碳捕获、利用和储存（CCUS）被认为是减缓温室效应的最有效方法。二氧化碳地质封存是CCUS的核心组成部分，其中矿物捕集的优势在于其较强的热力学反应性，较低的泄漏可能性，以及永久封存二氧化碳的潜力。片钠铝石广泛存在于二氧化碳充注的深部咸水层或沉积储层中，被认为是CCUS项目中重要的碳捕集矿物之一。大量的数值模拟结果表明，如果砂岩地层中存在足量的富钠长石和二氧化碳，就很容易形成大量的片钠铝石，从而实现二氧化碳的永久封存。此外，片钠铝石还常被用于阻燃剂、防腐剂、制铝行业以及陶瓷的前驱体。因此，探索利用二氧化碳快速大量合成片钠铝石的最佳条件，对于二氧化碳的地质封存和工业化利用具有重要意义。
目前，片钠铝石的合成方法很多，但并不针对碳封存，且大多数合成方法都依赖含碳酸根或碳酸氢根离子的化学试剂作为实验前体，二氧化碳的参与有限，其最佳的合成条件仍存在争议。因此，探索如何在二氧化碳的参与下快速、大量合成片钠铝石，以实现二氧化碳矿化封存，值得进一步研究。针对上述问题，中国石油大学（华东）地球科学与技术学院张洋晨博士在导师曲希玉副教授的指导下，基于物理模拟实验、X衍射分析、扫描电子显微镜分析等方法，以AlCl3 · 6H2O、NaOH、NaCl和CO2为初始原料，在不同温度、pH值和反应时间下，利用水热法合成了纯相片钠铝石。比较了不同条件下合成的片钠铝石的纯度、形态、尺寸和质量，明确了利用二氧化碳合成片钠铝石的最佳条件，探讨了片钠铝石的水热合成机理，并初步评估了片钠铝石的固碳潜力。结果表明，pH值为8.5–10.5、温度为 100–180 ℃，反应时间≥6 h，均可合成纯相片钠铝石（图1）；温度和pH值都会影响片钠铝石水热合成的纯度、合成量和形态，温度对片钠铝石纯度和形态的影响更为明显；延长反应时间对片钠铝石的合成量和纯度影响极小；温度为140 ℃、pH值为9.5时，片钠铝石的合成量和二氧化碳矿化率均达到最大值。这表明该温度和pH值条件可能是利用二氧化碳进行热液合成道森石的最佳实验条件，也可能是二氧化碳矿化封存的理想条件。温度较低时（50 ℃），片钠铝石成核速率远大于生长速率，出现团聚现象；当温度达到100 ℃时，片钠铝石的成核速率和生长速率都会增加，并且粒状片钠铝石晶体沿一定方向逐渐长成针状；120~160 ℃时，生长速率大于成核速率，晶体均匀性和分散性增强，直径增大；温度为180 ℃时，生长速率和成核速率均降低，片钠铝石合成量显著减少，晶体直径减小；当温度为200 ℃时，片钠铝石开始溶解，体系中出现拟薄水铝石（图2）。该成果在二氧化碳矿化封存及片钠铝石快速合成以工业化利用等方面提出了新的认识。并将片钠铝石的稳定性及富集条件等纳入到后续研究中。
图1. 相同温度和不同pH值条件下合成的片钠铝石的 XRD图谱。(a) pH8.5–10.5，温度100 ℃，反应时间12小时；(b) pH8.5–10.5，温度120 ℃，反应时间12小时；(c) pH8.5–10.5，温度140 ℃，反应时间12小时；(d) pH8.5–10.5，温度160 ℃，反应时间12小时；(e) pH8.5–10.5，温度180 ℃，反应时间12小时；(f) pH8.5–10.5，温度200 ℃，反应时间12小时。
图2. 片钠铝石的水热合成机理。
研究成果近期发表在环境科学领域国际重要SCI期刊Science of The Total Environment（中科院一区TOP期刊）。论文获得山东省自然科学基金、中国地质调查局项目及中国石油大学（华东）研究生创新基金项目的联合资助。论文第一作者为中国石油大学（华东）地球科学与技术学院张洋晨博士，通讯作者为中国石油大学（华东）地球科学与技术学院曲希玉副教授。合作作者包括青岛海洋地质研究所高级工程师袁勇、张银国和青岛港湾职业技术学院李倩。
论文信息：Yangchen Zhang, Xiyu Qu*, Yong Yuan, Yinguo Zhang, QianLi. 2024. Mineral trapping of carbon dioxide: Rapid hydrothermal synthesis experiments and carbon sequestration potential of dawsonite. Science of The Total Environment, 946, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.174220.
