高再生能力的立方形和梯形MgO纳米颗粒作为室温湿法矿物碳化过程中的二氧化碳吸附剂

《Journal of Environmental Management》：Highly regenerable cubic and terraced MgO nanoparticles as CO2 adsorbents for room-temperature wet mineral carbonation

　　

赵京一（Kyungil Cho）|姜艺荣（Yeryeong Kang）|金民哲（Min-cheol Kim）|蔡淑炳（Sukbyung Chae）|杨恩泰（Euntae Yang）|金昌赫（Changhyuk Kim）

韩国釜山国立大学土木与环境工程系，46241

摘要

利用氧化镁（MgO）进行矿物碳化是一种高效的减缓气候变化的方法，因为它具有显著的理论吸附能力和环境安全性。为了最大化这一过程的生命周期可持续性，MgO吸附剂的循环稳定性和有效再生至关重要。在本研究中，我们考察了通过15个循环的湿法碳化（WC）（室温约25°C）和热脱碳（DC）（800°C）处理后，气溶胶合成的高纯度立方形和阶梯状（C型和T型MgO）纳米颗粒的碳捕获能力的重复性。形态分析表明，在WC过程中，纳米级的MgO颗粒转化为了微米级的柱状碳酸镁，主要是artinite和nesquehonite。随后的热处理使MgO相得以再生，保持了由CO?释放过程中形成的多孔柱状结构。前五个循环后，孔径分布趋于稳定，形成了稳定的扩散通道，确保了持续的动力学性能。XPS分析证实，表面氧空位和缺陷的持续存在支持了高反应性的持久性。C型和T型MgO吸附剂的平均捕获能力分别为21.03和21.41 mmol CO?/g吸附剂，15个循环后的容量损失不到4%。这些结果接近理论极限，并显著优于之前报道的掺杂改性复合材料。这种基于气溶胶合成的MgO吸附剂的卓越稳定性可以应用于低能耗的直接空气捕获和烟气处理，作为可持续碳管理策略，与工业废热回收或可再生能源基础设施相结合。

引言

气候变化已成为一个紧迫问题，其加速程度大约是之前的1.6倍（联合国环境规划署，2023年）。为了减轻气候变化的影响，人们关注碳中和或净零排放，通过减少烟气中的二氧化碳（CO?）排放和/或从大气中捕获CO?，将气候变化控制在可接受范围内（国际能源署，2020年；Thomas等人，2019年）。因此，已经开发并研究了多种碳捕获技术，以通过管理大气中的CO?浓度来实现可持续环境（Lee等人，2022年）。使用胺基溶剂（如单甲基胺（MMA）、单乙醇胺（MEA）和二甲基胺（DMA）的化学吸收是一种商业上可用的碳捕获技术（Bailera等人，2017年；Kawai等人，2022年；Lee等人，2016年；Monteiro和Roussanaly，2022年）。这些碱性溶剂与酸性的CO?反应，形成弱结合的中间化合物（Olajire，2010年）。这些中间化合物在高温再生过程中容易释放CO?。然而，在高温再生过程中，碱性蒸汽可能会意外地排放到大气中，从而稳定大气中的二次气溶胶形成，加剧空气污染（Chao等人，2021年；Elm等人，2017年；Lv等人，2018年；Mukherjee等人，2019年；Xiao等人，2021年）。

矿物碳化作为一种不会产生化学吸收过程中出现的不良副作用的有前景的技术，受到了广泛研究。它是一种在目标CO?分子和金属氧化物之间形成化学键的化学吸附方法（Raganati等人，2021年）。由于地球上储量丰富，碱土金属氧化物（如氧化镁和氧化钙（MgO和CaO）被广泛用于开发矿物碳化技术（Herzog，2002年；Liu等人，2021年；Mazzotti等人，2005年；Neeraj和Yadav，2020年；Olajire，2010年；Rackley，2010年；Ragipani等人，2021年）。通过矿物碳化过程，MgO和CaO通常与CO?反应生成碳酸镁（MgCO?）和碳酸钙（CaCO?）（Halliday和Hatton，2021年；Neeraj和Yadav，2020年）。此外，已知MgO的单位质量吸附能力高于CaO，且再生温度更低，适用于预燃烧捕获，具有更长的使用寿命以及更低的再生能量和成本（Cho和Kim，2021年；McQueen等人，2020年；Rajamathi等人，2021年；Song等人，2016年；Zhou等人，2018年）。特别是，气溶胶处理的MgO纳米颗粒（NPs）在湿法矿物碳化过程中（以浆液形式）从MgO直接转化为碳酸盐，且水合作用较少，即使在室温下也是如此（Cho和Kim，2021年）。当对湿法碳化施加外力时，通过气溶胶过程合成的MgO NPs的矿物碳化过程会加速（Cho等人，2023年）。为了通过降低生产CO?吸附剂的成本和CO?排放以及处理碳酸盐产物来最大化矿物碳化的碳中和效果，吸附剂的再生和再利用是非常必要的。热分解被广泛用于将碳捕获产物再生为吸附剂（Dubey和Arora，2022年；Mazzotti等人，2005年）。然而，其他研究人员报告称，在反复再生和再利用CO?吸附剂和碳酸盐产物过程中，碳捕获能力有所下降，这是由于结构疲劳失效（Lee等人，2018年；Li等人，2021年；Qiao等人，2017年；Rajamathi等人，2021年）。因此，首先应研究并保证碳捕获剂的碳捕获能力的可靠重复性。

在本研究中，我们考察了两种气溶胶合成的MgO NP基吸附剂在15个循环的湿法碳化和脱碳（WC和DC）过程中的CO?捕获能力的重复性。WC在室温（约25°C）下使用连续流反应器进行，DC在800°C的箱式炉中进行，以完全分解碳酸盐产物中的CO?。分析了两种MgO NP吸附剂及其碳酸盐产物的物理化学特性和吸附的CO?量，以确定重复WC和DC过程中的碳捕获能力变化。

章节片段

通过气溶胶方法制备立方形和阶梯状MgO NP基吸附剂

如图1左侧所示，通过两种不同的气溶胶方法（自燃法和火焰金属燃烧法）合成了具有立方形和阶梯结构的MgO NPs。本研究中使用的两种气溶胶方法的详细信息在文献中有描述（Cho等人，2023年；Cho和Kim，2021年；Kim等人，2019年）。立方形MgO NPs（C-MgO）是通过自燃法（批量合成）使用纯镁片（纯度99.98%，6-35目，Sigma）合成的

C型和T型MgO CO?吸附剂在WC和DC过程中的形态变化

图2显示了C型和T型MgO基CO?吸附剂颗粒在15个循环的WC和DC过程中的形态变化。原始的C型和T型MgO颗粒分别具有立方形和阶梯状，大多数颗粒的尺寸小于100纳米（Chae等人，2017年；Cho等人，2023年；Cho和Kim，2021年；Kim等人，2019年）。当这两种MgO基CO?吸附剂在WC过程中与CO?反应时（如图2a和c所示），纳米级的立方形和球形MgO颗粒都

结论

本研究考察了两种气溶胶合成的MgO NP基吸附剂（C型和T型MgO）在室温WC条件下的CO?捕获能力的重复性。还分析了这两种CO?吸附剂在15个WC和DC循环过程中的物理化学特性变化。C型和T型MgO最初分别具有纳米级的立方形和阶梯状。然而，在WC后，两者都转化为了微米级的柱状颗粒。尽管进行了DC以再生碳酸盐产物

CRediT作者贡献声明

赵京一：数据整理、正式分析、研究、可视化、撰写——初稿。姜艺荣：数据整理、正式分析、研究、软件使用、验证、可视化。金民哲：数据整理、正式分析、验证。蔡淑炳：正式分析、验证。杨恩泰：正式分析、验证。金昌赫：概念构思、正式分析、资金获取、研究、方法论、项目管理、资源协调、监督

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：金昌赫报告称获得了韩国国家研究基金会的财政支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究部分得到了韩国国家研究基金会（NRF）基础科学研究计划（资助编号：RS-2022-NR071930）和另一项NRF资助（资助编号：RS-2023-00259994）的支持，这两项资助均来自科学和信息通信技术部（Ministry of Science and ICT）。此外，本研究还得到了教育部（Ministry of Education）通过NRF提供的资助（资助编号：RS-2025-25415557）。