基于化学平衡模型的钙离子萃取剂评估新方法及其在间接碳化加速中的应用

本研究针对钙基材料间接碳化过程中萃取剂筛选耗时的问题，开发了基于化学平衡模型的评估方法，通过pH值、Ca-配体稳定常数等参数建立浓度/无量纲评价指标。实验验证了6种配体在Ca(OH)2、钢渣和水泥体系中的加速效果，开发了用户友好型预筛选程序，为碳捕集技术提供了理论工具。

　　

在应对气候变化的全球背景下，碳捕集与封存技术成为研究热点。其中，利用氢氧化钙、钢渣等钙基材料的碳化反应固定CO₂具有成本低、原料广的优势，但自然碳化速率缓慢。"间接碳化"技术通过钙离子萃取剂（CERs）加速反应，但现有筛选方法依赖大量实验，缺乏理论指导。针对这一瓶颈，研究人员开展了钙离子萃取剂的系统性评估研究。

传统方法中，配体对碳化的影响机制复杂：酸性配体可能抑制碳酸根电离，强螯合剂（如EDTA）形成的Ca-L复合物过于稳定难以解离，而碱性配体（如尿素）会阻碍钙离子溶出。此外，配体质子化、金属离子水解等副反应进一步增加了系统复杂性。这使得研究者不得不通过大量实验筛选CERs，效率低下。

为建立理论筛选标准，研究人员提出基于化学平衡的三阶段模型：固体溶解（Equilibrium a）、配体萃取（Equilibrium b）和碳酸化沉淀（Equilibrium c）。通过引入自由配体浓度变化量（Δc_fL）作为评价指标，综合考虑pH值、Ca-L稳定常数（k_CaL）、溶解度积（K_sp）等参数，构建了1:1和1:2配位比的计算公式。关键假设包括：钙离子浓度准稳态（Asm. a）、萃取反应慢于沉淀（Asm. b）、CO₂溶解度恒定（Asm. c）等。

实验验证选取6种代表性配体：乳酸（lgk_CaL'=1.55）、葡萄糖酸（1.88）、EGTA（12.81）、柠檬酸二铵（ACD，3.27）、18-冠醚-6（3.90）和β-环糊精（β-CD，4.76）。通过热重分析（TGA）和重量法测定Ca(OH)₂、钢渣和水泥浆体的碳化程度。结果显示，β-CD在pH>12.5时加速效果最佳（Ca(OH)₂碳化率提升25.3%），ACD和18-冠醚-6次之，而乳酸、葡萄糖酸和EGTA因吸附阻滞作用反而抑制钢渣碳化。

研究开发了配套计算程序，用户输入配体参数即可预测加速效果。该方法局限性在于：1）对非均相体系（如钢渣）仅能定性评估；2）高压CO₂条件下需修正碳酸根浓度；3）高浓度酸性配体会破坏pH假设。

这项发表于《Carbon Capture Science》的研究建立了首个钙离子萃取剂的理论筛选框架，揭示了配体稳定常数与碳化效率的"黄金区间"（1:1配体lgk_CaL'=2-4，1:2配体4-7）。β-CD和冠醚等中性配体的优异表现，为设计新型碳化加速剂提供了方向。未来可结合动力学研究，进一步优化工业废渣的碳化工艺参数。