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南开学者提出电化学转化石灰石制消石灰及有价值碳质产物的低碳水泥生产方法
来源: 南开大学新闻网发稿时间:2023-02-09 14:12

  南开新闻网讯(通讯员 谢起贤)近日,南开大学电子信息与光学工程学院光电子薄膜器件与技术研究所罗景山教授课题组,针对水泥生产过程中大量碳排放问题,结合课题组在电化学水分解和二氧化碳还原反应方面的研究基础,提出了一种基于电化学的石灰石(CaCO3)转化生产消石灰(Ca(OH)2)和有价值碳质产物的方法。有别于传统水泥生产制备工艺石灰石高温热解释放二氧化碳同时得到生石灰(CaO)的方法,该方法不排放二氧化碳,而是将石灰石中的碳元素转化成有价值的碳质产物,可以用作燃料和化学品生产,未来有望用于水泥行业脱碳,助力我国实现“双碳”目标。该研究以“Electrochemical transformation of limestone into calcium hydroxide and valuable carbonaceous products for decarbonizing cement production”为题发表在国际学术期刊iScience上。

  在众多工业生产过程中,建筑材料水泥的生产是最大的二氧化碳排放源之一。2020年水泥行业碳排放占我国碳排放总量的13.5%,水泥行业绿色低碳发展对我国实现“双碳”目标至关重要。统计报告显示,生产1吨水泥约排放0.6吨二氧化碳,其中约60%排放来自于石灰石的热分解,其余约40%排放来自于加热过程中化石燃料利用及相关设备的电力消耗。化石燃料利用和电力消耗产生的二氧化碳排放可以通过使用可再生燃料和可再生能源来减排,但消除石灰石热分解生成生石灰过程中排放的二氧化碳仍然面临巨大挑战。

电化学转化石灰石(CaCO3)制消石灰(Ca(OH)2)及有价值碳质产物示意图。

  2021年,南开大学与安徽芜湖市人民政府、海螺集团开启战略合作,罗景山教授作为项目负责人与海螺集团全资子公司三碳(安徽)科技研究院有限公司共建南开大学-海螺集团“二氧化碳资源化综合利用”联合实验室,共同探索二氧化碳资源化利用方式和水泥行业碳减排途径,助力水泥行业绿色低碳发展,用科技支撑我国实现“双碳”目标。

  针对石灰石(CaCO3)热分解生成生石灰(CaO)过程中排放二氧化碳(CO2)的难题,罗景山课题组基于以往报道的电化学转化CaCO3制备Ca(OH)2研究,并结合课题组在电化学水分解和二氧化碳还原反应方面的研究基础,提出了一种基于电化学系统的石灰石转化生产消石灰和有价值碳质产物的方法。有别于石灰石高温热解方法,该方法不排放二氧化碳,而是将石灰石中的碳元素直接转化成有价值的碳质产物,可以用作燃料和化学品,为水泥行业碳减排提供了新的思路。

  首先,本工作基于中性水分解反应体系对CaCO3进行处理转化。此过程利用中性水分解反应中析氧反应过程产生的氢离子(H+)与CaCO3反应生成钙离子(Ca2+)及二氧化碳,Ca2+与体系中生成的氢氧根(OH-)结合形成Ca(OH)2,可直接用于水泥生产。其次,通过切换施加电压,将体系中生成的二氧化碳原位转化成有价值的碳质产物,如一氧化碳、甲烷、烯烃等,反应产物可以通过调换催化剂实现调控。

  (A) 电解池体系中石灰石(CaCO3)电化学转化为消石灰(Ca(OH)2)和碳质产物过程的示意图;(B) CaCO3、(C) Ca(OH)2扫描电子显微镜图像及(D) X射线衍射谱图;(E) 不同金属电极在CaCO3中性电解液体系中生成有价值碳质产物的法拉第效率。

  该论文相关技术已由南开大学和海螺集团联合申请国家发明专利。此项技术提出了基于电化学法进行水泥生产来实现水泥行业脱碳的新概念,目前仍处于实验室科学研究阶段,未来实际应用还需进一步研究,罗景山教授团队正在对反应体系和反应器件进行优化设计,以期实现工业化应用的目标。

  该论文第一作者为谢起贤博士,罗景山教授为通讯作者。该研究工作得到了海螺集团、国家重点研发计划、国家自然科学基金优秀青年基金、天津市杰出青年基金以及物质绿色创造与制造海河实验室资助。

  论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004223000925

编辑:蓝芳

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