南開(kāi)學(xué)者新成果有望助水泥行業(yè)“脫碳”

近日，南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院光電子薄膜器件與技術(shù)研究所教授羅景山課題組，針對(duì)水泥生產(chǎn)過(guò)程中大量碳排放問(wèn)題，結(jié)合課題組在電化學(xué)水分解和二氧化碳還原反應(yīng)方面的研究基礎(chǔ)，提出了一種基于電化學(xué)的石灰石轉(zhuǎn)化生產(chǎn)消石灰和有價(jià)值碳質(zhì)產(chǎn)物的方法。

 

有別于傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)制備工藝中，石灰石高溫?zé)峤忉尫哦趸嫉耐瑫r(shí)得到生石灰的方法，該方法不排放二氧化碳，而是將石灰石中的碳元素轉(zhuǎn)化成有價(jià)值的碳質(zhì)產(chǎn)物，可以用作燃料和化學(xué)品生產(chǎn)，未來(lái)有望用于水泥行業(yè)脫碳，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

 

該研究以已經(jīng)在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《交叉科學(xué)》（iScience）上。

 

在眾多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，建筑材料水泥的生產(chǎn)是最大的二氧化碳排放源之一。2020年，水泥行業(yè)碳排放占我國(guó)碳排放總量的13.5%，水泥行業(yè)綠色低碳發(fā)展對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)至關(guān)重要。統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，生產(chǎn)1噸水泥約排放0.6噸二氧化碳，其中約60%排放來(lái)自于石灰石的熱分解，其余約40%排放來(lái)自于加熱過(guò)程中化石燃料利用及相關(guān)設(shè)備的電力消耗。化石燃料利用和電力消耗產(chǎn)生的二氧化碳排放可以通過(guò)使用可再生燃料和可再生能源來(lái)減排，但消除石灰石熱分解生成生石灰過(guò)程中排放的二氧化碳仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

 

針對(duì)這一難題，羅景山課題組提出了一種基于電化學(xué)系統(tǒng)的石灰石轉(zhuǎn)化生產(chǎn)消石灰和有價(jià)值碳質(zhì)產(chǎn)物的方法。有別于石灰石高溫?zé)峤夥椒?，該方法不排放二氧化碳，而是將石灰石中的碳元素直接轉(zhuǎn)化成有價(jià)值的碳質(zhì)產(chǎn)物，可以用作燃料和化學(xué)品，為水泥行業(yè)碳減排提供了新的思路。

 

首先，本工作基于中性水分解反應(yīng)體系對(duì)石灰石進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化。此過(guò)程利用中性水分解反應(yīng)中析氧反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的氫離子與生石灰反應(yīng)，生成鈣離子及二氧化碳，鈣離子與體系中生成的氫氧根結(jié)合形成消石灰，可直接用于水泥生產(chǎn)。其次，通過(guò)切換施加電壓，將體系中生成的二氧化碳原位轉(zhuǎn)化成有價(jià)值的碳質(zhì)產(chǎn)物，如一氧化碳、甲烷、烯烴等，反應(yīng)產(chǎn)物可以通過(guò)調(diào)換催化劑實(shí)現(xiàn)調(diào)控。

 

 

 (A) 電解池體系中石灰石電化學(xué)轉(zhuǎn)化為消石灰和碳質(zhì)產(chǎn)物過(guò)程的示意圖；(B)生石灰、(C)消石灰掃描電子顯微鏡圖像及(D) X射線衍射譜圖；(E) 不同金屬電極在生石灰中性電解液體系中生成有價(jià)值碳質(zhì)產(chǎn)物的法拉第效率。南開(kāi)大學(xué)供圖

 

該論文相關(guān)技術(shù)已由南開(kāi)大學(xué)和海螺集團(tuán)聯(lián)合申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。此項(xiàng)技術(shù)提出了基于電化學(xué)法進(jìn)行水泥生產(chǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)水泥行業(yè)脫碳的新概念，目前仍處于實(shí)驗(yàn)室科學(xué)研究階段，未來(lái)實(shí)際應(yīng)用還需進(jìn)一步研究，羅景山團(tuán)隊(duì)正在對(duì)反應(yīng)體系和反應(yīng)器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的目標(biāo)。