非室温离子液体辅助的高压快速碳化反应及体系的相平衡、扩散和结晶行为

With respect to the phase equilibrium and mass transfer limitations of the traditional industrial carbonation process for producing calcium carbonate, also to the fixation and resource utilization of carbon dioxide, the project proposes and will explore a new carbonation approach for rapid production of nanoparticles of calcium carbonate by using high pressure (particularly, supercritical) carbon dioxide coupled with non-room temperature ionic liquids (NRTIL). In line with the purposes, the project will establish a high pressure spring quartz method to study the phase equilibrium and diffusion behaviors of the concerned systems; it will then set up a high pressure reactor, a high pressure in-situ IR apparatus to study the reaction rate, conversion of the reactants, sizes and crystal morphologies under various conditions; finally, XRD and a high pressure polar light microscopy established will be applied for studying crystallization kinetics and crystal morphologies with or without crystal control agents; with the phase equilibrium, diffusion, reaction rate and crystallization kinetics, an integrated reaction-crystallization equation will be established for guiding the production of desirable products. In order to solve the problems existed in the traditional technology, the proposed method of the project by combining the two green chemistry solvents: supercritical fluid and NRTIL will hopefully provide a potential technique for rapid production of particle-tunable calcium carbonate and a new platform for other similar reaction systems, and will also provide new idea for the fixation and resource utilization of carbon dioxide. Therefore, the proposed project is of economic and social significance

针对工业碳酸钙生产的碳化反应体系中存在的相平衡、传质及晶型的限制，也针对二氧化碳的固定和资源化，本项目提出研究非室温离子液体(NRTIL)辅助的高压(尤指超临界)二氧化碳与氢氧化钙快速碳化反应制备纳米碳酸钙。建立高压石英弹簧法装置和方法，研究体系的相平衡和扩散行为。建立高压反应装置、在线原位红外方法研究碳化反应，获取各种条件对反应速率、转化率及产物晶型、粒径等的影响规律,探究反应机理。应用高压偏光显微装置，结合XRD分析和晶型控制剂，研究产物晶体的成核、生长速率和晶型。结合平衡、扩散、反应速率和结晶动力学的研究，建立过程的反应结晶方程用于优化产品。将超临界流体和离子液体（尤指NRTIL）两种绿色化工手段耦合来突破传统体系的相平衡和传质制约，可望提供一种快速制备碳酸钙、晶型可控，及供其它类似反应研究的新平台，也为二氧化碳的固定和资源化提供新思路，因此开展本项目研究具有经济和社会双重意义。

本项目以二氧化碳的固定和资源化为背景，研究高压/超临界碳化反应体系，尤其是非室温离子液体(NRTIL)辅助的高压二氧化碳与氢氧化钙的快速碳化体系，研究体系中涉及的相平衡和扩散以及突破传统传质限制的机理。通过项目实施，建立一种新的高压相平衡和扩散研究装置以及一种新的高压结晶行为研究装置：高压石英弹簧装置和高压偏光显微装置，并以之获取了高压下多个二氧化碳-离子液体体系（含非室温离子液体）的相平衡数据，1个体系的高压扩散数据和1个体系的结晶动力学数据。通过项目实施，形成了高压/超临界碳化反应的研究平台，研究的主要体系包括：1）系统地获取高压下NRTIL辅助固气碳化反应快速转化为碳酸钙产品的晶型、晶体大小、反应机理和反应动力学，表明该反应是离子液体中高溶解度的二氧化碳以及微量水的自催化过程；发现可通过二氧化碳对反应体系的膨胀和含水量来控制碳酸钙的多晶型，获取高附加值产品。2）高压碳化反应制备SiO2材料，通过调节碳化反应压力实现孔容调节、孔径调节，制得高孔容（孔容最高可达5.3 ml/g）高透明消光剂产品，高吸附性能产品，高补强性能产品。3) 高压碳化反应制备碳酸化羟基磷灰石CHap以及羟基磷灰石Hap材料，可得到与天然生物材料差不多的Chap，以及比表面积高达近300m2/g的Hap材料，并表明其优秀吸附性能。4）高压碳化反应制备了表面结构发达的Al2O3材料，如：孔容可达5.3 ml/g，比表面积达423.7m2/g, 孔径达37.8nm的gamma- Al2O3，并表现出很好的催化性能。5）通过超临界二氧化碳介入的手段制备了超轻MgO，该材料对Pb2+ (在pH=6和 25oC的条件下高达 3635 mg/g) 和 Mn2+ (在pH=6和 25oC的条件下高达 861 mg/g as)具有优秀的吸附性能。总之，通过该项目的实施，将超临界流体或与离子液体（尤指NRTIL）两种绿色化工手段耦合来突破传统体系传质制约，提供高压碳化反应研究平台（包括新的高压相平衡、扩散、结晶研究手段），实现了高孔容二氧化硅产品的小规模工业化生产，也为二氧化碳的固定和资源化提供了新思路。