工业固废和廉价矿石制备高循环稳定性高温CO2捕集材料的研究进展

作者：范文琦; 潘登; 黄亮; 王强^*

来源：材料导报, 2021, 35(17): 17090-17102.

• 高温CO2捕集材料
• 矿石
• 工业固体废物
• 吸-脱附循环
• 氧化钙
• 硅酸锂

全球范围已就"2℃气候红线"达成共识。为缓解气候变暖,同时满足经济发展的能源需求,CO2大规模减排技术受到了广泛关注。其中,CO2捕集、利用与封存(CCUS)技术被认为是实现减排的最理想途径。而无论对于CO2的利用还是封存,CO2捕集都是必要的前提。近年来,空气中CO2的捕集开始逐渐受到关注,但从源头控制出发,工业源的CO2捕集仍是减排的重点所在。目前工业应用的CO2捕集技术——胺洗涤仍存在成本高且产物具有环境毒性等问题。与之相比,固体CO2捕集材料在生产、运输、应用上都具有独特的优势,鉴于工业CO2普遍温度较高,越来越多的研究致力于固体高温CO2吸附剂的构建。目前,固体材料高温CO2捕集已进入中试阶段。为实现工业化应用,吸附材料的成本、吸附性能和循环稳定性都受到重点关注。常规的高温CO2吸附材料CaO、Li4SiO4都存在多次循环后易发生烧结而导致吸附性能下降的问题,虽然可以通过改进合成方法、元素掺杂、表面修饰等手段对其进行改性,但这无疑会造成成本的增加。对此,许多研究者开始利用工业固体废弃物或廉价矿石合成高温CO2吸附剂。大量研究结果表明,使用天然/废弃原料不仅可以降低吸附剂的生产成本,还可以实现固体废弃物的资源化,原料中的部分杂质组分还对吸附剂的抗烧结性能有着重要的促进作用,这对固体高温CO2吸附剂的实际应用有着重要的价值。基于天然/废弃原料合成高温CO2吸附剂的良好应用前景,为助力廉价高效CO2吸附剂的研发,本文综述了近十年来以工业固体废弃物和廉价矿石为原料制备CaO基和Li4SiO4基两种高温CO2吸附剂的研究进展;分别介绍了制备高温吸附剂的各类前驱体及改性材料,如矿石(石灰石、白云石、高岭土、硅藻土、蛭石、方解石、埃洛石、铝土矿尾矿等)、生物质(蛋壳、贝壳、微生物、谷稻壳等)、水泥建筑工业废弃物(粉煤灰、电石渣、钢渣、铝酸钙水泥、造纸白泥、建筑废料、水泥生料、废弃大理石粉末等)等;整理了材料的合成及改性方法,如掺杂改性、酸浸、水洗、干燥、煅烧、造粒等预处理手段;综合对比了材料在不同条件下的吸附性能及吸-脱附循环稳定性,如不同温度或不同CO2浓度下材料的性能变化;并讨论了其可能的优化机理,如表面孔径的优化,造粒耐磨损、耐烧结骨架的生成及离子的均衡扩散等;总结了各类材料存在的优点与不足,如CaO基材料来源广泛、成本低廉,但存在因循环煅烧而导致的吸附性能下降问题,Li4SiO4基材料具有较快的吸-脱附速率,但循环稳定性较差且受CO2浓度影响大的问题有待解决。希望本文不仅能帮助研究者快速了解该领域的研究现状,还能为其后续的研究工作提供有价值的建议。

• 单位
  北京林业大学; 环境科学与工程学院