南開學(xué)者新成果有望助水泥行業(yè)“脫碳”

近日，南開大學(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，針對水泥生產(chǎn)過程中大量碳排放問題，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)表在國際學(xué)術(shù)期刊《交叉科學(xué)》（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(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(guān)設(shè)備的電力消耗?；剂侠煤碗娏ο漠a(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(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)體系對石灰石進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化。此過程利用中性水分解反應(yīng)中析氧反應(yīng)過程產(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。南開大學(xué)供圖

 

該論文相關(guān)技術(shù)已由南開大學(xué)和海螺集團(tuán)聯(lián)合申請國家發(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，未來實(shí)際應(yīng)用還需進(jìn)一步研究，羅景山團(tuán)隊(duì)正在對反應(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)。