不可思议！硅灰石“凭空”变成白炭黑和碳酸钙？

中国粉体网讯 有研究指出，橄榄石、硅灰石等硅酸盐是自然界中广泛分布的天然矿物，可以用于矿化固定CO₂。然而，目前的硅酸盐矿化CO₂的方法均面临高能耗的问题，因此，在提高产物经济价值的同时，如何低能耗实现硅酸盐的高效矿化是目前硅酸盐矿化CO₂技术面临的主要问题。

Xie等在2018年提出了膜电解法促进硅灰石矿化CO₂的工艺，实现了在低能耗条件下硅酸钙矿化利用CO₂同时联产多孔二氧化硅和沉淀碳酸钙。

氢气驱动的膜电解技术促进硅灰石矿化利用CO₂产白炭黑工作原理

该工艺使用H₂作为质子携带媒介，一方面H₂携带质子数量较少，导致反应速率较慢，在低电流密度下电解电压尚且较低，一旦高电流密度下运行，其电解电压会升高较多，导致能耗成倍增加；另一方面H₂本身为易燃易爆气体，具有一定的危险性，一旦操作不当会引起巨大伤害。

近期，高孝麟、陈昌国等提出空气（主要依靠氧气）驱动的膜电解技术，通过阴极发生氧气还原反应（ORR）和阳极发生析氧反应（OER）的方式来驱动水的电化学电离，实现在阴阳极分别产碱和酸的目的，达到碱用来捕集CO₂、酸用来溶解硅灰石产生白炭黑的目标，以实现经济、环保的硅灰石矿化利用CO₂。

空气驱动的硅灰石矿化利用CO₂联产白炭黑工艺路线

该工艺是一个闭合回路过程，原理上无任何废液、固废、废气产生，安全环保，具体反应过程如下：初始盐溶液（NaCl、NH₄Cl）分别进入电解槽阴阳极，在直流电作用下，阳极侧发生析氧反应[式（1）]，溶液产生H⁺呈酸性；同时阴极侧发生氧气的还原反应[式（2）]，溶液产生OH^-呈碱性；在电流作用下，阴极侧的Cl^-穿过阴离子交换膜到阳极侧保持溶液的阴阳离子平衡。

阳极侧产的酸溶液进入溶矿工段，与硅灰石发生反应，并足量加入适当阴极侧的碱液，在温度和pH控制下定向生成多孔SiO₂（白炭黑）沉淀和钙盐溶液[式（3）]。

硅灰石制备白炭黑的过程主要是溶胶-凝胶过程，通过酸溶反应，大量硅酸以低聚物的形式游离在悬浮液中，酸溶反应完全后，加入氨水，pH增大，使反应体系进入凝胶状态，SiO₂迅速生成。在白炭黑制备过程中，工艺条件温度和pH对白炭黑产品有重要的影响；在反应温度低于50℃情况下，不可能发生SiO₂的成核、粒子增长及补强过程；一般在70～80℃均能得到性能较好的产品。

不同pH下得到SiO₂产品的比表面积、孔径和平均微粒尺寸

上述钙盐溶液与剩余阴极侧产的碱进入CO₂吸收塔对CO₂进行吸收，产生碳酸钙沉淀与钠盐溶液[式（4）]。初始盐溶液重新进入电解槽。

得到SiO₂产品后，将电解剩余阴极液与硅灰石酸解生成的含有Ca²⁺的溶液混合，置入1500ml烧瓶中，并不断向其中鼓入CO₂（20ml/min），反应一段时间后生成碳酸钙沉淀和氯化铵溶液，沉淀经过滤干燥后得到粉体碳酸钙，氯化铵回收作为电解质循环使用。

碳酸钙产品SEM图

小结

依托于上述同时产酸产碱的优势电解机制，应用于硅灰石矿化CO₂工艺中，阳极的酸性溶液用来溶解硅灰石，用阴极碱性溶液调节pH，得到比表面积高于240m²/g、平均微粒粒径小于25nm、孔径小于8nm的高质量的白炭黑产品。且该体系在CO₂矿化封存的过程中得到了方解石，实现了CO₂的有效矿化。

参考来源：

高孝麟等：空气驱动的膜电解技术促进硅灰石矿化CO₂产白炭黑的研究，重庆大学

(中国粉体网编辑整理/昧光)

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