《Desalination》：Techno-economic analysis on the mass production of vaterite-type calcium carbonate using SWRO brine and cement kiln dust – A carbon utilization and storage case study in Saudi Arabia
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沙特王国采用海水淡化苦咸水、水泥窑灰和捕获二氧化碳制备高纯度方解石型沉淀碳酸钙，中试工厂实现稳定生产（纯度≥97%，方解石含量≥80%，白度≥99%，粒径≤3μm）。经济模型显示10万吨/年商业化项目IRR>70%，ROI<1.4年，环境评估表明每吨产品碳足迹降低272-974kg CO?当量，年减排566-107000吨。该技术整合海水淡化与水泥行业形成循环经济链。
Seungwon Ihm|Abdallatif Abdalrhman|Mohammed Al-Talibi|Omar Al-Raqibah|Ammar Alnumani|Eslam Alwaznani|M.I. Mohamed Ershath|Youngho Lee|Kichul Park|Jinuk Heo|Won Jo|Sehun Kim|Myoung-Jin Kim
沙特水管理局（SWA）水技术创新与研究推进机构（WTIIRA），阿尔朱拜尔，31951，沙特阿拉伯
摘要 本研究全面评估了利用海水反渗透（SWRO）浓盐水、水泥窑粉尘（CKD）和捕获的二氧化碳（CO?）生产高纯度文石型沉淀碳酸钙（PCC）的技术经济性和环境影响。在沙特阿拉伯阿尔朱拜尔运行的年产量为50吨的试点工厂证明了能够稳定生产出纯度≥97%、文石含量≥80%、白度≥99%且粒径≤3微米的球形文石CaCO?。该工艺采用含40–60%氧化钙（CaO）的水泥窑粉尘作为低成本钙源，并以SWRO浓盐水作为天然溶剂，从而避免了合成提取化学品的使用。针对年产量10万吨的文石PCC工厂的技术经济模型显示，在二氧化碳价格不超过750沙特里亚尔/吨的情况下，具有较高的盈利能力（内部收益率IRR>70%，投资回收期<1.4年），其中氢氧化钠（NaOH）是主要成本因素。通过综合考虑水泥窑粉尘、SWRO浓盐水、氢氧化钠和电力的环境影响分析，得出每吨PCC的碳足迹范围为-272至974千克二氧化碳当量。在三种代表性情景下，碳足迹分别为566千克、148千克和-272千克二氧化碳当量，这意味着与传统的PCC工厂相比，年温室气体减排量分别为23,200至107,000吨。与SWRO基础设施的整合进一步实现了“综合海水中心”概念，促进了水和水泥行业的循环经济联系。
引言 来自海水淡化厂的浓缩盐水（其中海水反渗透技术起着重要作用）目前通常被排放掉，尽管其具有很高的化学价值[1]。与海水相比，淡化盐水在能源和能量利用方面更具优势[1],[2]。因此，近年来对其利用进行了广泛研究，包括矿物回收机会[2],[3],[4],[5],[6]以及与矿物生产相结合的二氧化碳（CO?）封存[8],[9],[10],[11],[12],[13],[14],[15]。
在沙特阿拉伯，水泥工业产生的大量废弃物——即水泥窑粉尘（CKD）大多未被回收利用，仅在利雅得附近的某些地区有少量回收案例[16],[17],[18]。尽管全球有许多二氧化碳捕获项目正在实施以减少温室气体（GHG）排放，但捕获的二氧化碳通常被注入地下。截至2023年，只有约21%的二氧化碳捕获设施配备了专用储存设施，其余的则用于提高石油采收率并永久储存在地下（地质封存）。许多用于间接碳酸化过程的提取溶剂（如酸、铵盐和螯合剂）在技术上已被证明是可行的。然而，由于这些化学品的成本较高，商业化程度仍然有限[20]。重新利用螯合剂可以提高经济可行性[21]，但实现大规模应用仍面临挑战。
作为解决方案，本研究探索了利用海水淡化盐水和水泥窑粉尘大规模生产高价值文石型CaCO?的方法。文石是CaCO?的一种热力学亚稳态多形体，在接触水后会容易转化为更稳定的形式，如方解石或文石[22]。由于其高比表面积、分散性和孔隙率，文石在许多应用中表现出优于传统方解石的性能。这些应用包括造纸、塑料、橡胶、涂料和粘合剂等传统行业，以及化妆品、制药和医疗材料（例如药物输送系统和骨填充剂）等新兴市场[23]。研究表明，与盐水成分的相互作用可以降低文石的表面能并延缓其重新结晶为更稳定的方解石[24],[25]。因此，当使用离子强度与海水或淡化盐水相似的溶液时，可以生产出纯度≥95%的高质量文石[26]。
由韩国海洋大学（KMOU）领导的先前实验室规模研究证明了使用海水和淡化盐水生产文石CaCO?的技术可行性。J. Jeon和M.-J. Kim提出将海水作为经济且有效的间接碳酸化溶剂[20]。当使用水泥窑粉尘作为钙源时，尽管海水和水泥窑粉尘中含有杂质，仍可获得纯度高达99.4%的CaCO?。不同的碳酸化条件（包括二氧化碳流量、氢氧化钠用量和温度）会导致形成不同组成和形态的方解石和文石。已确定出生产纯度达100%文石的最佳条件，生成的颗粒直径约为2微米。向海水中添加蔗糖几乎使二氧化碳的储存能力翻倍，文石含量增加了34%，同时CaCO?颗粒尺寸减少了41%[23]。由于SWRO浓盐水的离子强度是海水的1.5–2.0倍，它也被用于同时生产硫酸镁和文石CaCO?[12]。最近的研究将这些早期实验室成果扩展到了半工业和试点规模的应用[26],[28]。
在本文中，我们简要描述了使用来自沙特阿拉伯阿尔朱拜尔的实际SWRO浓盐水和当地水泥公司提供的水泥窑粉尘进行的试点规模演示。该试点设施的设计年产能为50吨，运行时间超过三个月，预计每年可利用和储存约22吨二氧化碳。随后，基于试点数据进行了详细的技术经济性和环境影响分析，展示了盐水增值、水泥窑粉尘回收以及二氧化碳利用和储存的环境和经济上可持续的途径。
沙特阿拉伯的淡化、电力和水泥行业 截至2020年，全球淡化生产能力估计为每天9740万立方米，产生的浓缩盐水体积约为每天1.415亿立方米[29]。沙特阿拉伯是世界上最主要的淡化水生产国，截至2024年的产能为每天1330万立方米[30]。沙特水管理局（SWA）贡献了其中约750万立方米的水量[31],[32]。考虑到中东和北非地区SWRO工厂典型的淡水回收率
文石PCC的生产过程 如图3所示，通过间接水碳酸化生产PCC涉及两个主要化学步骤。
(1) 钙提取（洗脱）反应
在此步骤中，将CaO与SWRO浓盐水混合，导致Ca2?溶解并使Mg2?以Mg(OH)?的形式沉淀：
在洗脱步骤中，盐水中的Mg2?离子以Mg(OH)?的形式沉淀，而Ca2?从水泥窑粉尘中提取出来。此步骤不需要外部提取化学品。该步骤的关键参数包括
碳酸钙的市场价格 作为技术经济分析的第一步，进行了市场调查以确定各种碳酸钙产品的典型价格范围，并为新开发的文石型碳酸钙建立合理的定价基准。结合Teir等人的数据[48]和泰京的最新市场信息，表5总结了现有的定价信息。
虽然低等级的海湾合作委员会（GCC）产品的价格低于100美元/吨，但大多数传统PCC产品的价格在200至1000美元之间
所提出的PCC生产过程带来的温室气体减排 所提出的文石PCC工艺既是一种二氧化碳的利用途径，也是一种储存途径。从化学计量角度来看，每生产一吨PCC可以通过碳酸化反应固定440千克二氧化碳。与传统基于采矿的PCC生产过程相比，该工艺省去了耗能的煅烧和研磨步骤（见图12）。此外，由于该工艺可以使用捕获的二氧化碳作为碳酸化试剂，因此与二氧化碳生成相关的燃烧相关二氧化碳排放（例如液化石油气的使用）可以结论 本研究展示了一种在沙特阿拉伯条件下，利用SWRO浓盐水、水泥窑粉尘和捕获的二氧化碳生产高纯度文石PCC的技术、经济和环境上可行的方法。在阿尔朱拜尔设计、建造并运行了一个年产能为50吨的试点工厂，成功生产出了纯度≥97%、文石含量≥80%、白度≥99%且粒径≤3微米的球形文石PCC。使用SWRO浓盐水作为天然溶剂消除了对昂贵提取化学品的需求
CRediT作者贡献声明 Seungwon Ihm： 撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，监督，调查。Abdallatif Abdalrhman： 正式分析，数据管理。Mohammed Al-Talibi： 正式分析，数据管理。Omar Al-Raqibah： 资源协调，项目管理。Ammar Alnumani： 资源协调，项目管理。Eslam Alwaznani： 资源协调，项目管理。M.I. Mohamed Ershath： 方法论，数据管理。Youngho Lee： 撰写——初稿，验证，方法论，调查。Kichul Park：
利益冲突声明 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：作者报告称获得了韩国能源技术评估与规划研究所的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢 作者感谢两家沙特水泥公司为本研究提供了水泥窑粉尘样本。本研究部分得到了韩国能源技术评估与规划研究所（KETEP）的资助（由韩国政府（MOTIE）提供资金支持（编号：20225B10300100）。
