利用城市焚烧炉底灰实现二氧化碳的间接矿物碳化

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Indirect Mineral Carbonation of CO 2 Using Municipal Incinerator Bottom Ash

市政垃圾焚烧炉渣经酸处理提取钙离子后，通过pH swing法与CO2反应生成高纯度碳酸钙。研究优化了HCl浓度（1M）、反应温度（80℃）和时长（120分钟），发现pH 9-10时碳化效率达45%，产品纯度96%。实验验证了炉渣作为低成本钙源的有效性，并建立了酸洗-纯化-碳化集成工艺。

　　

Zahra Sarkarpour | Azadeh Hemmati

伊朗塞姆南大学化学、石油与天然气工程学院

摘要

随着大气中二氧化碳（CO₂）浓度的上升及其对全球变暖的影响，开发高效的碳捕获与封存（CCS）方法变得至关重要。其中，矿物碳化提供了一种安全且持久的解决方案。本研究利用城市废物焚烧炉产生的底灰作为钙源，探讨了间接CO₂矿物化的过程。实验考察了温度、反应时间和酸浓度对提取效率的影响。底灰分别在80°C下用1 M和2 M的盐酸处理30分钟、60分钟和120分钟，处理后的渗滤液通过加入1 M的NaOH进行pH调节以沉淀杂质。随后，将纯化的富钙溶液与通过通入CO₂产生的Na₂CO₃反应，生成碳酸钙。实验结果表明，较低的pH值有利于去除铁等杂质，而较高的pH值（9–10）更有利于碳酸钙的沉淀。在这些条件下，碳化效率达到约45%，产物纯度为96%，这一结果通过XRF分析得到验证。质量平衡数据表明，12克底灰与400毫升盐酸反应可生成2.3克碳酸钙。ICP分析确定80°C、1 M酸浓度和120分钟的处理时间为最佳参数。本研究提供了一种将废灰转化为有价值的碳酸钙（CaCO₃）的方法，同时实现二氧化碳的捕获，具有环境和经济效益。

引言

近年来，由人类活动引起的环境退化已成为一个全球性的严峻问题。人类活动最令人担忧的影响之一是大气中二氧化碳（CO₂）浓度的急剧增加，这是一种重要的温室气体，这显著加剧了全球变暖的影响[1]、[2]、[3]。随着CO₂排放量的持续上升，气候变化的严重性也在增加。此外，海洋酸化和作物受损进一步扰乱了生态平衡[4]。因此，开发有效的碳减排策略变得日益紧迫。

在各种CO₂减排方法中，矿物碳化或加速矿物风化显示出巨大的潜力。这种方法可以将二氧化碳化学转化为稳定的碳酸盐化合物，这些化合物可以保持数百万年的惰性。该过程的理论储存能力非常巨大，每年可容纳数十亿吨的CO₂。然而，由于其高能耗和较低的成本效益，矿物碳化的广泛应用受到限制[5]。因此，人们正在积极探索多种工程解决方案，如碳捕获与封存（CCS）和碳捕获与利用（CCU）[6]。

CCS被视为控制碳排放和维持大气稳定的可行策略[7]。该技术包括几个步骤：直接在排放源（如发电厂和工业场所）捕获CO₂，然后分离、运输，并最终将其储存在地下地质储层、海洋盆地或通过矿物捕获方法中[8]、[9]。

相比之下，CCU因能够将捕获的CO₂转化为有价值的产品而受到越来越多的关注，尽管它仍面临技术和经济上的障碍。尽管科学界持续努力，但碳化过程中仍存在诸如反应速率低、能耗高、运营成本高和净碳平衡不佳等主要问题[9]。

在这种情况下，城市固体废物焚烧炉产生的底灰（MSWI BA）为CO₂的捕获与封存提供了一个可行的介质。研究人员通过从MSWI BA中提取活性矿物并对其进行碳化处理，旨在实现可扩展和可持续的碳封存。从这种灰中提取矿物的技术包括酸浸出、生物浸出、熔盐提取、氨浸出和碱处理（如苛性浸出）[10]。

对于富含碱性的残留物，碳化途径主要有两种：直接（单步）和间接（多步）过程[11]、[12]。间接矿物碳化由于具有更高的反应速率和更好的效率而表现出更好的性能[13]。该方法首先从原料中浸出镁[14]、[15]和钙[16]、[17]，然后在液体或气体介质中对这些离子进行碳化。

液相间接碳化在实际应用中具有明显优势。由于CO₂在酸性溶液中的溶解度显著降低，因此通常需要通过pH调节方法将pH值提高到约10来优化碳化产率。这种方法还能提高产物纯度，因为在过程中非反应性物质会被沉淀出来，从而得到污染较少的富钙溶液[18]、[19]、[20]。

本研究通过实施一系列改进措施，讨论了利用碳化方法进行矿物化的过程，旨在提高其操作性能并推动其工业化应用。鉴于矿物化的持久性以及其他二氧化碳捕获方法的局限性，以及进一步研究以改进该过程及其实施的潜力，本文提出了一种利用城市焚烧炉残余灰进行二氧化碳气体矿化的方法。

虽然大多数先前的研究集中在飞灰和钢渣等工业残留物上，但很少有研究关注MSWI底灰的间接碳化。本研究通过优化适用于MSWI BA化学特性的浸出、纯化和碳化参数，填补了这一空白，证明了其作为低成本CO₂封存和高纯度碳酸钙（CaCO₃生产原料的潜力。

尽管人们对间接碳化的关注日益增加，但对于操作参数如何影响MSWI底灰中钙的提取和CO₂固定效率仍缺乏充分了解。本研究系统地研究了酸浓度、反应时间和温度，建立了一个整合杂质去除和碳化的工艺流程。

材料

作为主要原料的城市焚烧炉底灰来自伊朗Nowshahr市产生的固体废物。实验中还使用了盐酸（HCl，37%，Kian Kaveh Azma，伊朗）和氢氧化钠（NaOH，≥98%，Kian Kaveh Azma，伊朗）。

实验方法

整个过程分为两个阶段和三个主要步骤。第一步是从Nowshahr市获取的城市焚烧炉底灰...

提取过程的优化

在进行优化实验之前，进行了X射线荧光（XRF）分析以确定灰的元素组成。表2总结了提取前后样品的XRF结果。灰中含有大量的Al、Fe、SiO₂和Ca。酸处理显著降低了残留的Ca含量，证实了有效的浸出效果。在测试的HCl浓度中，1 M浓度下的渗滤液中的Ca²⁺释放量最高（8223...

结论

pH调节方法具有双重优势与局限性。其主要优点是在温和条件下（特别是低压和低温下）能够生产高纯度产品。然而，一个显著的缺点是对化学试剂的依赖性，这导致了运营成本的增加。尽管如此，通过回收副产品（如铁和其他杂质）可以实现部分成本回收。此外，该过程还有助于减轻环境...

作者贡献声明

Zahra Sarkarpour：撰写——原始草案、方法论、研究、数据分析。Azadeh Hemmati：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、方法论、研究、概念化

利益冲突声明

以下列出的作者声明他们与任何组织或实体没有关联或利益关系，无论是财务上的（如酬金、教育资助、演讲机构参与、会员资格、就业、咨询、股票所有权或其他股权利益），还是非财务上的（如个人或专业关系、隶属关系、知识或信仰）...

致谢

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