新加坡海水淡化浓盐水高效转化制备高活性氧化镁及其生命周期评估研究

为解决海水淡化浓盐水处理难题并开发可持续建筑材料，新加坡研究人员通过热力学建模与实验验证相结合的方法，优化了从浓盐水中提取Mg2+ 的工艺，实现99%回收率并制备出纯度达98%、比表面积58.01 m2 /g的高活性MgO。该研究通过生命周期评估（LCA）验证了技术环境友好性，为废水资源化与低碳建材开发提供新范式。

　　

随着全球淡水需求激增，海水淡化技术已成为缺水地区的重要解决方案。然而每生产1吨淡水将产生1.5吨浓盐水，这种高盐废水含有重金属和预处理化学剂，直接排放会破坏海洋生态。传统处理方式面临环境规制收紧和资源浪费的双重压力，而浓盐水中高达1731 ppm的Mg²⁺
恰是制备绿色建材的理想原料。与此同时，水泥行业占全球7%的CO₂
排放，其中石灰石(CaCO₃
)煅烧是主要碳源。反应性氧化镁水泥(RMC)因煅烧温度比普通水泥(PC)低650°C且能矿化CO₂
，成为最具潜力的低碳替代品。如何将环境负担转化为资源机遇，成为新加坡水资源与建材领域的关键科学问题。

新加坡国立大学团队通过FactSage热力学软件建立浓盐水溶液模型，结合实验验证开发出Mg²⁺
高效回收工艺。采用不同浓度NaOH(12-18 M)调控沉淀pH窗口，通过离心分离、低温洗涤和梯度煅烧(700-1000°C)制备MgO，利用ICP-OES、XRD、BET等技术表征材料特性，并采用ReCiPe2016方法进行全生命周期环境影响评估。

4.1 回收效率
热力学模型确定最佳沉淀pH为10.5-11.1，18 M NaOH实现99% Mg²⁺
回收率，但伴随17% Ca²⁺
共沉淀。通过低温(20°C)洗涤可有效去除Ca(OH)₂
杂质，12 M NaOH组虽Ca²⁺
共沉淀仅7.86%，但Mg²⁺
回收率骤降至61.52%。

4.2 结构特性
XRD显示所有样品在42.9°(200晶面)出现典型MgO衍射峰。18 M NaOH组经700°C煅烧2小时后结晶尺寸最小(14 nm)，1000°C煅烧4小时样品增至46 nm。共沉淀的CaCO₃
在600-700°C分解为CaO，高温下杂质峰消失。

4.3 形态特性
FESEM揭示12 M NaOH组形成100-120 nm致密颗粒，而18 M NaOH组产生多孔结构。高碱浓度促进OH^-
与Mg²⁺
充分反应，形成更均匀的晶体形貌。

4.4 反应活性
乙酸中和实验表明，700°C煅烧2小时的18 M NaOH组反应最快，对应58.01 m²
/g的最大比表面积。煅烧温度每升高100°C，中和时间延长35%，证实烧结效应会降低表面活性位点。

4.5 热重分析
TGA显示Mg(OH)₂
在385-395°C分解为MgO，18 M NaOH组纯度达98%。DSC吸热峰面积与碱浓度负相关，反映高结晶度样品相变能耗降低。

5 生命周期评估
"摇篮到大门"分析显示每千克MgO生产过程中，NaOH(47%)和电力(37%)是主要环境影响源。新加坡天然气发电导致0.4074 kg CO₂
/kWh排放，但MgO后续碳化作用可抵消煅烧排放。废水处理环节对海洋富营养化影响可忽略。

该研究开创性地将海水淡化副产物转化为高附加值建材原料，建立的FactSage-Pitzer模型为复杂盐水体系提供精准预测工具。18 M NaOH结合700°C短时煅烧的优化工艺，不仅实现98%高纯度MgO制备，其58.01 m²
/g的比表面积刷新文献记录。生命周期评估证实该技术较传统镁矿开采路线减少16%碳足迹，为沿海城市提供"废水-建材"闭环解决方案。未来通过可再生能源供电和NaOH循环利用，可进一步降低35%环境负荷，推动海水淡化产业与建筑行业协同脱碳。