《Sustainable Materials and Technologies》：Unravelling the reaction pathways of magnesium slag in complex aqueous environments: Implications for sustainable valorization
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镁渣在循环经济中的高值化利用需阐明其溶解动力学与介质依赖机制。本研究通过液相分析结合固体表征技术，揭示镁渣在中性、酸性及碱性介质中差异化的反应路径：中性环境表面溶解与硅酸凝胶复合沉淀共存；酸性介质主导矿物框架崩解；碱性介质因羟基抑制与碳酸盐活化双重机制形成动态平衡。研究成果为调控镁渣活性和优化资源回收工艺提供理论支撑。
作者：单逸晨、王勋、朱淼淼、翟若欣、朱明明、曹瑞军、蒋曦、庄世宇、冷振
单位：清华大学土木工程系，中国北京
摘要
向循环经济的转型需要高价值地利用工业废弃物，以减轻环境负担。镁渣（MS）是一种大量的工业副产品，具有作为可持续材料合成和元素回收的二次资源的巨大潜力。然而，由于其化学稳定性和在复杂水环境中的离子释放动力学方面的基本理解不足，其高效利用受到限制。本研究通过结合浓度依赖的水动力学和先进的固相表征方法，系统地揭示了MS在中性、酸性和碱性介质中的反应路径。结果表明，不同的溶解机制受到溶液化学性质的控制。在中性条件下，浸出过程伴随着表面溶解和复合非晶层的形成；钙和硅的不同释放速率导致快速过饱和，从而形成富含硅酸盐的非晶表面层，这决定了MS的内在反应性。在酸性环境中，主要反应路径转变为矿物框架的整体分解，这一过程受到酸解作用与次级沉淀引起的质量传输限制之间的动态竞争的影响。而在碱性介质中，MS的行为表现出双重机制：高浓度的氢氧根离子通过同离子效应抑制矿物溶解，而碳酸根离子的存在则通过激活有效的沉淀驱动力显著加速了硅酸盐框架的分解。通过阐明这些依赖于阴离子的动力学行为，本研究为调节MS的反应性提供了理论基础，有助于将其从废弃物转化为有价值的可持续利用前体。
引言
全球向循环经济的转型要求对工业废弃物进行高价值利用，将其从环境负担转化为有价值的原料。其中，镁渣（MS）既是一个重大的环境问题，也具有巨大的资源回收潜力。MS是在生产镁金属过程中产生的大量工业副产品，主要通过皮江热还原工艺生成[1]。生产1吨镁金属通常会产生5-7吨MS[2],[3]。随着航空航天、汽车和电子行业对轻质镁合金需求的增加，全球镁产量正在迅速增长[4]。2022年，仅中国就生产了9×10^5吨镁金属，产生了约5.5×10^6吨MS[5]。MS的积累占用了大量土地资源，并带来潜在的环境风险，因此需要开发科学合理的、高价值的利用途径[6],[7],[8],[9]。
MS的价值在于其潜在的化学反应性，可用于可持续材料合成和元素回收[10],[11],[12],[13]。MS作为功能性前体的价值源于其特定的化学和矿物组成，主要由富含CaO、SiO2和MgO的二钙硅酸盐和透钙石相组成[11],[14]。虽然这些晶体相在常温下稳定，但它们具有对水环境高度敏感的热力学转化潜力。这种对不同溶液化学性质的多样化响应——从在酸性条件下快速溶解到在碱性介质中沉淀——支持MS在多种可持续技术中的应用，包括通过矿化捕获碳、去除重金属以及合成功能性多孔材料[15],[16],[17],[18]。然而，优化这些过程需要对基本的化学分解和离子释放动力学进行精确控制。
要充分发挥MS的潜力，关键在于对其在水环境中的溶解动力学和界面机制有定量理解。这一知识对于实现两个重要目标至关重要：从工程角度来看，Ca、Si和Mg在中性到碱性介质中的溶解速率决定了资源回收的效率以及CO2矿化的可行性[10],[19]；从环境角度来看，了解在不同风化条件下的浸出行为对于预测长期稳定性和对水系统的影响至关重要[20],[21]。因此，阐明这些界面反应机制为优化工业升级提供了必要的理论基础，同时确保环境安全。
尽管人们对废弃物利用的兴趣日益增长，但MS溶解的动力学和机制细节仍不完全清楚[22],[23],[24]。当前的研究主要集中在宏观材料性能上[25],[26],[27]，很大程度上忽视了控制整个系统反应性的初始固液界面反应。因此，pH值、温度以及特定阴离子种类（如碳酸根和磷酸根）在改变反应路径中的不同作用尚不清楚。这一差距阻碍了高效MS利用技术的合理设计，往往导致过程优化依赖于试错方法[28],[29],[30],[31],[32]。
为解决这一根本问题，本研究系统地研究了MS在广泛水条件下的反应路径。通过结合液相分析和先进的固相表征来量化元素释放动力学并追踪残留物演变，我们旨在明确pH值、温度和阴离子种类如何控制溶解与沉淀之间的动力学平衡。所得的机制洞察将为高效资源回收过程和可持续低碳技术的合理设计提供严格的科学基础。
材料
本研究中使用的镁渣来自陕西建工集团有限公司（中国陕西）。MS的化学组成见表1，通过X射线荧光光谱仪（XRF-1800，岛津公司）进行了测试。MS主要由CaO和SiO2组成，含有少量的Fe2O3、MgO和Al2O3。图1展示了原始MS的矿物组成和微观形态。XRD图谱显示，主要矿物相为γ-C2S和β-C2S
液相表征
图4展示了MS在25°C（W25）和60°C（W60）的去离子水中浸出主要离子浓度的变化。在中性环境下，MS的溶解受其内在反应性的控制，表现出典型的水硬性矿物溶解特征。
如图所示，MS中的两种主要成分元素Ca和Si表现出不同的浸出行为（见表1）。对于Ca2+（图4a），其浓度迅速达到峰值
讨论
本研究系统地证明了溶液的化学环境，特别是pH值和阴离子种类，是控制MS矿物溶解及其随后二次沉淀路径的关键因素。图16中概述的不同反应机制将在以下小节中详细阐述。MS的浸出不是一个简单的溶解过程，而是一个复杂的异质反应，受到多种因素的耦合影响
结论
本研究通过深入理解MS在不同化学条件下的浸出行为和相变机制，为其可持续利用奠定了基础。通过结合液相动力学和固体残留物表征的全面研究，我们系统地阐明了MS的反应性如何受到关键环境参数（如溶液pH值、温度和阴离子种类）的显著影响
作者贡献声明
单逸晨：撰写初稿、方法学研究、实验设计。王勋：方法学研究、实验设计。朱淼淼：方法学研究、实验设计。翟若欣：软件开发、实验设计。朱明明：实验设计。曹瑞军：数据验证。蒋曦：数据验证、审稿与编辑、监督。冷振：撰写、审稿与编辑、验证、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52408276）的支持。
