功能化固态CO2储集材料的创建及调控电石渣循环制备纳米CaCO3的研究

Carbon capture, utilization and storage technology is a novel technology with a potential capability to reduce large-scale CO2 emission. How to realize the resource of CO2 is the development bottleneck of the practical technologies. This project puts forward that the annual researching system of ethylene glycols + ethylenediamine are used to create functional solid CO2 storage materials (CO2SM), which is prepared by the chemical reaction among amino, hydroxyl, and CO2. Then, the unique alkyl carbonate in CO2SM is used as carbon source to prepare nano-CaCO3 by regulating the circulation of carbide slag, in which ethylene glycols and ethylenediamine, released from CO2SM are used as the directing agents. By means of theoretical studies on creating, structure, and properties of CO2SM, the quantitative relationship between the macroscopic properties and microstructure of CO2SM will be revealed. Establishing the database of basic physical and chemical properties of carbide slag in Inner Mongolia area, optimizing the conditions for preparation of nanometer CaCO3 by carbide slag, regulating the crystal, size and morphology of CaCO3, and determining the process parameters of the cycle will be systemically studied. Additionally, depending on the modern spectral techniques and surface analysis techniques, this project will try to reveal the formation mechanism and control law of microstructure of CaCO3, understand the intrinsic relationship among the properties, process conditions of CO2SM and the crystals, size and morphology of nano CaCO3, and provide basic data and theoretical basis for the development of CO2 and carbide slag resource utilization technologies.

碳捕集、利用与封存技术是一项新兴的、具有大规模CO2减排潜力的技术，如何实现CO2的资源化是实用技术发展的瓶颈。本项目对此提出：1)利用常年研究的乙二醇类-乙二胺体系，基于胺基、羟基、CO2间的化学作用，创建功能化固态CO2储集材料(CO2SM)；2)以CO2SM特有的烷基碳酸根为碳源，利用CO2SM释放的乙二醇类、乙二胺为导向剂，调控电石渣循环制备纳米CaCO3。通过对CO2SM创建-结构-性质的理论研究，揭示CO2SM宏观性质与微观结构的定量关系；建立内蒙古地区电石渣的基础理化性质数据库，优化电石渣制备纳米CaCO3的条件、调控CaCO3的晶型、尺寸和形貌，确定循环制备工艺参数；采用现代波谱及表面分析技术，揭示CaCO3微观结构的形成机理与控制规律，力求探明CO2SM的性能-工艺条件-纳米CaCO3晶型、尺寸及形貌的内在联系，为CO2和电石渣资源化利用技术的发展提供基础数据和理论依据。

碳捕集、利用与封存技术是一项新兴的、具有大规模CO2减排潜力的技术，如何实现CO2的资源化是实用技术发展的瓶颈。本项目对此得到如下结果和结论：.1) 利用常年研究的乙二醇类-乙二胺体系，测量了大量的密度、粘度等基础理化性质数据，填补了此类数据的国内外空白，并基于计算获得的超额摩尔体积的数据，确证了最佳溶液组成为乙二醇类与乙二胺的摩尔比为1：1。基于胺基、羟基、CO2间的化学作用，创建了功能化固态CO2储集材料(CO2SM)，确证为烷基碳酸胺；.2) 以CO2SM特有的烷基碳酸根为碳源，利用高温条件下CO2SM释放的乙二醇类、乙二胺为导向剂，调控电石渣循环制得纳米CaCO3。研究结果表明乙二胺可发挥激活CO2、络合Ca2+、pH调节剂和结构导向剂的作用；乙二醇类亦可发挥结构导向剂作用。.3) 通过对CO2SM创建-结构-性质的理论研究，揭示了CO2SM宏观性质与微观结构的定量关系；初步建立了内蒙古14地电石渣的基础理化性质数据库，优化电石渣制备纳米CaCO3的条件、调控CaCO3的晶型(V、A、C)、尺寸和形貌，确定了循环制备工艺参数，发展了多个纳米CaCO3制备方法。.4) 采用现代波谱及表面分析技术，揭示了CaCO3微观结构的形成机理与控制规律，探明CO2SM的性能-工艺条件-纳米CaCO3晶型、尺寸及形貌的内在联系，为CO2和电石渣资源化利用技术的发展提供了大量的基础数据和理论依据。.5) 以此工作为支撑，张建斌获得内蒙古“优秀科技工作者”称号，组建了内蒙古煤基CO2捕集与资源化创新人才团队，发表论文17篇，申请发明专利2项，培养博士研究生2名，研究生11人。研究不限于最初计划，经过深入的研究，拓展了CaCO3的应用领域，如造纸、制备高温钙循环吸附剂等，丰富了研究内容。特别地，该研究结果为高温钙循环吸附材料的制备及CO2吸附性能的研究提供了重要的参考，这也为2020年国家基金项目“电石渣源纳微结构钙循环吸附剂调控制备、燃煤炉渣掺杂及吸附CO2的研究”的申报提供了重要的基础数据和理论依据。