使用氢氧化镁来提高海洋的碱度：阐明形成条件对材料性质和溶解动力学的影响

《Frontiers in Climate》：Using magnesium hydroxide for ocean alkalinity enhancement: elucidating the role of formation conditions on material properties and dissolution kinetics

海洋碱度增强（OAE）中，海水电碱度交换制备的Mg(OH)?结晶度低、溶解快，优于工业来源。通过XRD、SEM和溶解动力学实验，发现结晶度与溶解速率呈负相关，储存时间延长导致结晶度上升、溶解速率下降。搅拌条件显著影响溶解效率，非搅拌环境中溶解率降低3个数量级。研究证实海水电沉淀Mg(OH)?在OAE中更具优势，需优化储存和分散工艺。

　　镁氢氧化物（Mg(OH)?）作为海洋碱度增强（Ocean Alkalinity Enhancement, OAE）的潜在碱度来源，近年来受到了广泛关注。OAE是一种通过增加海水碱度来吸收大气中二氧化碳（CO?）的碳捕集与封存（Carbon Dioxide Removal, CDR）技术。这种技术利用了海洋自然吸收CO?的能力，通过提升海水的碱度，使得更多的CO?能够被溶解并以碳酸氢盐（HCO??）的形式稳定储存。由于海洋本身含有大量的碳酸氢盐（约37,200 GtC），这种额外的碱度增加不会显著改变海洋生态系统的稳定性，且预计能够长期保持（约10,000至100,000年）。因此，研究如何高效地生成和利用碱度来源，对于实现OAE目标具有重要意义。

Mg(OH)?因其在化学性质上的稳定性，被认为是可行的碱度来源之一。它可以通过将氢氧化钠（NaOH）添加到卤水中，利用碱度交换机制进行沉淀生成。与工业来源相比，海水沉淀生成的Mg(OH)?在晶体结构和溶解动力学方面存在显著差异。研究表明，工业来源的Mg(OH)?具有更高的结晶度（0.83–0.85），而海水沉淀生成的Mg(OH)?则呈现较低的结晶度（0.16–0.33）。这种结晶度的差异直接影响了Mg(OH)?的溶解速率，结晶度越高，溶解速率越低。因此，海水沉淀生成的Mg(OH)?由于其较低的结晶度，具有更快和更完全的溶解特性，这可能使其在OAE中更具优势。

Mg(OH)?的溶解动力学不仅受到其晶体结构的影响，还受到多种因素的制约，包括颗粒尺寸分布、水合状态、表面溶解速率、pH值和温度等。不同研究中对Mg(OH)?溶解速率的测量结果差异较大，范围几乎跨越了3个数量级。这种差异可能源于颗粒尺寸、晶体缺陷或结晶度等因素。因此，理解这些因素如何影响Mg(OH)?的溶解行为，对于优化其在OAE中的应用至关重要。

本研究中，Mg(OH)?的生成和溶解实验采用了不同的方法来探索其特性。通过调整Mg(OH)?在沉淀后的延迟时间（即在加入海水之前保持其悬浮状态的时间），研究人员发现延迟时间越长，Mg(OH)?的结晶度越高，而溶解速率则越低。这表明，Mg(OH)?的晶体结构可以通过延迟时间进行调控，从而影响其在OAE中的碱度释放效率。同时，实验还对比了搅拌条件和非搅拌条件对Mg(OH)?溶解过程的影响，结果显示搅拌条件下的碱度释放效率显著高于非搅拌条件，这与海洋中实际的混合环境存在差异。

在研究Mg(OH)?的物理特性时，使用了X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等手段。XRD分析显示，工业来源的Mg(OH)?具有更尖锐的峰，表明其晶体结构更加有序，而海水沉淀生成的Mg(OH)?则呈现出更宽的峰，说明其结构更倾向于非晶态或纳米晶态。SEM图像进一步揭示了不同来源Mg(OH)?的形态差异，工业来源的颗粒呈现出更规则的形状，而海水沉淀生成的Mg(OH)?则更接近于无定形材料。EDS分析表明，尽管所有样品都含有相似的主要元素，但工业来源的Mg(OH)?中钙（Ca）和铁（Fe）等杂质的含量相对较低，而海水沉淀生成的Mg(OH)?则可能含有微量的钙或铁，这可能是由于沉淀过程中的环境因素所致。

在溶解动力学方面，研究发现海水沉淀生成的Mg(OH)?在搅拌条件下具有更高的碱度释放效率。具体而言，延迟时间越短，溶解速率越高，而延迟时间超过一定范围后，溶解速率趋于稳定。这一趋势与工业来源的Mg(OH)?不同，后者在搅拌条件下的溶解速率显著低于海水沉淀生成的Mg(OH)?。此外，非搅拌条件下的碱度释放效率较低，部分原因是由于海洋中存在“死区”（即混合不充分的区域），导致部分Mg(OH)?颗粒沉降并无法充分释放碱度。这些发现表明，Mg(OH)?的溶解效率与其晶体结构密切相关，而晶体结构又受到沉淀过程中的环境条件和延迟时间的影响。

研究还探讨了不同形式的Mg(OH)?（粉末与浆体）在溶解过程中的表现。结果表明，粉末形式的Mg(OH)?在搅拌条件下具有更高的碱度释放效率，而浆体形式由于含有较多水分，其晶体结构更加不规则，溶解速率相对较低。这种差异可能与浆体中水分的存在有关，水分会阻碍晶体的有序排列，从而影响其溶解特性。此外，Mg(OH)?的晶体尺寸和d间距（即晶面间距）也被计算出来，以进一步理解其晶体结构的演变过程。

从实际应用角度来看，Mg(OH)?的溶解特性对OAE的效率和安全性具有重要影响。过快的溶解可能导致局部海水pH值的剧烈波动，这可能对海洋生态系统造成负面影响。因此，研究如何控制Mg(OH)?的溶解速率，使其在海洋中以可控的方式释放碱度，是实现OAE目标的关键。此外，由于Mg(OH)?的pK?值较低，其对海水pH值的扰动比直接释放NaOH更为温和，这使其在OAE中更具优势。

本研究的发现表明，海水沉淀生成的Mg(OH)?由于其较低的结晶度，具有更快的溶解速率，这可能有助于提高OAE的效率。然而，这种特性也可能带来一些挑战，例如如何避免过高的pH值对海洋生态系统的干扰，以及如何确保Mg(OH)?在海洋中的均匀分布。为了克服这些挑战，研究提出了一种称为“碱度交换”的方法，该方法通过将NaOH添加到卤水中，生成Mg(OH)?沉淀物，从而将碱度从稀释的水溶液转化为更密集的固体形式，提高其运输和分散的效率。此外，通过调整沉淀后的延迟时间，可以优化Mg(OH)?的晶体结构，从而控制其溶解速率。

综上所述，Mg(OH)?作为OAE的碱度来源，其生成和溶解特性受到多种因素的影响，包括沉淀条件、延迟时间、形态以及混合方式等。研究结果表明，海水沉淀生成的Mg(OH)?在溶解速率和碱度释放效率方面具有优势，而工业来源的Mg(OH)?由于其更高的结晶度，溶解速率较低。未来，进一步优化Mg(OH)?的生成和存储条件，可能有助于提高其在OAE中的应用效果。同时，探索不同形式的Mg(OH)?（如粉末与浆体）在不同环境下的表现，也有助于设计更高效的OAE系统。