好的，作为学术专家和期刊评审，我将严格按照标准对您提供的论文进行分析和解读。 中文标题 混合电絮凝-索尔维反应器：通过离子回收与固体沉淀实现耦合CO2矿化与选择性盐水脱盐

《Journal of Environmental Management》：A hybrid electrocoagulation–Solvay reactor for coupled CO 2 mineralization and selective brine desalination via ion recovery and solid precipitation

　　

研究人员开发了一种集成的电絮凝（EC）-索尔维（Solvay）反应器，用于同时处理高盐度反渗透（RO）浓盐水并捕获二氧化碳（CO2）。该系统在一个紧凑的反应器中结合了气体注入、电絮凝和化学药剂投加。通过碳酸盐矿化作用，实现了约16.49克CO2/升处理盐水的CO2吸收容量。在处理后的盐水中，通过电化学-化学相互作用，实现了99%的镁离子（Mg2+）、100%的钾离子（K+）、85%的钙离子（Ca2+）、61%的钠离子（Na+）和97%的硫酸根（SO42-）的高效去除。此外，该过程能够回收可再利用的固体产物，包括碳酸氢钠（NaHCO3）、碳酸钙（CaCO3）、氢氧化镁（Mg(OH)2）和硫酸钙（CaSO4）。

论文解读文章

1. 研究背景与意义

全球范围内的海水淡化技术在缓解水资源短缺方面扮演着关键角色，但其大规模应用也带来了严峻的环境挑战。首先，该过程会产生大量高盐度的浓盐水，直接排放会提高海洋盐度、破坏海洋生态系统，并可能导致缺氧条件，威胁水生生物多样性。其次，传统的浓盐水处理方法，如深井注射、蒸发塘等，成本高昂且存在环境风险。同时，海水淡化过程本身也是碳排放的重要来源。因此，开发一种能够协同处理CO₂和浓盐水，并将其转化为有价值产品的可持续技术至关重要。

在此背景下，索尔维（Solvay）工艺作为一种利用氨气（NH₃）、氯化钠（NaCl）和CO₂生产碳酸氢钠（NaHCO₃）的传统方法，被研究用于处理浓盐水并封存CO₂。然而，传统的改性索尔维工艺在回收所有溶解盐方面效率不高，并且依赖于氨或氧化钙（CaO）等化学添加剂，增加了操作复杂性并可能带来二次污染。另一方面，电絮凝（EC）作为一种先进的水处理技术，已被证明能有效去除多种污染物，包括重金属、硬度离子和溶解盐，并能促进CO₂转化为不溶性碳酸盐。

现有研究通常将EC作为索尔维工艺的后处理步骤，用于处理特定离子或回收氨气，缺乏一个统一的、能够在单一操作单元内同时实现CO₂捕获、盐水脱盐和离子选择性回收的系统。为了填补这一研究空白，本研究旨在开发一个集成的EC-索尔维反应器，以实现这些目标的协同进行。

2. 关键技术与方法

本研究采用了一个由研究人员自行设计并基于美国专利（U.S. Patent No. 12,421,140 B1）的定制化电絮凝反应器。该反应器是一个封闭系统，包含一个内部反应室和一个外部水夹套以控制温度。反应室内垂直安装了两块铝板作为牺牲电极。关键技术在于将CO₂气体直接注入反应器底部，同时利用机械搅拌器确保溶液均匀混合，从而在一个紧凑的反应器内同时实现气体注入、电絮凝和化学药剂的投加。实验所用盐水来自当地的反渗透（RO）淡化厂，其总溶解固体（TDS）浓度为72.9克/升。

3. 研究结果

3.1. 盐水处理效果

研究人员通过一系列实验，评估了在不同化学添加剂组合下（包括CaO、碳酸氢铵（NH₄HCO₃）和氢氧化铵（NH₄OH））EC过程的性能。

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  基线EC处理（无添加剂）：单独的EC处理仅能回收少量固体（12.70克），离子去除率有限，表明需要进一步优化。
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  添加CaO：加入10克CaO后，固体回收量显著增加至45.90克，处理后的盐水体积从500毫升减少到292毫升，表明形成了有效的沉淀。该条件下对K⁺、Mg²⁺和Na⁺的去除效率很高，但Ca²⁺浓度反而增加，表明CaO的添加干扰了钙离子的沉淀。
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  添加CaO和NH₄HCO₃：此组合（样品3）产生了38.00克固体，显示出良好的Ca²⁺、Mg²⁺和Na⁺去除效率，表明联合化学和电化学处理是有效的。
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  添加NH₄HCO₃：单独使用NH₄HCO₃（样品4）获得了优异的Ca²⁺和Mg²⁺去除率，但固体产量（26.62克）低于含CaO的实验组。
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  添加NH₄HCO₃和NH₄OH：此组合（样品5）的固体回收量较低（15.47克），但依然有效去除了Ca²⁺和Mg²⁺。
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  添加CaO、NH₄HCO₃和NH₄OH：这是最有效的配置（样品6），回收了最高质量的固体（54.94克）。该组合对所有目标离子都表现出卓越的去除效率，特别是对K⁺、Mg²⁺和Na⁺。
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  添加CaO和NH₄OH：此组合（样品7）也取得了良好的固体回收（47.20克），并对Ca²⁺和Mg²⁺有很高的去除率。
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  添加NH₄OH：单独使用NH₄OH（样品8）的固体回收量较低（17.20克），但对Ca²⁺和Mg²⁺的去除效果良好。

3.2. CO₂捕获与固体产物表征

通过热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）等技术对回收的固体进行了表征。结果表明，主要的固体产物包括碳酸氢钠（NaHCO₃）、碳酸钙（CaCO₃）、氢氧化镁（Mg(OH)₂）和硫酸钙（CaSO₄）。其中，样品6（含有CaO、NH₄HCO₃和NH₄OH）不仅固体产量最高，而且其固体中碳酸盐含量也最高，证明了其高效的CO₂矿化能力。整个系统的CO₂吸收容量达到了约16.49克CO₂/升处理盐水。

4. 讨论与结论

讨论部分总结：

研究表明，将电絮凝（EC）与改性索尔维（Solvay）工艺整合在一个反应器中是可行的，并且能够高效地同时实现CO₂矿化和浓盐水脱盐。不同化学添加剂的组合显著影响了离子去除的选择性和固体产物的组成。例如，CaO的加入促进了钙基和镁基沉淀的形成，而NH₄HCO₃则提供了碳酸根（CO₃^2-）和碳酸氢根（HCO₃^-）离子，增强了碳化反应。NH₄OH的加入提高了溶液的pH值，有利于CO₂的吸收和沉淀形成。三者的组合（样品6）表现出最佳的协同效应，实现了最高的固体回收率和最全面的离子去除。该集成系统克服了传统方法中EC作为独立后处理步骤的局限性，通过共享操作条件，在一个紧凑的反应器中实现了多重目标。

研究结论翻译：

本研究成功开发并验证了一个集成电絮凝（EC）-索尔维（Solvay）反应器，用于同时处理高盐度反渗透（RO）浓盐水并捕获二氧化碳（CO₂）。通过在一个紧凑的反应器中结合气体注入、电絮凝和化学药剂投加，该系统实现了约16.49克CO₂/升处理盐水的CO₂吸收容量。在处理后的盐水中，实现了99%的Mg²⁺、100%的K⁺、85%的Ca²⁺、61%的Na⁺和97%的SO₄^2-的高效去除。此外，该过程能够回收可再利用的固体产物，包括NaHCO₃、CaCO₃、Mg(OH)₂和CaSO₄。这项工作为解决海水淡化行业面临的双重挑战——浓盐水处理和碳排放——提供了一种有前景的可持续解决方案。