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自十九世纪末,大气中CO2的浓度持续增加给地球环境带来巨大影响。矿物储存技术是一种人为地大量降低大气中CO2浓度的备选方法。该法采用蛇纹石、橄榄石等富镁矿物与CO2反应生成碳酸镁(MgCO3)以及SiO2,MgCO3可以将CO2固定长达几个世纪,是一种长期储存的方法而备受关注。但是目前研究大都是在高温高压条件下进行,条件苛刻而有无经济意义,因此,寻求一种温和条件的反应方法对提高该过程的经济性非常重要。在本论文中我们提出了几种温和的反应条件的方法固定CO2,并通过理论及影响因素对其进行了研究,主要结论如下:
(1)提出电解法促进富镁矿物固定CO2的理论,通过热力学分析表明该过程总反应与目前矿物储存的原理相同,总反应为放热反应,具有潜在的应用价值。
(2)电解法促进富镁矿物固定CO2采用石墨作为电极电解NaCl溶液,蛇纹石或橄榄石等富镁矿物作为镁离子的来源吸收模拟烟气中的CO2。Cl2、H2以及NaOH溶液分别从阳极与阴极产生,H2与Cl2可以在燃料电池内反应生成HCl溶液并生成电能。HCl溶液可以溶解预处理过的富镁矿物形成含Mg2+溶液,而阴极生成的NaOH溶液可以吸收模拟烟气中的CO2形成含NaHCO3的溶液,两种溶液混合在一定温度下可以形成MgCO3。其中阳极生成的Cl2由于部分溶解使溶液显酸性,这种酸性溶液同样可以溶解富镁矿物形成含Mg2+溶液,其效果与同pH值的HCl溶液相似。
(3)不同浓度的HCl用于溶解不同温度下活化的蛇纹石,对热活化的温度,溶解的温度,溶液的酸度以及蛇纹石的粒度进行研究。结果表明热活化可以有效提高蛇纹石的溶解性,最佳的热活化温度为650℃,这可能是由于在该温度下羟基的分解消失使利蛇纹石晶体结构转变为无定形结构导致的:最佳的溶解温度为80℃,HCl溶液的浓度在0.1-1 mol/L时溶解效率最高,随HCl溶液浓度的升高,蛇纹石中的Mg2+溶解速率越快;随蛇纹石粒径的减小,蛇纹石的溶解速率与效率升高,但趋势变缓,最佳粒度为小于120目。
(4)橄榄石与蛇纹石的矿化过程基本相似,主要是热处理和HCl溶液酸度对两者的影响存在区别,热活化处理橄榄石对橄榄石的溶解效率影响不如蛇纹石的明显,另外酸度对蛇纹石的溶解规律也不相同,这是由于两者的结构不同导致的。
(5)电解MgCl2法固定CO2理论上是可行的,实际操作时由于生成的Mg(OH)2是沉淀,易附着在电极上,解决的方案是采用间接电解法。