南開學者新成果有望助水泥行業(yè)“脫碳”

近日，南開大學電子信息與光學工程學院光電子薄膜器件與技術研究所教授羅景山課題組，針對水泥生產(chǎn)過程中大量碳排放問題，結合課題組在電化學水分解和二氧化碳還原反應方面的研究基礎，提出了一種基于電化學的石灰石轉化生產(chǎn)消石灰和有價值碳質產(chǎn)物的方法。

 

有別于傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)制備工藝中，石灰石高溫熱解釋放二氧化碳的同時得到生石灰的方法，該方法不排放二氧化碳，而是將石灰石中的碳元素轉化成有價值的碳質產(chǎn)物，可以用作燃料和化學品生產(chǎn)，未來有望用于水泥行業(yè)脫碳，助力實現(xiàn)“雙碳”目標。

 

該研究以已經(jīng)在線發(fā)表在國際學術期刊《交叉科學》（iScience）上。

 

在眾多工業(yè)生產(chǎn)過程中，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)碳排放占我國碳排放總量的13.5%，水泥行業(yè)綠色低碳發(fā)展對我國實現(xiàn)“雙碳”目標至關重要。統(tǒng)計報告顯示，生產(chǎn)1噸水泥約排放0.6噸二氧化碳，其中約60%排放來自于石灰石的熱分解，其余約40%排放來自于加熱過程中化石燃料利用及相關設備的電力消耗。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使用可再生燃料和可再生能源來減排，但消除石灰石熱分解生成生石灰過程中排放的二氧化碳仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

 

針對這一難題，羅景山課題組提出了一種基于電化學系統(tǒng)的石灰石轉化生產(chǎn)消石灰和有價值碳質產(chǎn)物的方法。有別于石灰石高溫熱解方法，該方法不排放二氧化碳，而是將石灰石中的碳元素直接轉化成有價值的碳質產(chǎn)物，可以用作燃料和化學品，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體系對石灰石進行處理轉化。此過程利用中性水分解反應中析氧反應過程產(chǎn)生的氫離子與生石灰反應，生成鈣離子及二氧化碳，鈣離子與體系中生成的氫氧根結合形成消石灰，可直接用于水泥生產(chǎn)。其次，通過切換施加電壓，將體系中生成的二氧化碳原位轉化成有價值的碳質產(chǎn)物，如一氧化碳、甲烷、烯烴等，反應產(chǎn)物可以通過調(diào)換催化劑實現(xiàn)調(diào)控。

 

 

 (A) 電解池體系中石灰石電化學轉化為消石灰和碳質產(chǎn)物過程的示意圖；(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值碳質產(chǎn)物的法拉第效率。南開大學供圖

 

該論文相關技術已由南開大學和海螺集團聯(lián)合申請國家發(fā)明專利。此項技術提出了基于電化學法進行水泥生產(chǎn)來實現(xiàn)水泥行業(yè)脫碳的新概念，目前仍處于實驗室科學研究階段，未來實際應用還需進一步研究，羅景山團隊正在對反應體系和反應器件進行優(yōu)化設計，以期實現(xiàn)工業(yè)化應用的目標。