CO₂的反应。
     
   • 通过高浓度CO₂浆液实验和XRD分析，首次系统性地评估了多种岩石和矿物的CO₂矿化能力。

其他有价值的内容

研究还探讨了Mg(OH)₂的规模化应用潜力，并提供了两种情景下的计算：
- 情景1：去除1000吨CO₂需要2650吨超基性岩。
- 情景2：将大气CO₂浓度从416 ppm降至工业化前水平（280 ppm）需要处理2.9×10³亿吨超基性岩。

此外，研究还计算了不同材料在CO₂去除过程中的能源消耗，发现Mg(OH)₂的能源效率最高，尽管其生产过程需要更多能源。

总结

该研究为增强岩石风化技术在CO₂去除中的应用提供了重要的实验依据，特别是Mg(OH)₂的发现为未来气候变化缓解提供了新的解决方案。研究还强调了在碳生命周期分析中考虑岩石中气体释放的重要性，为相关领域的研究提供了新的视角。