钙长石矿物的化学活性及其固碳潜力研究初探

刘 瑞，王志华，徐 强，于 娜，曹妙聪

（长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春130021）

0 引言

现代工业的发展和人类自身活动的增加使得大量的CO2温室气体排入到大气环境中，造成气温升高、冰川融化、海平面上升、异常气候频发，严重威胁了人类的生存与发展。开发利用价格低廉、化学稳定性好、不会造成二次污染的CO2矿物碳酸化固定技术是解决近年来日益加剧的温室气体排放问题的最佳方式之一。

自1990年Seifritz提出CO2矿物碳酸化隔离概念以来［1］，许多研究者都提出了不同的矿物碳酸化方法。矿物碳酸化隔离技术是利用自然界中钙、镁硅酸盐矿物，如橄榄石、蛇纹石、硅灰石等与气态的CO2发生反应，生成碳酸钙或碳酸镁固体［2－6］。

钙长石为斜长石的端元矿物，其CaAl2Si2O8含量大于90%。钙长石通常只存在于深成岩，如角闪辉长岩中，以及斜长二辉麻粒岩中。与橄榄石、蛇纹石和硅灰石等传统的固碳矿物相比，具有分布广泛，储量巨大，易于获得、成本低廉的优势［7］。长石在地表条件下易于风化蚀变，其广泛发育的微孔、微裂隙和固有的解理增大了长石与溶液的接触面积，提高了水岩反应活性，有利于固化反应的进行。

本文通过对钙长石矿物的结构、化学结合能以及成分分析，阐述钙长石矿物固化CO2的潜力。

1 矿物碳酸化的理论基础

矿物碳酸化指的是温室气体CO2在一定条件下与含有金属元素的矿物进行反应，生成不溶的碳酸盐。矿物固化CO2是模仿自然界中Ca／Mg硅酸盐矿物的风化过程和作用，由天然矿物与CO2反应生成固体的碳酸盐，从而达到减少温室气体排放的目的。这一想法最先是由Seifritz（1990）提出，在此之后各国的科学家对矿物固碳作用进行了广泛的研究，取得了丰富的成果。

矿物固碳作用主要是利用含镁和钙的二价金属离子与二氧化碳反应生成稳定的碳酸盐物质，其可用如下化学反应通式表示：

表1列出了一些常见矿物的碳酸化反应的吉布斯自由能数据［7］，负值表示反应在一般条件下可以自发地进行，并放出热量。钙长石的吉布斯自由能ΔGf略高于温石棉的－4 032.4kJ／mol，为－4 007.9kJ／mol，要小于镁橄榄石、硅灰石等矿物。钙长石与CO2反应体系的ΔGr为负值，说明该反应为放热反应。

表1 常见矿物的标准摩尔碳酸化反应吉布斯自由能［7］

2 长石风化蚀变作用

在地壳这个开放的系统中，地壳中的矿物和岩石与其周边的水圈、大气圈以及生物圈等会发生物质的交换和能量的交流，岩石的风化作用以及矿物所造成的碳汇作用即是这一作用的反映。长石在地表环境表现出的风化蚀变现象和化学反应活性特征与长石的成分和结构特征密切相关。矿物的碳酸化作用本身就是矿物风化作用的一部分，在水的作用下，长石矿物在酸性介质条件中发生蚀变生成高岭石，反应式为：

长石极易发生风化蚀变这已经成为地质工作者们的共识，并且关于长石矿物的蚀变作用问题，许多学者也曾进行了广泛的研究和报导［8］。长石在遭受水热蚀变而发生高岭石化和绢云母化时，高岭石和绢云母常常呈浸染状出现于碱性长石晶体的内部。形成这一现象的原因也许是由于长石矿物发育的超微孔道结构特征，使得其易于在晶体的中心最先开始蚀变。

在正交偏光镜下对花岗岩岩石薄片进行观察，可以看到花岗岩的典型矿物组成有长石、石英、黑云母，以及少量的角闪石矿物（图1）［9］。正交偏光镜下可以发现长石普遍存在的两组正交的解理，以及在某些长石中出现有双晶。矿物中心普遍发生了蚀变，变成黄灰色的高岭石和色彩鲜艳的绢云母生。传统上人们把长石的蚀变归于长石过剩的表面能，如晶格大小的位错。高岭石进一步在较高温度和K的参与作用下又会生成绢云母：

长石结构使得长石矿物晶体内部可以和水分子、CO2以及K2O充分地接触，长期的水岩反应使得长石晶体的中心蚀变成高岭石和绢云母。而晶体的边部由于水分子的富集程度较低，水分子又可以很快地析出，使得水分子、CO2和K2O与长石矿物接触的时间相对较短，蚀变相对较弱，因此使得长石矿物的边部较为洁净。

图1 花岗岩中的碱性长石矿物的中心蚀变现象（×200倍）

3 长石固碳反应

在斜长石、水和CO2体系中，与钙长石伴生的钠长石本身可以与CO2反应，生成片钠铝石：NaAl2Si2O8（钠长石）＋CO2＋2H2O NaAl（CO3）（OH）2＋2SiO2。

钙长石在风化蚀变过程中，长石矿物本身就包含有钙离子的释放。二价钙离子与大气中的二氧化碳反应，生成碳酸钙和高岭石，其化学反应式为［10］：

CaAl2Si2O8（钙长石）＋CO2＋2H2O Ca－CO3＋Al2Si2O5（OH）4（高岭石）

自然界中普遍存在着的长石矿物的蚀变都可发生碳酸化作用。生成的产物有方解石、菱镁矿、白云石，并伴生有硅化、绢云母化和绿泥石化［11］。

矿物碳酸化反应作用的快慢与反应物之间的接触面积大小有着密切的关系。长石矿物中广泛发育的空隙和裂隙有助于反应的进行，长石中常出现的风化蚀变作用也从一个侧面说明了长石矿物的固碳功能［12］。

矿物碳酸化的最简单的方法是在适当的温度和压力条件下CO2与金属离子直接反应。遗憾的是这种反应非常缓慢，只有理论上的可行性。实际上长石和CO2反应是通过二次反应，且在溶液中进行的，又称为湿法碳酸化作用。在此方法中，钙长石首先溶解于溶液中，形成离子后再进行碳酸化反应。实验中通过将钙长石溶于NaOH溶液中，获得Ca（OH）2，然后再将Ca（OH）2与CO2反应，生成碳酸钙。通过XRD和红外光谱分析，显示生成了Ca－CO3以及其他碳酸盐类物质。钙长石碳酸化是一个速率控制步骤，可以通过提高反应温度加速反应的进行。碳酸化反应温度通常控制在200℃，过高的温度容易使CO2逸出。为了加速金属离子的析出，可以加入酸、碱溶液使钙长石分解，析出Ca2＋。

从理论上说，1mol钙长石可以处理1mol的CO2，尽管处理的量相比较石棉和镁橄榄石矿物，分别为3和2mol量为少。但是由于钙长石相对比其他矿物，如温石棉和橄榄石等储量巨大，是地壳中最丰富的矿产之一，因此其总体处理CO2的量是非常可观的。

Xu T等［10］通过化学反应计算认为每吨钙长石可以固化二氧化碳436.4t。钙长石中各种宏观和微观裂隙的存在增强了长石矿物的反应活性，加快反应速度，无疑也大大促进了长石与CO2温室气体的反应，起到快速固化封存CO2的目的。

4 结语

长石矿物在地表水体中所表现出的环境效应在对CO2等温室气体无害化处理方面具有潜在的应用价值，在物质迁移与交换过程中发挥着鲜为人知的独特作用，孕育着对二氧化碳进行大规模捕获与储存，净化大气环境、减少温室气体排放的作用。长石矿物在湿法化学反应中可以析出Na＋、K＋和Ca2＋等金属离子，其中的Ca2＋可以和CO2反应，生成CaCO3，达到捕获固化CO2的目的。钙长石碳酸化是一个速率控制步骤，可以通过对长石进行酸碱预处理、提高反应温度加速反应的进行。长石矿物中各种微孔隙和裂隙有助于矿物碳酸化反应的进行，自然界中长石矿物中普遍发育的风化蚀变作用是长石矿物碳酸化反应的极好例证。钙长石矿物具有较高的化学活性，具有较好的固碳效应和潜力。

［1］Seifritz W.CO2disposal by means of silicates［J］.Nature，1990，345（6275）：486.

［2］United Nation.United Nation Framework Convention on Climate Change：Caring for climate–aguide to the climate change and the Kyoto protocol［EB／OL］.（2012－12－08）［2013－09－22］.http：／／unfcc.int／kyoto＿protecol items／2830.php.

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