DOI: https://doi.org/10.1038/s44296-025-00089-1
تاريخ النشر: 2026-02-03
المؤلف: Shiteng Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: احتجاز ثاني أكسيد الكربون والتفاعلات الجيولوجية
نظرة عامة
تستكشف هذه المراجعة كربنة المعادن كطريقة لاحتجاز CO₂ وإزالة الكربون من المواد الأسمنتية، مع التركيز على المواد الأولية من الكالسيوم (Ca) والمغنيسيوم (Mg). يتم تقييم هذه المواد بشكل منهجي عبر ستة أبعاد: التعددية الشكلية، والعوامل المؤثرة، ودرجة الكربنة، ومنتجات الكربنة، والتطبيق، وكفاءة الاحتجاز. تسلط التركيبة الضوء على العلاقات بين البنية المجهرية، والأداء الميكانيكي، والمتانة، وامتصاص CO₂، بينما تحدد أيضًا نوافذ التطبيق، ومتطلبات الطاقة، وأولويات البحث المستقبلية لتطوير مواد أسمنتية منخفضة الكربون، ومعادن، وقادرة على التحمل.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن المواد المعتمدة على Ca تنتج بشكل أساسي كالسيت (CC) وهلام السيليكا الثانوي أثناء الكربنة، مع معدل تفاعل معتدل تحت الظروف المحيطة. تعزز هذه العملية القوة المبكرة ولكنها تؤدي في النهاية إلى تكوين طبقة تمرير غنية بالكالسيت تحد من اختراق CO₂ الإضافي. بالمقابل، يمكن أن تحقق المواد الأولية المعتمدة على Mg أداءً أعلى تحت ظروف محسّنة، وغالبًا ما تتطلب تدابير تنشيط. عادةً ما تنتج كربونات هيدروماجنيسيت (HMCs) من خلال آلية الذوبان-الترسيب، مما يسمح بالكربنة السريعة تحت ظروف معينة. تختلف معايير الكربنة المثلى لكل نوع من المواد، مما يتطلب مراقبة دقيقة للعوامل البيئية مثل درجة الحرارة، وتركيز CO₂، والرطوبة النسبية لتعظيم الكفاءة والفعالية في احتجاز CO₂.
الطرق
تحدد قسم المنهجية بحثًا شاملاً في الأدبيات تم إجراؤه عبر قواعد البيانات العلمية الرئيسية، بما في ذلك Scopus، وWeb of Science Core Collection، وEngineering Village (Compendex)، وGoogle Scholar، تغطي الفترة من يناير 2000 إلى أكتوبر 2025. ركز البحث على الأوراق البحثية الأصلية، ومحاضر المؤتمرات الكاملة، وبراءات الاختراع ذات الصلة للتحقق من نافذة العملية. استخدمت استراتيجية البحث مزيجًا من أوصاف الكربنة العامة والمصطلحات المتعلقة بالمواد الأولية المحددة، مستخدمة كلمات رئيسية مثل “الكربنة المعجلة”، و”تصلب CO₂”، و”كربنة المعادن”، و”تعدين الكربون”، جنبًا إلى جنب مع مصطلحات تتعلق بالحركية، والتحويل، والامتصاص.
بالنسبة للمواد الأولية المعتمدة على الكالسيوم، تضمنت الكلمات الرئيسية الإضافية مركبات مثل هيدروكسيد الكالسيوم (CH)، والسيليكات الثلاثية الكالسيوم (C₃S)، والسيليكات الثنائية الكالسيوم (C₂S)، وغيرها. بالمقابل، تم البحث عن المواد الأولية المعتمدة على المغنيسيوم باستخدام مصطلحات مثل أكسيد المغنيسيوم (MgO)، والبروسايت، والمغنسيت. علاوة على ذلك، بالنسبة للمواد الأولية من سيليكات الكالسيوم والمغنيسيوم، تم تضمين كلمات رئيسية مثل أكيرمانيت وميروينيت. لتصفية نتائج البحث، تم دمج مصطلحات متعلقة بالعملية مثل درجة الحرارة، وضغط CO₂ الجزئي، والرطوبة، والخصائص الفيزيائية المختلفة مثل قوة الضغط والنفاذية في استعلامات البحث.
المناقشة
في قسم المناقشة من ورقة البحث، يوضح المؤلفون المنهجية المستخدمة في فحص الأدبيات واستخراج البيانات، ملتزمين بإرشادات PRISMA 2020. تم استرجاع ما مجموعه 4,860 سجلًا في البداية، مما أدى إلى الاحتفاظ بـ 224 مقالة بعد عملية فحص صارمة. تم تصنيف هذه المقالات إلى مواد غنية بـ Ca، ومواد غنية بـ Mg، ومواد أولية من Ca-Mg، مما يوفر أساسًا شاملاً لتحليل آليات الكربنة. يؤكد المؤلفون على أهمية معايير مختلفة، بما في ذلك نوع المادة الأولية، وحجم الجسيمات، والظروف البيئية، في التأثير على معدلات الكربنة وتكوين المنتجات.
تم توضيح آليات الكربنة للمواد الأولية المختلفة، مع تسليط الضوء على المراحل المتميزة المعنية في كربنة سيليكات الكالسيوم، وهيدرات سيليكات الكالسيوم (CSH)، والمواد المعتمدة على المغنيسيوم. على سبيل المثال، يتم وصف كربنة سيليكات Ca مثل C₃S وC₂S كعملية من ثلاث مراحل تشمل الذوبان، والتشبع الفائق، وتكثيف السيليكات، مع تباين التفاعل بناءً على الهيكل المعدني المحدد. يناقش المؤلفون أيضًا دور البورتلانديت والجير الحر في تعزيز معدلات الكربنة، بالإضافة إلى مسارات الكربنة الفريدة للمواد الغنية بـ Mg مثل MgO والسيربنتين. تؤكد النتائج على تعقيد عمليات الكربنة، المتأثرة بعوامل مثل حجم الجسيمات، والشوائب، ووجود مواد أولية مختلطة من Ca-Mg، مما يؤثر في النهاية على كفاءة احتجاز CO₂ والخصائص الميكانيكية للمواد الناتجة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s44296-025-00089-1
Publication Date: 2026-02-03
Author(s): Shiteng Zhang et al.
Primary Topic: CO2 Sequestration and Geologic Interactions
Overview
This review investigates mineral carbonation as a method for CO₂ sequestration and the decarbonization of cementitious materials, focusing on calcium (Ca) and magnesium (Mg) precursors. It systematically evaluates these materials across six dimensions: polymorphism, influencing factors, carbonation degree, carbonation products, application, and sequestration efficiency. The synthesis highlights the relationships between microstructure, mechanical performance, durability, and CO₂ uptake, while also outlining application windows, energy demands, and future research priorities for developing low-carbon, mineralized, and resilient cementitious materials.
Key findings indicate that Ca-based materials primarily yield calcite (CC) and secondary silica gel during carbonation, with a moderate reaction rate under ambient conditions. This process enhances early strength but eventually leads to the formation of a calcite-rich passivation layer that limits further CO₂ penetration. In contrast, Mg-based precursors can achieve higher performance under optimized conditions, often requiring activation measures. They typically produce hydromagnesite carbonates (HMCs) through a dissolution-precipitation mechanism, allowing for rapid carbonation under specific conditions. Optimal carbonation parameters differ for each material type, necessitating careful monitoring of environmental factors such as temperature, CO₂ concentration, and relative humidity to maximize efficiency and effectiveness in CO₂ sequestration.
Methods
The methodology section outlines a comprehensive literature search conducted across major scientific databases, including Scopus, Web of Science Core Collection, Engineering Village (Compendex), and Google Scholar, covering the period from January 2000 to October 2025. The search focused on original research papers, full conference proceedings, and relevant patents for process-window verification. The search strategy employed a combination of general carbonation descriptors and specific precursor-related terms, utilizing keywords such as “accelerated carbonation,” “CO₂ curing,” “mineral carbonation,” and “carbon mineralisation,” alongside terms related to kinetics, conversion, and uptake.
For calcium-based precursors, additional keywords included compounds like calcium hydroxide (CH), tricalcium silicate (C₃S), dicalcium silicate (C₂S), and others. In contrast, magnesium-based precursors were searched using terms such as magnesium oxide (MgO), brucite, and magnesite. Furthermore, for calcium-magnesium silicate precursors, keywords like åkermanite and merwinite were included. To refine the search results, process-related terms such as temperature, CO₂ partial pressure, humidity, and various physical properties like compressive strength and permeability were also integrated into the search queries.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the authors detail the methodology for literature screening and data extraction, adhering to PRISMA 2020 guidelines. A total of 4,860 records were initially retrieved, leading to the retention of 224 articles after a rigorous screening process. These articles were categorized into Ca-rich, Mg-rich, and Ca-Mg precursors, providing a comprehensive basis for analyzing carbonation mechanisms. The authors emphasize the importance of various parameters, including precursor type, particle size, and environmental conditions, in influencing carbonation rates and product formation.
The carbonation mechanisms for different precursors are elaborated, highlighting the distinct stages involved in the carbonation of calcium silicates, calcium silicate hydrate (CSH), and magnesium-based materials. For instance, the carbonation of Ca-silicates like C₃S and C₂S is described as a three-stage process involving dissolution, supersaturation, and silicate condensation, with reactivity varying based on the specific mineral structure. The authors also discuss the role of Portlandite and free lime in enhancing carbonation rates, as well as the unique carbonation pathways for Mg-rich materials such as MgO and serpentine. The findings underscore the complexity of carbonation processes, influenced by factors such as particle size, impurities, and the presence of mixed Ca-Mg precursors, ultimately affecting the efficiency of CO₂ sequestration and the mechanical properties of the resultant materials.