矿渣碳化驱动表面活化实现重金属同步结晶：对碳矿化与环境修复的意义

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Slag Carbonation-Driven Surface Activation for Simultaneous Crystallization of Heavy Metals: Implications for Carbon Mineralization and Environmental Remediation

本研究针对工业碱性废渣资源化利用不足及重金属污染治理难题，创新性地提出通过碱活化强化矿渣水相碳化，系统评估了碳化产物对水中Cd2+、Pb2+和Cu2+的同步固定效能。研究发现碳化矿渣表现出最优的去除效率（最高达99.67%）和抗酸解/离子干扰能力，揭示了碳酸钙相通过更强结合能、更弱水化层等分子机制增强重金属固定。该研究为协同实现碳捕集与重金属治理提供了新技术路径。

　　

随着工业快速发展，大量含二氧化碳（CO₂）的工业废气被排放到大气中，加剧全球变暖。与此同时，钢铁生产过程中产生的矿渣约占钢产量的15%-20%，这些碱性工业废渣若作为废弃物填埋处理，不仅占用土地资源，其高碱性渗滤液还会对自然环境和人类健康造成严重威胁。矿渣因含有丰富的钙、镁等碱性 earth metal 元素，被视为潜在的CO₂矿化材料，可通过碳化反应将CO₂转化为稳定的碳酸盐。然而，传统矿化过程在环境条件下动力学缓慢，且碳化后材料的利用价值尚未充分挖掘。

特别值得注意的是，矿渣本身对水中重金属（Heavy Metals, HMs）具有一定的去除能力，但碳化过程对其重金属固定效能的影响存在争议：有研究表明碳化会降低矿渣的OH^-/CO₃^2-缓冲能力而削弱其重金属去除效果，也有研究显示碳化因生成方解石（calcite）反而能改善重金属固定。这种矛盾现象表明，需要深入研究碳化（特别是强化碳化）对矿渣固定重金属特性的影响机制。

为解决上述问题，西南大学资源与环境学院的研究团队在《Journal of Hazardous Materials Advances》上发表了题为"Slag Carbonation-Driven Surface Activation for Simultaneous Crystallization of Heavy Metals: Implications for Carbon Mineralization and Environmental Remediation"的研究论文。该研究创新性地将碱活化预处理与增强水相碳化技术相结合，系统探讨了碳化矿渣对镉（Cd）、铅（Pb）和铜（Cu）三种典型重金属的固定效能及机制，为协同实现碳捕集与重金属污染治理提供了新思路。

研究采用了几项关键技术方法：通过不同浓度NaOH（0-4 M）预处理进行碱活化，诱导矿渣表面形成富钙层；使用Na₂CO₃溶液进行增强水相碳化反应；采用热重分析（TGA）测定碳化度；通过批次实验评估不同条件下（pH 4-7、离子强度0-10⁴ ppm NaCl）重金属去除效率；利用扫描电镜-能谱（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）、高分辨透射电镜（HRTEM）等表征材料形貌与结构；并结合密度泛函理论（DFT）计算从分子层面揭示固定机制。实验所用120级矿渣来自美国新泽西州Lehigh Camden Plant。

3.1. 通过碱活化增强矿渣碳化

碱活化预处理显著改变了矿渣表面元素分布。随NaOH浓度增加，硅（Si）更多地释放到溶液中，而钙（Ca）则保留在固相，导致表面Ca/Si原子比升高，形成富钙的钙硅酸盐 hydrate（CSH）中间产物。这种表面改性使矿渣碳化度从6.7%提高到26.3%（4 M NaOH预处理），XRD证实生成了文石（aragonite）和方解石（calcite）相。比表面积分析显示碳化矿渣具有更大的比表面积，为重金属吸附提供了更多位点。

3.2. 碳化矿渣对重金属的去除

碳化矿渣表现出优异的重金属去除性能。对于单一重金属溶液（1000 ppm），碳化矿渣对Cd、Pb、Cu的去除率分别达到99.66%、95.22%和99.34%，显著优于原始矿渣和仅碱活化矿渣。在混合重金属溶液（各333 ppm）中，碳化矿渣仍能去除约97%的三种金属。SEM-EDS元素 mapping显示，固定化的重金属与硅（Si）和碳（C）元素共定位，表明硅酸盐和碳酸盐相均参与了固定过程。HRTEM观察到反应后矿渣表面形成了纳米级、弱结晶区域，测量晶面间距3.03 ?对应方解石相。

4.1. 环境因素对重金属去除的影响

环境条件显著影响去除效率。随Cd初始浓度增加（10-2000 ppm），去除效率下降，但碳化矿渣在2000 ppm高浓度下仍能去除87.95%的Cd。酸性条件（pH 4.0）抑制去除效果，但碳化矿渣在pH 4.0时仍能去除94.15%的Cd。高离子强度（10000 ppm NaCl）也降低去除效率，但碳化矿渣表现最优。这些结果表明碳化矿渣在恶劣环境下仍保持良好性能。

4.2. 反应矿渣中重金属的释放

浸出实验评估了固定化重金属的稳定性。经过72小时平衡，碳化矿渣（4 M NaOH预处理）的Cd、Pb、Cu浸出浓度分别仅为0.62、0.45和0.33 ppm，远低于原始矿渣。酸性和高离子强度条件会增加重金属浸出，但碳化矿渣表现出最强的抗浸出能力，表明其能提供长期稳定的重金属固定。

4.3. 碳化矿渣增强重金属固定的分子机制

DFT计算从分子层面揭示了机制差异。CaCO₃与重金属的结合能（Cd: 2.63 eV, Pb: 1.49 eV, Cu: 2.11 eV）显著高于CaSiO₃（Cd: 0.28 eV, Pb: 0.76 eV, Cu: 1.01 eV），结合键长也更短，表明碳酸钙相与重金属有更强的化学相互作用。此外，CaSiO₃表面硅醇（Si-OH）基团与水形成强氢键，产生致密水化层，阻碍重金属直接接触表面；而CaCO₃表面碳酸基团（C-OH）与水作用较弱，水化层结构松散，有利于重金属离子接近表面形成内层配合物。

该研究通过实验和理论计算证实，增强碳化技术不仅能提高矿渣的CO₂固定效率，还能显著提升其对重金属的固定能力和长期稳定性。碳化过程中形成的纳米碳酸钙相具有更高比表面积、更强表面负电性以及更有利的水化环境，通过这些协同效应实现了重金属的高效固定。研究为工业碱性废渣的资源化利用和重金属污染治理提供了创新思路，展示了碳矿化技术与环境修复的协同效应，对推动碳中和与环境污染协同控制具有重要意义。

需要注意的是，矿渣中的铝、铁、镁相等其他组分以及表面有机物也可能通过吸附、共沉淀或形成复杂次生矿物等方式参与重金属固定。解析这些多相复杂相互作用是未来研究的重要方向。此外，将本方法应用于其他碱性废物（如粉煤灰、赤泥）和使用真实烟气CO₂进行测试，以及评估在实际连续流系统中的工程参数和长期稳定性，是验证该技术实际应用价值的关键下一步工作。