工业废物可以将全球变暖的二氧化碳变成石头

在矿物中储存二氧化碳的想法并不新鲜。从空气或发电厂废气中捕获气体的计划通常要求将其注入地下岩层，这些岩层与矿山废物一样，会发生反应形成碳酸盐。某些岩石会在一种称为风化的过程中自然捕获二氧化碳。在阿曼，一种名为橄榄岩的矿物的巨大山脊从空气中矿化二氧化碳，形成类似牛排大理石的白色纹理。类似的较小的结构散布在全球各地。

我的废物也有同样的表现。2014年，威尔逊和他的同事分析了西澳大利亚基斯山镍矿的尾矿，发现该矿每年生产的1100万吨尾矿会自发与CO2反应，锁定了大约4万吨气体。这相当于该矿运营产生的二氧化碳产量的11%左右。

尽管如此，风化是缓慢的，大多数碱性废物最终要么被埋在池塘里，要么被淹没在池塘里，因此不会暴露在空气中。“关键是让这些反应以更快的速度发生，”洛拉克斯环境服务公司的地球化学家艾莉森·肖(Alison Shaw)说，他是戴比尔斯公司二氧化碳矿化研究的负责人。

在Gahcho Kué，迪普尔和他的学生测试了一种加速这一过程的方法。该矿的尾矿包括潮湿的淤泥和干燥的沙状颗粒。狄普尔和他的学生用绿色的泥浆填充了一个6米高的柱子，并在1立方米的沙子上喷水。用他们的泥浆和干废物，他们在混合气体中冒泡-10%的二氧化碳和90%的氮-与当地柴油发电厂为矿井供电的废气相匹配。

他们发现，废物吸收二氧化碳的时间长达44小时，将其转化为矿物。新制造的碳酸镁矿物起到了胶水的作用，固化了之前自由流动的尾矿，很像沙子变成了砂岩。Dipple说，最重要的是，废物吸收二氧化碳的速度比自然风化快200倍。

今年夏天，他将返回Gahcho Kué，扩大测试规模，并使用实际的柴油尾气。但由于冠状病毒大流行，这些测试被搁置。

肖说，戴比尔斯还资助了世界各地的其他项目。例如，威尔逊的团队正在研究稀酸是否会加速风化。实验室研究表明，这些酸可以从矿山废物中浸出镁，使其可以与二氧化碳反应。昆士兰大学圣卢西亚分校的戈登·索瑟姆(Gordon Southam)领导的另一个项目是在混合物中加入蓝藻。这些光合细菌从大气中捕获二氧化碳，实验室研究表明，它们加速了碳矿化。肖说，如果这些努力奏效，它们可以修复矿山作为环境枯萎的名声，使它们成为应对气候变化的解决方案的一部分。戴比尔斯的母公司英美资源集团(Anglo American)宣布，希望在2040年之前利用碱性废物创建第一个碳中性矿山。

钻石矿并不是唯一正在进行此类研究的地方；另一个是澳大利亚新南威尔士州的Woodsreef温石棉矿。(温石棉是石棉的一种形式，在世界一些地区仍被广泛用于建筑材料。)。威尔逊和她的同事们用稀硫酸喷洒矿场的超镁铁质尾矿，导致镁渗出。然后，碱性尾矿中和了酸，并锁定了冒泡通过的二氧化碳，速度比正常风化快100倍。

伍斯特理工学院的化学工程师詹妮弗·威尔科克斯(Jennifer Wilcox)和她的同事们正在蒙大拿州的斯蒂尔沃特镍矿(Stillwater镍矿)推行一项相关战略。“尾矿不是特别活跃，”她说。但CO2是微酸性的；在尾矿中鼓泡有助于释放它们的金属，并增强它们对CO2的亲和力。她和她的同事们正在探索，添加一种名为草酸盐的化合物是否会削弱尾矿中的化学键，从而进一步加快这一过程。他们试图通过分散尾矿中一种矿物的微小晶体来促进二氧化碳匮乏的碳酸镁晶体的生长。威尔科克斯说，这些微晶“就像一张蓝图，可以制造出更多你想要的东西。”

CO2的矿化可以帮助修复采矿带来的环境问题，例如从粉碎的岩石中释放重金属。3月1日，威尔逊和她的同事在《经济地质学》(The Economic Geology)杂志上报道，加速风化的技术，如加酸，可以有效地将重金属捕获到新形成的碳酸盐矿物中，使它们远离地下水。其他研究小组已经证明，碳酸盐还可以将有害的残留石棉纤维困在温石棉尾矿中。“你几乎可以锁上任何东西，”威尔逊说。

其他工业废物，如铝生产产生的赤泥和炼钢、炼铁的“废渣”，也蕴藏着大量的化学反应性来结合和储存二氧化碳。然而，根据NAS的说法，将这些废物完全碳化可能需要建造昂贵的工厂来加快反应。

根据雷福斯团队的说法，粉碎玄武岩产生的岩尘可以更便宜地完成这项工作，玄武岩已经被开采用于建筑骨料。研究人员建议，将这种灰尘添加到世界各地的农业土壤中，在那里它会暴露在空气中，每年可以捕获多达2GT的二氧化碳。玄武岩粉尘还可以用集约化农业耗尽的钾和锌等养分强化土壤。他们说，作为一个额外的好处，尘埃会与二氧化碳反应，生成碳酸氢盐，随着时间的推移，其中大部分会通过河流流入大海；一旦到达那里，碱性的碳酸氢盐就可以抵消海洋酸化的影响。

NAS专家小组表示，在另一个环境优势方面，各种碳化废物可以用作混凝土和道路骨料的原材料。报告指出，用碳酸化矿物取代10%的建筑材料，可以通过降低水泥生产的排放，每年减少1.6GTS的二氧化碳排放。世界各地的许多公司已经跳入这一领域，制造和销售这种新材料(见上表)。

然而，即使大规模的矿化奏效，扩大规模也会带来令人望而生畏的成本，无论是财务成本还是环境成本。威尔逊和她的团队估计，开采、粉碎和研磨超镁铁质岩石每吸收一吨二氧化碳只需花费约10美元。移动岩石、搅拌和其他加速矿化的步骤可能会将成本推高到每吨储存的二氧化碳55美元到500美元之间。这与使用液态胺进行更传统的直接空气捕获的成本相似，后者已经获得了广泛的关注和商业兴趣。

但要改变全球二氧化碳排放水平，需要令人难以置信的数量的岩石。根据哥伦比亚大学(Columbia University)地质学家彼得·克莱门(Peter Kelmen)5月6日在网上发表的一份报告，消耗1 Gt CO2需要10至100 Gt的尾矿-5至50立方公里的材料。该报告由哥伦比亚大学(Columbia University)地质学家彼得·克莱门(Peter Kelmen)领导。这足以掩埋30到300米深的华盛顿特区-但它只能捕获每年人类排放到大气中的大约40%的二氧化碳。亚利桑那州立大学坦佩分校的物理学家克劳斯·拉克纳(Klaus Lackner)说：“我们制造的二氧化碳不是我们制造的那种规模的东西。”该中心正在评估所有类型的蚊帐。

所有这些采矿、研磨和运输本身都会产生二氧化碳，除非它是以可再生能源为动力的。而且，如果粉碎的岩石中哪怕有一小部分重金属被淋出，堆积如山的岩石废物可能会有污染地下水的风险。拉克纳说：“如果你把它们散布在各处，并不是所有的岩石都是环保的。”