工业废料循环溶剂间接矿化固碳中杂质管控与溶剂再生机制研究

本研究针对间接矿化碳化(IMC)过程中溶剂回收与杂质累积的关键问题，通过18小时连续实验（24次循环）评估硝酸铵溶剂在三种工业废料（BOFS/CKBD/MWBA）中的再生性能，建立循环稳态模型。研究发现BOFS可稳定制备高纯度沉淀碳酸钙(PCC>99%)，而CKBD因可溶性碱杂质需水洗预处理。该研究为工业废料高值化利用与碳封存提供了杂质管控策略。

　　

全球气候变化背景下，《巴黎协定》设定的2℃温控目标对碳减排提出严峻挑战。与此同时，钢铁冶炼、水泥生产等工业每年产生数百万吨碱性废渣，传统填埋处理不仅造成资源浪费，更存在环境污染风险。矿物碳化技术将二氧化碳(CO₂)与工业废料反应生成碳酸盐矿物，既能永久固碳，又能将废渣转化为高附加值产品，可谓一箭双雕。然而在间接矿化碳化(Indirect Mineral Carbonation, IMC)工艺中，溶剂再生与杂质累积问题长期制约其工业化应用——就像反复使用的"魔法药水"逐渐失效，既增加成本又影响产品质量。

针对这一瓶颈，瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)的Antonio Gasós团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表重要研究。他们创新性地采用硝酸铵水溶液作为循环溶剂，对三种典型工业废料——转炉钢渣(BOFS)、水泥窑旁路粉尘(CKBD)和垃圾焚烧底灰(MWBA)展开长达18小时的连续实验，相当于24次溶剂循环，创下该领域循环次数新纪录。通过建立循环稳态(Cyclic Steady State, CSS)模型与实验验证相结合的方法，揭示了杂质积累对沉淀碳酸钙(Precipitated Calcium Carbonate, PCC)产量与品质的影响规律。

研究团队运用X射线荧光光谱(XRF)分析原料成分，采用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)监测溶液金属离子浓度，结合热重分析(TGA)和X射线衍射(XRD)表征PCC纯度与晶型。通过设计特殊的气液固三相反应系统，实时追踪pH值、钙离子浓度等关键参数变化。

【材料特性】
转炉钢渣(BOFS)含26-40%氧化钙(CaO)和22%氧化铁(Fe₂O₃)，而CKBD和MWBA富含4-9%的碱金属氧化物(Na₂O/K₂O)及5%氯(Cl)。这种组分差异直接决定了后续工艺表现。

【循环稳态模型】
建立的CSS模型准确预测了温度、进料速率等参数对系统平衡的影响。当pH稳定在7.5-8.5时，氨挥发损失可控制在5%以下，这是维持循环稳定的关键。

【性能对比】
BOFS展现出最佳适用性：24次循环后仍能生产纯度>99%的PCC，主要生成球霰石(vaterite)与少量方解石(calcite)。而CKBD因可溶性碱杂质导致PCC产量下降60%，纯度从98%降至90%；MWBA产物纯度也降至95%，主要受硫酸盐和铜污染影响。

【创新解决方案】
对CKBD实施水洗预处理后，可去除80%以上可溶性氯盐，使PCC纯度回升至97%。这为高杂质原料提供了可行的"净化"方案。

该研究不仅证实硝酸铵溶剂的可再生性（循环次数较前人研究提高2倍），更建立了完整的杂质影响评估体系。特别值得关注的是，团队发现碱性杂质会通过"pH震荡"机制干扰钙离子提取：当溶液中NaOH浓度超过0.1 mol/L时，钙提取率骤降50%。这一发现为工业装置设计提供了明确的操作红线。

正如通讯作者Marco Mazzotti指出，这项成果标志着IMC技术向工业化迈出关键一步。通过精准控制氨挥发与原料预处理，可将工业废料转化为符合造纸、塑料行业标准的PCC产品，同时实现每吨废料封存0.3吨CO₂。未来通过回收钾肥或微量金属元素，还可进一步提升经济性。该研究为碳中和目标下的工业固废处理提供了兼具环境效益与商业潜力的解决方案。