CO2调控pH实现镍红土废液电化学酸回收与阴极结垢抑制的协同优化

为解决镍红土废液中MgSO4资源化利用难题，研究人员开发了集成零极距电解槽系统，通过CO2缓冲控制阴极pH（9.4-9.6降至8-9），成功将Mg(OH)2结垢厚度从100μm降至可控范围，使H2SO4产率提升15%（0.109 M/h），能量强度降低0.8MWh/t，同时实现CO2以MgCO3形式封存。该研究为冶金废液处理与碳捕集提供了创新解决方案。

　　

在应对气候变化的全球背景下，冶金行业每年产生的大量含镁废液正成为环境治理的棘手难题。这些富含MgSO₄的废液如同"双刃剑"——既是需要处理的污染源，又蕴含可回收的硫酸资源。传统镍红土矿加工过程中，每吨镍的生产需要消耗2-3吨硫酸，而废液中和处理又会释放大量CO₂。更令人头疼的是，现有电化学酸回收技术面临"自毁式"困境：阴极区pH升高引发的Mg(OH)₂结垢会像"铠甲"般包裹电极，导致系统效率断崖式下跌。这种"越回收越堵塞"的恶性循环，使得冶金行业的废液资源化进程举步维艰。

Mohamed H. Ibrahim团队在《Separation and Purification Technology》发表的研究，犹如为这个困局找到了一把"智能钥匙"。研究人员设计了一种精妙的CO₂调控策略，让这个电化学系统既能"吃"进废液和废气，又能"吐"出高值产品。通过将工业排放的CO₂精准导入阴极区，系统如同获得了一个"pH缓冲器"，将原本会引发结垢的碱性环境转化为碳酸盐沉淀的温床。这种"变堵为疏"的设计思维，不仅解决了电极 scaling 这个"卡脖子"难题，更意外开辟了一条碳封存的新路径。

研究团队采用零极距电解槽（zero-gap electrolyser）作为核心反应器，通过系统比较16-41 mA/cm²电流密度下的缓冲与非缓冲运行效果。关键技术包括：PHREEQC v3结合Pitzer数据库的溶液平衡模拟、三电极体系电化学测试、SEM-EDS联用表征电极结垢层、FTIR鉴定沉淀物相组成，以及基于法拉第定律的电流效率计算。特别设计的临时碱度波动实验（pH 9.2维持35分钟）成功诱导了碳酸镁可控沉淀。

在"基线MgSO₄水电解行为"部分，研究揭示了无CO₂条件下电流密度与结垢的定量关系：当电流密度从16提升至41 mA/cm²时，阴极pH飙升至9.6，形成厚达100μm的致密Mg(OH)₂结垢层，导致电流效率（CE）从70%骤降至50%。高分辨SEM显示这些沉积物像水泥般填满镍泡沫电极的孔隙，EDS图谱中强烈的Mg和O信号印证了其成分为纯brucite相。

"碳封存增强的电化学性能"章节展示了CO₂缓冲的魔法效应：10% vol. CO₂气流（0.4 L/min）将阴极pH稳定在8-9区间，CE始终维持在60%以上。最令人振奋的是41 mA/cm²下的表现——酸产率从0.095提升至0.109 M/h，增幅达15%。有限元模拟揭示其机理：CO₂在距电极0.15mm处建立"pH防火墙"，将界面pH从10降至6，有效阻断brucite成核。临时提高pH的"钓鱼策略"更成功诱捕CO₂形成花瓣状hydromagnesite（Mg₅(CO₃)₄(OH)₂·4H₂O），FTIR特征峰与标准谱完美吻合。

关于"CO₂封存抑制阴极结垢"的发现尤为关键。对比电镜显示：无缓冲时41 mA/cm²下电极完全被"白霜"覆盖，而CO₂缓冲组仅见零星碳酸盐颗粒。元素图谱中新增的C信号证实，CO₂将破坏性结垢转化为有价值的碳酸盐。这种转变使系统突破24 mA/cm²的"结垢阈值"，可稳定运行于41 mA/cm²的高通量区间。

能源强度分析给出令人信服的经济性数据：CO₂缓冲使吨酸能耗从4.2降至3.4 MWh，降幅达19%。横向对比显示，该系统的碳捕集能耗（~2.8 GJ/t CO₂）虽高于胺法捕集，但显著低于直接空气捕集（DAC）技术。研究者特别指出，若整合副产氢能（每小时产生1.1升H₂），实际运行成本还可进一步降低。

这项研究开创性地将冶金废液处理、酸回收与碳封存三个独立工艺"三合一"，其价值犹如发现化学反应中的"一石三鸟"策略。通过精准调控CO₂-Mg²⁺-OH^-三相平衡，不仅破解了困扰业界多年的电极结垢魔咒，更将传统环境治理过程转变为负碳技术。尤为重要的是，产出的hydromagnesite作为欧盟关键原材料，可应用于建材、阻燃剂等领域，实现"以废治废"的循环经济模式。这项技术若在澳大利亚镍矿区推广，每年可处理数百万吨废液，同时封存数万吨CO₂，为矿业减排提供可量化的解决方案。