《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Calcination-free production of calcium hydroxide via catalytic nitrate hydrogenation: A low-temperature and low-carbon process
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•在60 °C条件下无煅烧法将CaCO3转化为Ca(OH)2。•低温硝酸盐加氢反应驱动Ca(OH)2的形成，伴随持续的溶解-沉淀过程。•共生产出Ca(OH)2和增值产品NH3。•在保持正营业利润率的同时，气候影响降低高达49%。引言氢氧化钙（Ca(OH)2），俗称熟石灰，是一
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在60 °C条件下无煅烧法将CaCO3转化为Ca(OH)2。
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低温硝酸盐加氢反应驱动Ca(OH)2的形成，伴随持续的溶解-沉淀过程。
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共生产出Ca(OH)2和增值产品NH3。
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在保持正营业利润率的同时，气候影响降低高达49%。
引言
氢氧化钙（Ca(OH)2），俗称熟石灰，是一种重要的物质，主要来源于石灰石（其主要成分为碳酸钙（CaCO3））。它在水泥前驱体、废水处理、医药和造纸工业等领域有着广泛的应用[1]、[2]、[3]。近年来，Ca(OH)2因其能够在常温下捕获CO2，已成为直接空气捕获（DAC）的有效吸附剂[4]、[5]、[6]。Ca(OH)2的工业生产流程始于将石灰石在超过900 °C的温度下进行煅烧以生成生石灰（CaO），随后进行水合。然而，这种传统的脱碳方法由于石灰石煅烧以及利用化石燃料加热而释放出大量的CO2，从而对气候变化产生不利影响。大约70%的这些排放源于煅烧过程。因此，开发一种无需高温煅烧即可生产熟石灰的技术，是有效直接减少CO2排放的方法之一[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。
Rau等人研究了在常温条件下电化学分解CaCO3以生产溶解态的Ca(HCO3)2和不溶性的Ca(OH)2。在该方法中，阳极处的酸性质子溶解CaCO3，生成的Ca2+离子迁移至阴极形成Ca(OH)2[13]。这种电化学方法为从丰富的石灰石中无需热煅烧即可生产Ca(OH)2提供了一种替代途径。然而，分解不溶性的CaCO3需要大量的电能。Ellis等人提出了一种新型常温电化学方法，利用水电解，在低pH下对CaCO3进行脱碳，并在高pH下沉淀Ca(OH)2[14]。他们证明电化学生产的Ca(OH)2适用于波特兰水泥的合成。尽管扩大这种电化学工艺的规模及其成本仍具挑战性，但这些结果表明，它可能导致一种经济可行的、无CO2排放的水泥制造工艺[15]。
Berlinguette等人展示了一种电化学流动反应器，能够将CaCO3转化为高纯度的Ca(OH)2，电流效率达到100%。除Ca(OH)2外，该电解槽还产生纯的H2、O2和CO2气流，这些气体均无需进一步纯化即可直接使用[16]。然而，该系统的一个显著缺点是固体的Ca(OH)2在膜上沉积，导致能效下降。为了解决这一问题，他们设计了一种串联系统，将专门用于CaCO3煅烧的电化学反应器与用于生产Ca(OH)2的独立化学反应器相连。这种一体化串联反应器标志着电解生产水泥熟料前驱体以及减少水泥行业碳足迹的重要一步[17]。
另一种基于离子交换的替代方法是CaCO3的化学脱碳，其中CaCO3在水中与氢氧化钠（NaOH）反应：CaCO3 + 2NaOH + xH2O → Ca(OH)2 + Na2CO3?xH2O。这种反苛化过程不仅能生产Ca(OH)2，还能生产纯碱（Na2CO3），而纯碱通常通过能耗较高的索尔维法获得[18]、[19]。该脱碳过程的技术和工业可行性已得到证实。尽管该工艺简单且具有可扩展性，但产品分离仍是一个挑战，因为产物包含Ca(OH)2、Na2CO3·H2O、未反应的CaCO3和NaOH。此外，NaOH的高成本可以通过利用过剩的绿色电力来生成NaOH加以解决。然而，将绿色电力直接集成到工业领域仍面临挑战。
为了实现提高废物利用率和促进循环经济的可持续目标，Casta?o等人报道了一种从碱性工业废物中提取钙并通过创新的水相工艺生产Ca(OH)2的新方法[20]。该方法具有两个关键优势。首先，与传统的煅烧方法相比，它将CO2排放减少了约65%；与传统热过程相比，它实现了约44%的节能。尽管在能耗和碳排放方面有显著减少，但无煅烧工艺仍面临一些挑战，包括膜污染、大量用水需求、原料异质性和低反应收率。
在本研究中，我们提出了一种利用含氢氧化钌催化剂（HxRuO2）从CaCO3生产Ca(OH)2的新方法。该策略利用硝酸盐加氢化学将硝酸盐（NO3?）转化为NH3。我们展示了一种无煅烧一锅法催化工艺的概念验证，该工艺同时生产Ca(OH)2和NH3。在此过程中，CaCO3在水溶液中脱碳，产生Ca2+和NO3?离子并释放CO2气体。HxRuO2催化剂促进硝酸盐加氢生成氨，逐渐提高溶液的pH值，从而促进Ca(OH)2以不溶性固体的形式沉淀（方案1）。释放的CO2可与氨反应生成NH4HCO3，为CO2捕获提供了潜力。该催化方法已使用含有杂质的工业级石灰石成功演示，凸显了其作为Ca(OH)2生产可持续、可扩展替代方案的潜力。该方法有望显著减少二氧化碳排放，解决关键的环境挑战[21]、[22]、[23]。
章节摘要
材料与化学品
所有化学品均从商业供应商处购得，未经进一步纯化直接使用。二氧化钌（RuO2）粉末购自Kojundo化学实验室（日本东京）。甲酸（HCOOH，99%）购自Daejung化学与金属公司（韩国首尔）。碳酸钙（CaCO3，99%）由Sigma-Aldrich（美国马萨诸塞州伯灵顿）提供。硝酸（2.0 M标准溶液）和氢氧化钙（Ca(OH)2，98%）购自Thermo Fisher Scientific。
CaCO3 催化转化为Ca(OH)2
所有催化实验均在不锈钢高压反应釜中进行，该反应釜可调节压力和温度，这对于提高反应速率和改善对目标产物的选择性至关重要。该工艺首先将CaCO3粉末分散在含有HxRuO2催化剂的硝酸水溶液中。在此体系中，硝酸有两个主要作用：溶解CaCO3从而释放钙离子，以及提供硝酸根离子。该
结论
我们成功展示了一种无煅烧催化工艺的概念验证，该工艺在低至60 °C的温度下通过硝酸盐加氢从CaCO3生产Ca(OH)2。该方法不仅替代了能耗高的热分解过程，还战略性地集成了氨合成，为高纯度Ca(OH)2和有价值氨的生产提供了双重效益的途径。我们的实验室规模实验在36 小时内实现了完全转化，并保持了稳健的活性。
CRediT作者贡献声明
Kosan Roh：撰写-审阅与编辑，监督指导，经费获取，概念构思。Dami Kim：撰写-审阅与编辑，调查研究。Hee Jung Yang：研究方法，形式分析。Hee Sun Park：撰写-审阅与编辑，研究方法，调查研究。Minwoo Ryu：撰写-审阅与编辑，调查研究。Seethapathi Vivek：研究方法，形式分析。Nam Hwi Hur：撰写-初稿，监督指导，项目管理，经费获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文所报告的工作。
致谢
本研究得到了由教育部资助的韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划的支持（RS-2025-25408179）。本工作也得到了由韩国政府（MSIT）资助的NRF赠款的资助（RS-2024-00335170）。本研究得到了由MSIT资助的NRF生物与医疗技术发展计划的支持（编号：RS-2025-24523548）。
Hee Sun Park|Hee Jung Yang|Seethapathi Vivek|Minwoo Ryu|Dami Kim|Kosan Roh|Nam Hwi Hur
