牡蛎壳与海水协同制备球霰石及CO2 封存的半中试研究：零废弃工艺与成本评估

本研究针对牡蛎壳堆积污染和CO2 减排需求，开发了一种半中试规模的间接-直接碳化工艺，利用牡蛎壳和海水成功制备高纯度球霰石（vaterite，99%）及方解石-水碳镁石混合物，实现CO2 净封存227 kg/吨壳，为零废弃资源化提供经济可行方案。

　　

全球每年产生数百万吨废弃牡蛎壳，这些富含碳酸钙的生物废弃物不仅占用海岸线空间，其缓慢降解过程还会释放恶臭并污染环境。与此同时，气候变化背景下如何高效封存CO₂
成为迫在眉睫的挑战。传统矿物碳化技术虽能固定CO₂
，但面临能耗高、副产品利用率低等问题。更棘手的是，现有牡蛎壳回收方式多为低值化应用，如土壤改良剂或建筑材料，难以实现经济与环境效益的双赢。

针对这一系列问题，韩国研究人员在《Journal of Cleaner Production》发表了一项突破性研究。该团队创新性地将牡蛎壳与海水两种海洋资源结合，通过多级碳化工艺同步解决废弃物处理与碳封存难题。研究采用半中试规模（0.2 m³
反应器）验证了技术可行性，并首次系统量化了整个工艺链的碳足迹与经济成本。

关键技术方法包括：1）牡蛎壳900°C煅烧制备CaO；2）海水介质中间接碳化合成球霰石；3）残余副产物直接碳化制备方解石-水碳镁石混合物；4）全过程CO₂
平衡计算；5）基于年产3600吨规模的成本效益分析。

材料分析
XRD与XRF显示原始牡蛎壳含96%以上钙元素，以方解石晶型存在。煅烧后每吨CaO释放785 kg-CO₂
，但后续碳化过程可实现净封存。

间接碳化工艺
在海水介质中，Mg²⁺
与OH^-
形成Mg(OH)₂
促进钙溶出（见方程式1-3），添加蔗糖形成Ca-蔗糖复合物进一步强化提取。该步骤产出2.7 μm粒径、99%纯度的球霰石，其高比表面积和球形特性适用于高端工业领域。

直接碳化工艺
对间接碳化残渣进行直接碳化，意外获得方解石与棒状结构水碳镁石（MgCO₃
·3H₂
O）混合物。后者在阻燃剂、医药等领域具有特殊价值。

碳平衡核算
全过程封存CO₂
达227 kg/吨煅烧壳，净效益源于将海水Mg²⁺
转化为稳定水碳镁石。相较传统酸法碳化（需HNO₃
和NH₄
OH调节pH），该工艺避免强化学品使用。

成本评估
以年处理50万m³
海水、产3600吨球霰石的商业规模计算，单位生产成本较传统方法降低30%，且副产品增值空间显著。

这项研究的意义在于：首次实现海洋废弃物-海水-CO₂
三位一体的资源化闭环，突破实验室尺度限制；开发出无需化学添加剂的绿色碳化路径；通过产物晶型控制同时获得高值球霰石和功能材料；为沿海地区建立"贝壳经济"提供技术范本。Eunbit Koh等学者证明，环境治理与经济效益可借由创新工艺实现协同，这对发展蓝色碳汇具有重要启示。未来需开展全规模验证，并探索水碳镁石在建材、医药等领域的深度应用。