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未来矿山中关键矿产和地质氢的强化回收

时间：2026年2月3日
来源：ACS Sustainable Resource Management

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CO₂增强矿物回收与地质氢协同生产为解决关键矿物和氢能供应瓶颈提供新路径，通过超镁铁岩中CO₂流体溶解金属并碳酸盐化分离杂质，同时利用低硅含量促进Fe²⁺氧化生成氢气，实现资源与能源的同步开发。

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引言

关键矿物（CMs）和氢气（H2）已成为现代能源体系不可或缺的组成部分。然而，由于某些地区的地质储量有限，全球关键矿物的供应在地理上高度集中。仅澳大利亚、俄罗斯、南非、智利和刚果民主共和国这几个生产国就占据了全球锂（Li）、钴（Co）和铂（Pt）开采量的75%以上，而中国则提供了超过60%的稀土元素（REE）开采量以及近90%的稀土元素加工量。(1)这种关键矿物生产的分布不均给能源安全和供应链稳定性带来了风险。传统的采矿方法，如地下开采和露天开采，在技术上已经过时，并且对环境造成破坏。此外，过去十年中矿石品位的下降显著增加了关键矿物的开采成本和相关排放。(2,3)氢能技术也面临着类似的挑战。2023年全球氢气产量达到了9700万吨（Mt），但其中仅有1%属于低排放氢。(4)目前，通过蒸汽甲烷重整技术生产的蓝氢每千克氢气会产生9-10千克二氧化碳当量（kg CO2e/kg H2），(5,6)而通过水电解生产的绿氢由于成本过高（每千克4-8美元），尚未实现大规模应用。(7,8)这些多重压力迫切需要寻找生产这些关键能源资源的替代途径。
在这篇论文中，我们提出了一种利用二氧化碳（CO2）增强关键矿物回收（CO2-EMR）(9−12)以及从地球上丰富的岩石中生产地质氢气（GeoH2）的方法（图1）。目标是通过这一新方法应对矿石品位下降、采矿技术落后以及关键矿物供应受限的问题，将这些重要资源整合到一个统一的地下工程框架内。

图1

图1. 利用二氧化碳增强关键矿物回收和地质氢气生产的示意图（CO2-EMR + GeoH2）。通过将地球作为反应器，向地下注入工程流体（如浸出剂、添加剂和二氧化碳），可以（1）从含金属的矿物中提取关键矿物；（2）通过结晶作用固定不需要的元素（实现原位分离）；（3）通过水-矿物相互作用促进地质氢气的生成。

原位回收关键矿物：资源开发中的新兴趋势

原位回收（ISR）技术最早于1959年在美国提出(13)，其原理是将化学溶液注入含矿层以溶解目标金属，然后将其泵送到地面进行提取。(14)与传统采矿方法相比，ISR减少了土地破坏，并已成为渗透性砂岩中铀（U）开采的标准方法。(15)然而，由于许多矿体缺乏足够的渗透性（通常低于0.1 mD），这种技术在其他矿物中的应用进展缓慢。(14)尽管如此，人们越来越关注将ISR技术扩展到其他关键矿物领域，尤其是在高消耗、低产出的地区。超基性岩体是一个有前景的目标，因为其中含有丰富的关键矿物，例如橄榄石（地球上最丰富的矿物之一）。(16)实验室研究表明，使用高选择性螯合剂（如EDTA）可以从反应后的橄榄石中回收约64-100%的镍（Ni）和钴（Co）(11,17)，并且这一技术可以应用于单个超基性岩体，潜在回收量可达1600万吨镍。(18)铜（Cu）的回收情况也显示出积极前景。试点项目(18)、建模研究(19,20)以及实验室实验(19,20)表明，在适宜的矿物条件下，铜的回收效率可超过60%。

二氧化碳诱导的矿物迁移与分离：一举多得

将二氧化碳（CO2引入工程流体中，为ISR过程带来了显著优势。首先，二氧化碳能显著促进金属的迁移。当二氧化碳溶解在水中时，会形成碳酸，降低pH值，从而加速矿物的溶解，促使金属元素（包括关键矿物）释放到液相中。(12,30−33)这种提高关键矿物回收率的效果类似于二氧化碳增强石油回收（EOR）技术。二氧化碳还作为一种原位分离（ISS）剂，通过快速碳矿化作用去除非目标元素。据报道，在几天到几个月的时间范围内，碳矿化效率可达50-86%(11,34)，证明了该技术在超基性岩体中的有效性和快速反应性。(35)这种矿物捕获机制减少了关键矿物富集液中的镁（Mg）、铝（Al）和钙（Ca）等杂质，降低了后续分离和纯化的需求，降低了运营成本。这一过程已在实际应用中得到验证：全球已有超过10万吨二氧化碳被注入玄武岩(36−39)和橄榄岩(40)中，预计其地球上的总储量可达2.5-4.8万亿吨(41)。

刺激生成的地质氢气：一个充满潜力的能源

地质氢气（GeoH2不仅在天然储层（如马里(42)、俄罗斯(43)、巴西(44)和澳大利亚(45)）中被发现，也在受控的实验室实验中得到验证(46−52)。在超基性岩体中，蛇纹石化反应是主要的氢气生成机制(53)：铁离子（Fe2+被氧化为铁离子（Fe3+3O4），同时水被还原为氢气（H2（g））。超基性岩体中通常含有高达100%的橄榄石，其中铁（Fe）的含量在橄榄石[ Mg2SiO4]-铁橄榄石[Fe2SiO4]固溶体范围内变化（平均含铁量为5-20 wt%）(55)，因此非常适合通过ISR技术生成地质氢气。超基性岩体中较低的二氧化硅含量（通常低于45%）也是促进氢气生成的关键因素。较低的二氧化硅含量使得铁离子更易被氧化为磁铁矿，从而提高氢气的产率。(56−58)此外，特定矿物（如铝(59)、镍(60)、辉石(61)和尖晶石(52)）的存在可以加速蛇纹石化反应，进一步提高氢气的生成量。此外，将二氧化碳引入反应过程还可以增强氢气的生成效果(62,63)。二氧化碳降低的流体pH值有助于从岩体中释放铁离子，并通过蛇纹石化反应增加氢气的产量(64)。同时，矿化过程中在孔隙空间中形成的初级和次级矿物（如镁矿、蛇纹石和沸石）可能会暴露新的反应表面(65−67)，进一步加速蛇纹石化反应。研究显示，在25-100°C的温度下，二氧化碳-水-岩石系统中氢气浓度可达到11,960 ppm，碳矿化效率为4.17%(50,63,68)，表明矿化作用与氢气生成之间存在协同效应。

机遇与挑战

将地下系统转化为反应性储层，为利用二氧化碳（CO2）同时回收关键矿物（CMs）和地质氢气（GeoH2）提供了有效途径。借鉴现有的铀（U）和铜（Cu）ISR技术，含二氧化碳的工程流体可以溶解含金属的超基性岩体，同时碳酸盐的沉淀有助于纯化和稳定产物，并促进地质氢气的生成。这项技术的潜力巨大：如果仅从假设的1立方公里超基性岩体（具有Twin Sisters Dunite的矿物学和化学成分）中提取5%的橄榄石(11)，那么可以生成多达36万吨镍、1.6万吨钴和36万吨氢气(图2)，同时将4600万吨低价值矿物（镁和钙）保留在碳酸盐矿物中。

图2

图2. 假设1立方公里的超基性岩体（Twin Sisters Olivine）中有5%与工程流体反应，通过二氧化碳增强矿物回收和氢气回收（CO2-EMR-EHR）技术，可回收的镍足以生产500万吨不锈钢，钴足以制造30亿部智能手机，氢气足以每年为100万户家庭提供能源。

尽管前景广阔，但二氧化碳增强矿物回收（CO2-EMR）结合地质氢气生成（GeoH2技术仍面临诸多技术和监管障碍，包括流体控制、水文地质稳定性以及含水层污染等问题。可扩展性方面的挑战还包括岩石的异质性、反应钝化以及地球化学平衡的不确定性。不过，浸出剂设计、氧化还原管理以及监测和评估工具的进步对于确保高效资源回收至关重要。此外，成功的实施需要国家政策的支持以及国际间的协调，以确保技术的安全、规范和社会接受度。

结语：地球的地下层是能源的未来

通过利用自然反应性和工程精度，利用工程流体增强关键矿物和地质氢气的回收，为未来的采矿提供了新的路径，既能保障战略资源的供应，又能实现能源多样化。展望未来，未来的矿山将不再在地面留下废渣和露天矿坑；相反，它将在我们的脚下运作，将地球的地下层从一个被动储层转变为一个活跃的能量生产源，满足社会的迫切需求。 ```

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