电石渣气⁃液碳化制备纳米碳酸钙工艺优化

doi:10.12422/j.issn.1672-6952.2026.04.004

摘要/Abstract

摘要：

以电石渣为原料、异辛酸钠为钙提取剂，采用气-液碳化法制备纳米碳酸钙，并对其进行了X射线荧光光谱（XRF）、X射线衍射（XRD）及扫描电子显微镜（SEM）表征分析。结果表明，在皂化率为80%、皂化反应温度为80 ℃、皂化反应时间为40 min、复分解反应温度为80 ℃、复分解反应时间为60 min、氯化钙浓度为0.5 mol/L、油相与水相的体积比为2.0∶1.0的条件下，电石渣中钙提取率可达96.40%；在反应温度为6 ℃、搅拌速率为400 r/min、液体滴加速率为35 mL/min、CO₂流速为100 mL/min的条件下，碳化效率效果最佳；所得纳米碳酸钙为方解石型，粒径为78.8 nm，钙质量分数为94.10%，粒度均匀。本研究以电石渣为原料，通过优化工艺制备纳米碳酸钙，实现了电石渣固废的高价值资源化利用及CO₂减排，为纳米碳酸钙的制备提供了新思路。

关键词: 电石渣, 纳米碳酸钙, 气?液碳化法, 溶剂萃取, 回收

Abstract:

Using calcium carbide slag as raw material and isocaprylic acid as the calcium extraction agent, nano calcium carbonate was prepared through CO₂ carbonization and characterized. Under the conditions of 80% saponification rate, 80 ℃ saponification temperature, 40 min saponification time, 80 ℃decomposition temperature, 60 min decomposition time, 0.5 mol/L calcium chloride concentration, and the volume ratio of the oil phase to the water phase is 2.0∶1.0, the extraction rate of calcium ions from calcium carbide slag reached 96.40%. Nano calcium carbonate was then prepared using the gas?liquid carbonization method. The optimal carbonization efficiency was achieved at a reaction temperature of 6 ℃, stirring speed of 400 r/min, liquid droplet rate of 35 mL/min, and CO₂ flow rate of 100 mL/min. Characterization by X?ray fluorescence spectroscopy, X?ray diffraction, and scanning electron microscopy showed that the nano calcium carbonate product was of the calcite type, with a particle size of 78.8 nm, calcium content was 94.10%, and uniform particle size. This study optimizes the process of producing nano calcium carbonate from calcium carbide slag, enabling high?value reuse of solid waste and CO₂ emission reduction, providing new insights for the preparation of nano calcium carbonate products.

Key words: Calcium carbide slag, Nano calcium carbonate, Gas?liquid carbonization method, Solvent extraction, Recovery

中图分类号:

TE992.3

陶春洋, 李爽, 朱春昀, 马会强. 电石渣气⁃液碳化制备纳米碳酸钙工艺优化[J]. 辽宁石油化工大学学报, 2026, 46(4): 23-30.

Chunyang TAO, Shuang LI, Chunyun ZHU, Huiqiang MA. Preparation of Nano Calcium Carbonate by Gas⁃Liquid Carbonization from Calcium Carbide Slag[J]. Journal of Liaoning Petrochemical University, 2026, 46(4): 23-30.

图/表 12

表1 电石渣的化学组成

Table 1 Chemical composition of calcium carbide slag

成分	质量分数/%
CaO	75.00
SiO₂	1.96
Al₂O₃	1.29
SO₃	0.42
Fe₂O₃	0.24
MgO	0.16
Cl	0.14

图1 纳米碳酸钙的制备工艺流程示意图

Fig.1 Schematic diagram of the preparation process of nano calcium carbonate

图2 皂化反应对钙提取率的影响（a）皂化反应温度（b）皂化率（c）皂化反应时间

Fig. 2 Effect of saponification reaction on calcium extraction rate

图3 复分解反应对钙提取率的影响

Fig.3 Effect of double decomposition reaction on calcium extraction rate

图4 CO2流速对纳米碳酸钙粒径的影响

Fig.4 Effect of CO2 flow on particle size of nano calcium carbonate

图5 液体滴加速率对纳米碳酸钙粒径的影响

Fig.5 Effect of liquid drop acceleration rate on particle size of nano calcium carbonate

图6 搅拌速率对纳米碳酸钙粒径的影响

Fig.6 Effect of stirring rate on particle size of nano calcium carbonate

图7 碳化温度对纳米碳酸钙粒径的影响

Fig.7 Effect of carbonization temperature on particle size of nano calcium carbonate

表2 纳米碳酸钙的化学组成

Table 2 Chemical composition of nano calcium carbonate

化学组成	w/%
CaO	94.10
MgO	0.15
Cl	2.95×10^-4
SiO₂	1.47×10^-4
Fe₂O₃	1.32×10^-4
SO₃	1.32×10^-4

图8 纳米碳酸钙的XRD谱图

Fig.8 XRD pattern of nano calcium carbonate

图9 纳米碳酸钙的FT?IR谱图

Fig.9 FT?IR patterns of nano calcium carbonate

图10 不同钙源制备纳米碳酸钙的SEM图（a）异辛酸钙（b）氯化钙

Fig.10 SEM images of nano calcium carbonate prepared from different calcium sources

参考文献 33

[1]	ZHANG J J， TAN H B， HE X Y， et al. Utilization of carbide slag⁃granulated blast furnace slag system by wet grinding as low carbon cementitious materials［J］. Construction and Building Materials， 2020， 249： 118763.
[2]	WANG X， LI Y J， ZHANG W， et al. Simultaneous SO₂ and NO removal by pellets made of carbide slag and coal char in a bubbling fluidized⁃bed reactor［J］. Process Safety and Environmental Protection， 2020， 134： 83⁃94.
[3]	颜坤，朱干宇，李会泉，等. 电石渣焙烧制备活性氧化钙及粒级影响规律［J］. 洁净煤技术， 2023， 29（11）： 133⁃139.
	YAN K， ZHU G Y， LI H Q， et al. Preparation of active calcium oxide by calcining calcium carbide slag and the effect of particle size［J］. Clean Coal Technology， 2023， 29（11）： 133⁃139.
[4]	邵岚，马丽萍，杨杰，等. 电石渣的资源化利用现状［J］. 现代化工， 2024， 44（3）： 79⁃83.
	SHAO L， MA L P， YANG J， et al. Re⁃utilization status of carbide slag［J］. Modern chemical industry， 2024， 44（3）： 79⁃83.
[5]	姚海宙，秦省军，于洋. 电石渣利用进展［J］. 环境保护前沿， 2023， 13（2）： 192⁃205.
	YAO H Z， QIN S J， YU Y. Progress in utilization of carbide slag［J］. Advances in Environmental Protection， 2023， 13（2）： 192⁃205.
[6]	颜鑫，刘海路，刘保林，等. 绿色纳米碳酸钙生产关键技术与机理研究［J］. 无机盐工业， 2025， 57（1）： 71⁃76.
	YAN X， LIU H L， LIU B L， et al. Research on key technologies and mechanisms of green nano calcium carbonate production［J］. Inorganic Chemicals Industry， 2025， 57（1）： 71⁃76.
[7]	张克利，刘欣，张天娇. 低浓度二氧化碳捕集技术现状［J］. 当代化工， 2025， 54（3）： 687⁃692.
	ZHANG K L， LIU X， ZHANG T J. Present situation of low⁃concentration carbon dioxide capture technology［J］. Contemporary Chemical Industry， 2025， 54（3）： 687⁃692.
[8]	廖雪妍，成怀刚，钱阿妞，等. 电石渣循环利用碳减排潜力及其生命周期评价研究进展［J］. 洁净煤技术， 2024， 30（4）： 157⁃170.
	LIAO X Y， CHENG H G， QIAN A N， et al. Carbon emission reduction potential and life cycle assessment of calcium carbon slag utilisation［J］. Clean Coal Technology， 2024， 30（4）： 157⁃170.
[9]	葛韶华，艾贵琳，杨帆，等. 超临界CO₂及其混合物在竖直圆管内的传热特性数值研究［J］. 辽宁石油化工大学学报， 2023， 43（3）： 75⁃80.
	GE S H， AI G L， YANG F， et al. Numerical study on heat transfer characteristics of supercritical CO₂ and its mixture in vertical circular tubes［J］. Journal of Liaoning Petrochemical University， 2023， 43（3）： 75⁃80.
[10]	王云阳，张歆怿，张紫薇. 粉煤灰矿化封存CO₂技术的应用研究［J］. 节能， 2023， 42（1）： 89⁃93.
	WANG Y Y， ZHANG X Y， ZHANG Z W. Application research of fly ash mineralization and CO₂ storage technology［J］. Energy Conservation， 2023， 42（1）： 89⁃93.
[11]	王会昌，贾晓伟，沈小宁，等. 电石渣的综合利用［J］. 聚氯乙烯， 2021， 49（11）： 37⁃42.
	WANG H C， JIA X W， SHEN X N， et al. Comprehensive utilization of carbide slag［J］. Polyvinyl Chloride， 2021， 49（11）： 37⁃42.
[12]	赵立文，朱干宇，李少鹏，等. 电石渣特性及综合利用研究进展［J］. 洁净煤技术， 2021， 27（3）： 13⁃26.
	ZHAO L W， ZHU G Y， LI S P， et al. Research progress on characteristics and comprehensive utilization of calcium carbide slag［J］. Clean Coal Technology， 2021， 27（3）： 13⁃26.
[13]	杨小彦，徐婕，陈刚，等. 电石渣在化工领域的利用现状及前景［J］. 陕西煤炭， 2020， 39（S1）： 159⁃162.
	YANG X Y， XU J， CHEN G， et al. Present situation and prospect of carbide slag used in chemical industry［J］. Shaanxi Meitan， 2020， 39（S1）： 159⁃162.
[14]	BIAN Y Y. Comparison of the comprehensive utilization technology of calcium carbide slag［J］. Chemical Engineering Design Communications， 2022， 48（6）： 38⁃39.
[15]	冯敬武，王毅斌，马佳慧，等. 混合醇胺溶液耦合电石炉净化灰吸收⁃矿化CO₂性能［J］. 低碳化学与化工， 2023， 48（5）： 125⁃134.
	FENG J W， WANG Y B， MA J H， et al. Absorption⁃mineralization performance of CO₂ by mixed alcohol amine solution coupled with purified dusts from calcium carbide furnace［J］. Low⁃Carbon Chemistry and Chemical Engineering， 2023， 48（5）： 125⁃134.
[16]	梅杰琼，陆诗建，任雪峰，等. CO₂间接矿化工业固废制备多晶型碳酸钙研究进展［J］. 洁净煤技术， 2024， 30（3）： 59⁃71.
	MEI J Q， LU S J， REN X F， et al. Preparation of various crystal forms of calcium carbonate from industrial solid waste by CO₂ indirect mineralization［J］. Clean Coal Technology， 2024， 30（3）： 59⁃71.
[17]	李文秀，杨宇航，黄艳，等. 二氧化碳矿化高钙基固废制备微细碳酸钙研究进展［J］. 化工进展， 2023， 42（4）： 2047⁃2057.
	LI W X， YANG Y H， HUANG Y， et al. Preparation of ultrafine calcium carbonate by CO₂ mineralization using high calcium⁃based solid waste［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2023， 42（4）： 2047⁃2057.
[18]	马钰琳.电石渣资源化制备碳酸钙强化过程、晶型定向调控机制研究［D］.银川：宁夏大学，2024.
[19]	丁文金，刘卓齐，陈秋菊，等. 电石渣矿化CO₂⁃可控制备碳酸钙的实验研究［J］. 四川大学学报（自然科学版）， 2023， 60（4）： 137⁃145.
	DING W J， LIU Z Q， CHEN Q J， et al. Controllable preparation of CaCO₃ from carbide slag by CO₂ sequestration［J］. Journal of Sichuan University（Natural Science Edition）， 2023， 60（4）： 137⁃145.
[20]	李昱蓓，刘松辉，朱建平，等. 电石渣制备球霰石碳酸钙的工艺及机理［J］. 建筑材料学报， 2023， 26（8）： 939⁃948.
	LI Y B， LIU S H， ZHU J P， et al. Process and mechanism of vaterite calcium carbonate preparation from calcium carbide slag［J］. Journal of Building Materials， 2023， 26（8）： 939⁃948.
[21]	YAO J， CHEN Q J， ZENG L， et al. Preparation of calcium carbonate with microstructure and nanostructure from carbide slag for CO₂ sequestration by using recyclable ammonium chloride［J］. Particuology， 2024， 90： 1⁃9.
[22]	邵宗奇. 由电石渣制备多种形貌碳酸钙的工艺条件研究［D］. 合肥：合肥工业大学， 2020.
[23]	MAO S D， LIU Y， ZHANG T A. Nano⁃CaCO₃， synthesis by tangential jet from carbide slag［J］. Material Research Express， 2021， 8（9）： 095005.
[24]	LI W X， HUANG Y， WANG T， et al. Preparation of calcium carbonate nanoparticles from waste carbide slag based on CO₂ mineralization［J］. Journal of Cleaner Production， 2022， 363： 132463.
[25]	丁羽，张金才，王宝凤，等. 电石渣可控制备多晶型、多形貌纳米碳酸钙的研究进展［J］. 人工晶体学报， 2023， 52（4）： 710⁃720.
	DING Y， ZHANG J C， WANG B F， et al. Progress on controllable preparation of polycrystalline and polymorphic nano calcium carbonate by calcium carbide slag［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2023， 52（4）： 710⁃720.
[26]	于博，凌江华，贾富智，等. 溶剂萃取法分离回收废催化剂碱浸渣中铝、镍的研究［J］. 石油化工高等学校学报， 2023， 36（2）： 20⁃26.
	YU B， LING J H， JIA F Z， et al. Separation and recovery of aluminum and nickel from alkali leaching residue of spent catalysts［J］. Journal of Petrochemical Universities， 2023， 36（2）： 20⁃26.
[27]	胡瑞柱，黄廷林，刘泽男. 碳酸钙诱导结晶动力学影响因素研究［J］. 中国环境科学， 2021， 41（8）： 3584⁃3589.
	HU R Z， HUANG T L， LIU Z N. Influencing factors of induced crystallization kinetics of calcium carbonate［J］. China Environmental Science， 2021， 41（8）： 3584⁃3589.
[28]	贾露凡，王艺颖，董钰漫，等. 微流控双水相贴壁液滴流动强化酶促反应研究［J］. 化工学报， 2023， 74（3）： 1239⁃1246.
	JIA L F， WANG Y Y， DONG Y M， et al. Aqueous two⁃phase system based adherent droplet microfluidics for enhanced enzymatic reaction［J］. CIESC Journal， 2023， 74（3）： 1239⁃1246.
[29]	谢瑞琦，王勋，赵志辉，等. 方解石晶体电子结构及（104）面表面特性第一性原理计算［J］. 金属矿山， 2023（12）： 93⁃98.
	XIE R Q， WANG X， ZHAO Z H， et al. The first principle calculation of calcite crystal electronic structure and surface chemistry properties of calcite （104） surface［J］. Metal Mine， 2023（12）： 93⁃98.
[30]	陈欣，安然，汪亦显，等. 胶结液浓度对MICP固化残积土力学性能影响及机理研究［J］. 水利与建筑工程学报， 2023， 21（6）： 100⁃106.
	CHEN X， AN R， WANG Y X， et al. Effects of cementing concentrations on mechanical properties and solidified mechanism of MICP cured residual soils［J］. Journal of Water Resources and Architectural Engineering， 2023， 21（6）： 100⁃106.
[31]	斯日古楞，李驰，周团结. 基于MICP技术的生物岩土材料强度性能及碳酸钙结晶过程优化［J］. 应用基础与工程科学学报， 2021， 29（6）： 1403⁃1417.
	SI R G L， LI C， ZHOU T J. Study on strength properties of bio⁃geomaterial and optimization of crystallization process based on MICP technology［J］. Journal of Basic Science and Engineering， 2021， 29（6）： 1403⁃1417.
[32]	童佳佳，杨保俊，陈义雯，等. 橡胶塑料专用纳米CaCO₃的表面改性研究［J］. 现代化工， 2021， 41（10）： 129⁃134.
	TONG J J， YANG B J， CHEN Y W， et al. Surface modification of nano CaCO₃ for rubber and plastics［J］. Modern Chemical Industry， 2021， 41（10）： 129⁃134.
[33]	偰南杰，曹建新，高传平，等. 反应温度对电石渣合成纳米碳酸钙形貌的影响［J］. 中国粉体技术， 2015， 21（1）： 22⁃26.
	QIE N J， CAO J X， GAO C P， et al. Effect of reaction temperature on morphology of calcium carbonate nano⁃particles prepared from carbide slags［J］. China Powder Science and Technology， 2015， 21（1）： 22⁃26.