编辑推荐：
碳酸渣直接液相碳化反应条件优化及动力学模型研究。采用响应面法优化温度、固液比、压力等参数，最佳条件（136℃、0.031 g/mL、2.10 MPa）下碳化效率达56.90%，实验验证效率57.25%，模型相对误差0.61%。反应分液膜扩散和固体产物层扩散两阶段，符合核心收缩模型。中国年SR产量5×10^6吨时，理论年CO?封存潜力1.2×10^6吨。
常成冰|郭建英|王燕|刘胜宇
太原理工大学矿业工程学院，中国山西省太原市030024
摘要
苏打残渣（SR）的储存和处置对环境构成了重大挑战。由于其高碱度和丰富的钙含量，SR在用于二氧化碳（CO?）封存的反应中显示出巨大潜力。这种方法具有双重环境效益，能够同时实现废物利用和碳捕获。在本研究中，通过单因素实验和响应面实验优化了反应条件。建立了一个以碳酸化效率为响应变量的回归模型，并对SR的碳酸化过程进行了比较动力学分析，旨在评估最佳的碳封存反应参数并确定SR的限速因素。在优化条件下（136°C、固液比为0.031 g/mL、压力为2.10 MPa），预测的最大碳酸化效率为56.90%。实验验证结果显示效率为57.25%，预测值与测量值之间的绝对相对偏差为0.61%，这证实了二次多项式回归模型的高可靠性和适用性。碳酸化产物中的碳酸钙以无定形碳酸钙和针状方解石晶体的形式附着在原始残渣表面，从而限制了碳酸化反应的进一步进行。动力学分析表明，碳酸化过程遵循收缩核模型，初始阶段受液相边界层扩散控制，后期阶段则受固体产物层扩散控制。根据中国目前每年约500万吨的SR产量，大规模采用该工艺理论上可以实现每年约120万吨的CO?减排潜力。
引言
由于人口增长、快速工业化和能源消耗的加剧，温室效应成为当今人类面临的关键挑战。作为温室气体的主要成分，CO?占全球变暖影响的约66%，其大气浓度每年增加约2.2 ppm（Kaliyavaradhan和Ling，2017年）。因此，控制和减少大气中的CO?水平已成为缓解温室效应的关键策略。
碳捕获与封存（CCS）技术涉及从碳源捕获CO?排放，并通过地质、海洋或矿物储存方法对其进行利用或封存，已在大规模CO?管理过程中得到广泛应用（Ma等人，2022年；Su等人，2024年；Wang和Dreisinger，2023年）。其中，矿物封存是一种重要的CO?减排方法。该过程利用富含钙/镁的碱性固体废物或天然硅酸盐矿物与CO?发生碳酸化反应，形成稳定的碳酸盐，从而实现长期和安全的CO?储存（Eikeland等人，2015年；Wang等人，2025年；Winnefeld等人，2022年）。通过天然硅酸盐矿物的碳酸化实现CO?封存已得到全面和系统的研究（Gerdemann等人，2007年；Rashid等人，2020年；Wang和Maroto-Valer，2011年）。然而，天然硅酸盐矿物由于反应活性低，在CO?的碳酸化和储存过程中存在显著缺点，包括反应效率低、操作条件苛刻和成本较高（Sanna等人，2014年；Yadav和Mehra，2021年）。因此，利用高反应活性和成本效益高的碱性固体废物作为液相碳酸化反应中CO?封存的替代理想原料的研究受到了科学界的广泛关注（Lin等人，2024年）。
直接水相方法能够在液体介质中实现原材料与CO?的一步反应，无需进行间接方法所需的中间产物的提取和纯化步骤。这显著缩短了工艺流程，理论上降低了能耗和运营成本（Soomro等人，2025年；Zhao等人，2020年）。与高温高压气固矿化相比，直接水相碳酸化在较温和的反应条件下进行，设备要求较低，安全风险也较小（Ghacham等人，2015年；Soomro等人，2025年）。其显著优势在于液体作为CO?与钙离子反应的优良介质，促进了CO?的溶解，加速了矿物颗粒的溶解，并有效去除了附着在颗粒表面的碳酸钙，从而显著提高了矿化效率和最终转化率（Soomro等人，2025年）。目前，用于直接水相碳酸化和二氧化碳封存的碱性固体废物材料主要选择红泥（Rushendra Revathy等人，2021年）、粉煤灰（Ho等人，2021年）、钢渣（Zhou等人，2025年）和碳化物渣（Pan等人，2024年）等。
苏打残渣（SR）是一种碱性固体废物，产生于氨碱工艺中盐液精炼和蒸馏回收氨的过程，通常被称为“白泥”（Zong等人，2023年）。每生产10公斤纯碱会产生3公斤SR（Ucal等人，2018年）。在中国，SR的年产量超过500万吨（Wang等人，2020年）。SR的积累不仅带来了高昂的处置成本，还占据了大量土地，其有害成分会渗入土壤并容易造成地下水污染。目前，高效合理利用SR的主要方法是将它转化为具有优异机械性能的胶凝材料（An等人，2022年），但其综合利用率仅为5%（Zong等人，2023年）。
除了在建筑材料中的应用外，SR在环境污染领域的应用也受到了研究人员的重视。在吸附方面，SR对水中的阴离子污染物和阳离子重金属表现出有效的去除能力，这主要归因于表面沉淀、离子交换和络合等机制（Chen等人，2022年；Yang等人，2025年）。在催化方面，SR中存在的金属氧化物（如Fe?O?、CaO和MgO）使其具有作为低成本催化剂或催化剂载体的潜力。例如，改性SR已被用于有机污染物的催化降解和烟气脱硫等应用（Liao等人，2012年；Zhang等人，2023年；Zhang等人，2025年）。
尽管在建筑材料、吸附和催化领域已经取得了一些进展，但SR在实现“双碳”战略下大规模CO?固定这一核心目标方面的价值尚未得到充分探索。由于其高碱度和高盐含量（Zhao等人，2019年；Zong等人，2023年），SR的直接液相碳酸化行为、最佳工艺条件和动力学可能与其他工业固体废物有显著差异。目前，关于SR直接液相碳酸化的工艺参数缺乏系统的优化结果，其碳酸化反应的控制机制也尚未明确。
因此，本研究旨在填补这一知识空白，优化SR的直接液相碳酸化工艺，揭示关键参数的交互效应，并建立碳酸化动力学模型。在研究过程中，采用了强大的统计建模和优化工具——响应面方法，克服了传统“一次一个因素”方法的局限性，该方法效率低下且无法揭示因素之间的交互作用（Bezerra等人，2008年）。基于中心复合设计实验，本研究通过较少的实验次数有效地探索了关键变量与SR碳酸化转化率之间的数学关系。这种方法便于直观分析关键因素之间的交互效应，并精确确定最大化碳酸化效率的最佳条件组合。
实验材料
所用的苏打残渣来自河北省建筑材料利用重点实验室，是一种灰白色粉末状物质，通过150 μm筛网进行筛分以保证颗粒大小均匀。使用X射线荧光（XRF）分析了其元素组成，结果见表1。分析显示CaO含量约为52.814%。实验中使用的CO?购自山西同盾贸易有限公司的气体部门。
单因素初步优化
SR的碳酸化效率受温度、固液比、压力和搅拌速度等多种因素的影响。首先研究了单因素条件下的SR碳封存规律，并优化了影响因素。
图2(a)展示了温度对苏打残渣（SR）碳酸化效率的影响。在30–50°C的低温范围内，SR的碳酸化效率相对稳定。
结论
本研究采用苏打残渣进行了直接液相碳酸化以实现CO?封存，并优化了碳酸化反应条件。此外，通过使用收缩核模型拟合SR碳酸化反应的动力学，确定了反应的限速机制。主要结论如下：
(1) 操作参数对SR碳酸化效率的影响顺序为：温度（A）> 固液比（B）
作者贡献声明
王燕：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。刘胜宇：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，资金获取，概念构思。常成冰：撰写 – 初稿撰写，数据分析。郭建英：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，资金获取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了山西省基础研究计划（编号：202203021211165）、山西泽达先进材料与化学工程研究所（编号：2022SX-TD009）和山西省研究生教育创新计划（编号：2024KY159）的支持。
