不可思議！硅灰石“憑空”變成白炭黑和碳酸鈣？

中國(guó)粉體網(wǎng)訊 有研究指出，橄欖石、硅灰石等硅酸鹽是自然界中廣泛分布的天然礦物，可以用于礦化固定CO₂。然而，目前的硅酸鹽礦化CO₂的方法均面臨高能耗的問(wèn)題，因此，在提高產(chǎn)物經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，如何低能耗實(shí)現(xiàn)硅酸鹽的高效礦化是目前硅酸鹽礦化CO₂技術(shù)面臨的主要問(wèn)題。

Xie等在2018年提出了膜電解法促進(jìn)硅灰石礦化CO₂的工藝，實(shí)現(xiàn)了在低能耗條件下硅酸鈣礦化利用CO₂同時(shí)聯(lián)產(chǎn)多孔二氧化硅和沉淀碳酸鈣。

氫氣驅(qū)動(dòng)的膜電解技術(shù)促進(jìn)硅灰石礦化利用CO₂產(chǎn)白炭黑工作原理

該工藝使用H₂作為質(zhì)子攜帶媒介，一方面H₂攜帶質(zhì)子數(shù)量較少，導(dǎo)致反應(yīng)速率較慢，在低電流密度下電解電壓尚且較低，一旦高電流密度下運(yùn)行，其電解電壓會(huì)升高較多，導(dǎo)致能耗成倍增加；另一方面H₂本身為易燃易爆氣體，具有一定的危險(xiǎn)性，一旦操作不當(dāng)會(huì)引起巨大傷害。

近期，高孝麟、陳昌國(guó)等提出空氣（主要依靠氧氣）驅(qū)動(dòng)的膜電解技術(shù)，通過(guò)陰極發(fā)生氧氣還原反應(yīng)（ORR）和陽(yáng)極發(fā)生析氧反應(yīng)（OER）的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)水的電化學(xué)電離，實(shí)現(xiàn)在陰陽(yáng)極分別產(chǎn)堿和酸的目的，達(dá)到堿用來(lái)捕集CO₂、酸用來(lái)溶解硅灰石產(chǎn)生白炭黑的目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的硅灰石礦化利用CO₂。

空氣驅(qū)動(dòng)的硅灰石礦化利用CO₂聯(lián)產(chǎn)白炭黑工藝路線(xiàn)

該工藝是一個(gè)閉合回路過(guò)程，原理上無(wú)任何廢液、固廢、廢氣產(chǎn)生，安全環(huán)保，具體反應(yīng)過(guò)程如下：初始鹽溶液（NaCl、NH₄Cl）分別進(jìn)入電解槽陰陽(yáng)極，在直流電作用下，陽(yáng)極側(cè)發(fā)生析氧反應(yīng)[式（1）]，溶液產(chǎn)生H⁺呈酸性；同時(shí)陰極側(cè)發(fā)生氧氣的還原反應(yīng)[式（2）]，溶液產(chǎn)生OH^-呈堿性；在電流作用下，陰極側(cè)的Cl^-穿過(guò)陰離子交換膜到陽(yáng)極側(cè)保持溶液的陰陽(yáng)離子平衡。

陽(yáng)極側(cè)產(chǎn)的酸溶液進(jìn)入溶礦工段，與硅灰石發(fā)生反應(yīng)，并足量加入適當(dāng)陰極側(cè)的堿液，在溫度和pH控制下定向生成多孔SiO₂（白炭黑）沉淀和鈣鹽溶液[式（3）]。

硅灰石制備白炭黑的過(guò)程主要是溶膠-凝膠過(guò)程，通過(guò)酸溶反應(yīng)，大量硅酸以低聚物的形式游離在懸浮液中，酸溶反應(yīng)完全后，加入氨水，pH增大，使反應(yīng)體系進(jìn)入凝膠狀態(tài)，SiO₂迅速生成。在白炭黑制備過(guò)程中，工藝條件溫度和pH對(duì)白炭黑產(chǎn)品有重要的影響；在反應(yīng)溫度低于50℃情況下，不可能發(fā)生SiO₂的成核、粒子增長(zhǎng)及補(bǔ)強(qiáng)過(guò)程；一般在70～80℃均能得到性能較好的產(chǎn)品。

不同pH下得到SiO₂產(chǎn)品的比表面積、孔徑和平均微粒尺寸

上述鈣鹽溶液與剩余陰極側(cè)產(chǎn)的堿進(jìn)入CO₂吸收塔對(duì)CO₂進(jìn)行吸收，產(chǎn)生碳酸鈣沉淀與鈉鹽溶液[式（4）]。初始鹽溶液重新進(jìn)入電解槽。

得到SiO₂產(chǎn)品后，將電解剩余陰極液與硅灰石酸解生成的含有Ca²⁺的溶液混合，置入1500ml燒瓶中，并不斷向其中鼓入CO₂（20ml/min），反應(yīng)一段時(shí)間后生成碳酸鈣沉淀和氯化銨溶液，沉淀經(jīng)過(guò)濾干燥后得到粉體碳酸鈣，氯化銨回收作為電解質(zhì)循環(huán)使用。

碳酸鈣產(chǎn)品SEM圖

小結(jié)

依托于上述同時(shí)產(chǎn)酸產(chǎn)堿的優(yōu)勢(shì)電解機(jī)制，應(yīng)用于硅灰石礦化CO₂工藝中，陽(yáng)極的酸性溶液用來(lái)溶解硅灰石，用陰極堿性溶液調(diào)節(jié)pH，得到比表面積高于240m²/g、平均微粒粒徑小于25nm、孔徑小于8nm的高質(zhì)量的白炭黑產(chǎn)品。且該體系在CO₂礦化封存的過(guò)程中得到了方解石，實(shí)現(xiàn)了CO₂的有效礦化。

參考來(lái)源：

高孝麟等：空氣驅(qū)動(dòng)的膜電解技術(shù)促進(jìn)硅灰石礦化CO₂產(chǎn)白炭黑的研究，重慶大學(xué)

(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)

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