钢渣优化石粉源钙基CO2吸附剂循环稳定性研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2024-0606

摘要/Abstract

摘要：

循环稳定性差是制约钙基CO₂吸附剂发展应用的主要瓶颈。以石粉和钢渣制备前驱体，运用响应曲面法确定前驱体制备吸附剂的适宜条件，并通过钙循环实验和SEM、XRD、BET检测，研究了钢渣对吸附剂循环稳定性的影响和机理。结果表明：制备吸附剂的优化条件是煅烧温度为860 ℃，煅烧时间为95 min，空气气氛，石粉、钢渣、水泥质量比为90:7:3，此时吸附剂有效分解值为94.06%；掺入钢渣的吸附剂经过35次钙循环后（GX₃₅），CO₂吸附量和碳酸化转化率分别为0.426 1 g/g和78.60%，优于未掺入钢渣的吸附剂经过20次钙循环后（SX₂₀）的CO₂捕集性能；GX₃₅中含有较多的1~3 nm孔隙，呈疏松海绵状，而SX₂₀中5 nm以下孔隙极少，呈致密团块状；掺入钢渣的吸附剂在钙循环过程中，晶粒生长和孔隙结构变化幅度均小于未掺入钢渣的吸附剂。钢渣可发挥加快分解、阻挡分隔、分散限域、骨架支撑和成核作用，抑制晶粒聚集和颗粒团聚，降低孔结构坍塌和堵塞幅度，增强吸附剂抗烧结能力和循环稳定性。

关键词: 钙基CO₂吸附剂, 循环稳定性, 钢渣, 石粉, 烧结

Abstract:

Poor cycling stability is the main bottleneck restricting the development and application of calcium-based CO₂adsorbent.The precursors were prepared from stone powder and steel slag，and the optimum conditions for preparing adsorbent were determined by response surface method.The influence and mechanism of steel slag on the cyclic stability of the adsorbent were studied by calcium cycle testing and SEM，XRD，BET detection.The results showed that the optimum conditions for preparation of the adsorbent were calcination temperature of 860 ℃，calcination time of 95 min，in an air atmosphere，mass ratio of stone powder，steel slag and cement 90:7:3，and at this time the effective decomposition value of the adsorbent was 94.06%.After 35 calcium cycles（GX₃₅），the CO₂ adsorption capacity and carbonation conversion rate of the adsorbent with steel slag were 0.426 1 g/g and 78.60%，respectively，which were better than the CO₂ capture performance of the adsorbent without steel slag after 20 calcium cycles（SX₂₀）.GX₃₅ contained a relatively large number of pores with diameters ranging from 1 nm to 3 nm and it had a loose sponge-like structure overall，while SX₂₀contained few pores with diameters below 5 nm and it had a tight structure.The adsorbent with steel slag showed a smaller change in crystal growth and pore structure during the calcium cycle compared to the adsorbent without steel slag.Steel slag could play the role of accelerate decomposition，block separation，disperse limiting，skeleton support and nucleation，inhibited crystal aggregation and particle agglomeration，and reduced pore structure collapse and plugging amplitude，and enhanced the anti-sintering ability and cycle stability of the adsorbent.

Key words: calcium-based CO₂ absorbent, cycle stability, steel slag, stone powder, sintering

中图分类号:

O647.33

彭兴华, 李国栋, 谭靖, 尤大海, 张朝宏, 张晋, 张立. 钢渣优化石粉源钙基CO₂吸附剂循环稳定性研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(10): 111-118.

PENG Xinghua, LI Guodong, TAN Jing, YOU Dahai, ZHANG Chaohong, ZHANG Jin, ZHANG Li. Study on steel slag optimized cycle stability of calcium-based CO₂ adsorbent from stone powder[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2025, 57(10): 111-118.

图/表 12

图1

表1

表2

图2

图3

图4

图5

表3

图6

图7

图8

表4

参考文献 27

[1]	KUMAR D S， Riya P， Daya K，et al.Development of efficient absorbent for CO₂capture process based on（AMP+1MPZ）［J］.Materials Today：Proceedings，2022，62（13）：7072-7076.
[2]	张家伟，左莉莉，王淇，等.金属有机骨架/碳气凝胶复合吸附剂对模拟烟气中CO₂的吸附性能［J］.低碳化学与化工，2024，49（7）：55-61.
	ZHANG Jiawei， ZUO Lili， WANG Qi，et al.Adsorption performance of metal-organic framework/carbon aerogel composite adsorbent for CO₂ in simulated flue gas［J］.Low-Carbon Chemistry and Chemical Engineering，2024，49（7）：55-61.
[3]	DINDI A， QUANG D V， VEGA L F，et al.Applications of fly ash for CO₂ capture，utilization，and storage［J］.Journal of CO₂ Utilization，2019，29：82-102.
[4]	ZENG Pengxin， ZHAO Chuanwen， WANG Xinmei，et al.One-step synthesis of structurally improved，Al₂O₃-supported K₂CO₃ pellets via graphite-casting method for low-temperature CO₂ capture［J］.Separation and Purification Technology，2022，292：120929.
[5]	耿一琪，郭彦霞，樊飙，等.CaO基吸附剂捕集CO₂及其抗烧结改性研究进展［J］.燃料化学学报，2021，49（7）：998-1013.
	GENG Yiqi， GUO Yanxia， FAN Biao，et al.Research progress of calcium-based adsorbents for CO₂ capture and anti-sintering modification［J］.Journal of Fuel Chemistry and Technology，2021，49（7）：998-1013.
[6]	DUNSTAN M T， DONAT F， BORK A H，et al.CO₂ capture at medium to high temperature using solid oxide-based sorbents：Fundamental aspects，mechanistic insights，and recent advances［J］.Chemical Reviews，2021，121（20）：12681-12745.
[7]	江涛，魏小娟，王胜平，等.固体吸附剂捕集CO₂的研究进展［J］.洁净煤技术，2022，28（1）：42-57.
	JIANG Tao， WEI Xiaojuan， WANG Shengping，et al.Research progress on solid sorbents for CO₂ capture［J］.Clean Coal Technology，2022，28（1）：42-57.
[8]	SUN Jian， YANG Yuandong， GUO Yafei，et al.Stabilized performance of Al-decorated and Al/Mg co-decorated spray-dried CaO-based CO₂ sorbents［J］.Chemical Engineering & Technology，2019，42（6）：1283-1292.
[9]	CHEN Jian， DUAN Lunbo， SUN Zhenkun.Review on the development of sorbents for calcium looping［J］.Energy & Fuels，2020，34（7）：7806-7836.
[10]	王长清，曾鹏鑫，张禹，等.惰性载体对钙基吸附剂脱碳性能增强作用的研究进展［J］.中国电机工程学报，2024，44（22）：8936-8948.
	WANG Changqing， ZENG Pengxin， ZHANG Yu，et al.Research progress on enhancement of decarburization performance of calcium-based adsorbents by inert supporting［J］.Proceedings of the CSEE，2024，44（22）：8936-8948.
[11]	赵美鑫，耿一琪，刘世军，等.电石渣掺杂改性制备高稳定CO₂吸附剂及其性能研究［J］.山西大学学报（自然科学版），2024.Doi：10.13451/j.sxu.ns.2014118.
	ZHAO Meixin， GENG Yiqi， LIU Shijun，et al.Fabrication and performance of high-stability CO₂ absorbent prepared by doping and modification of carbide slag［J］.Journal of Shanxi University （Natural Science Edition），2024.Doi：10.13451/j.sxu.ns.2014118.
[12]	HUANG Xingkang， MA Xiaotong， LI Jun，et al.Enhancement effects of hydrolysable/soluble Al-type dopants on the efficiency of CaO/CaCO₃ thermochemical energy storage［J］.Chemical Engineering Journal，2024，490：151555.
[13]	HAN Rui， GAO Jihui， WEI Siyu，et al.High-performance CaO-based composites synthesized using a space-confined chemical vapor deposition strategy for thermochemical energy storage［J］.Solar Energy Materials and Solar Cells，2020，206：110346.
[14]	孙荣岳，彭超，陈宇皇，等.镁负载CaO基吸附剂捕集CO₂性能及抗烧结机理［J］.化工进展，2021，40（11）：6385-6392.
	SUN Rongyue， PENG Chao， CHEN Yuhuang，et al.CO₂ capture capacity and anti-sintering mechanism of MgO supported CaO based sorbent［J］.Chemical Industry and Engineering Progress，2021，40（11）：6385-6392.
[15]	GENG Yiqi， GUO Yanxia， FAN Biao，et al.Research progress of calcium-based adsorbents for CO₂ capture and anti-sintering modification［J］.Journal of Fuel Chemistry and Technology，2021，49（7）：998-1013.
[16]	NAIDU T S， SHERIDAN C M， VAN DYK L D.Basic oxygen furnace slag：Review of current and potential uses［J］.Minerals Engineering，2020，149：106234.
[17]	范文琦，潘登，黄亮，等.工业固废和廉价矿石制备高循环稳定性高温CO₂捕集材料的研究进展［J］.材料导报，2021，35（17）：17090-17102.
	FAN Wenqi， PAN Deng， HUANG Liang，et al.Research progress in the preparation of high cycling stability and high temperature CO₂capture materials from industrial solid waste and cheap ore［J］.Materials Reports，2021，35（17）：17090-17102.
[18]	彭兴华，夏循茂，李国栋，等.石粉资源化利用研究现状和前景展望［J］.山西建筑，2022，48（13）：126-130，178.
	PENG Xinghua， XIA Xunmao， LI Guodong，et al.Research status and prospect of resource utilization of stone powder［J］.Shanxi Architecture，2022，48（13）：126-130，178.
[19]	陈春，李之涵，潘伟行，等.工业CT对混凝土中混杂钢渣颗粒的鉴别应用［J］.建筑材料学报，2024，27（4）：343-349.
	CHEN Chun， LI Zhihan， PAN Weixing，et al.Application of industrial CT to identify mixed steel slag particles in concrete［J］.Journal of Building Materials，2024，27（4）：343-349.
[20]	李宝让，马慧博，赵旭章，等.钢渣固废蓄热技术及其潜在的应用技术研究［J］.材料导报，2023，37（14）：188-205.
	LI Baorang， MA Huibo， ZHAO Xuzhang，et al.Investigations on solid waste steel slag and its potential applied technology in heat storage：A review［J］.Materials Reports，2023，37（14）：188-205.
[21]	王利波，吕维前，王雨露，等.钢渣集料表面形貌对沥青吸收与黏附性能的影响分析［J］.科学技术与工程，2023，23（33）：14406-14419.
	WANG Libo， Weiqian LÜ， WANG Yulu，et al.Effects of surface morphology of steel slag aggregates on asphalt absorption and adhesion performance［J］.Science Technology and Engineering，2023，23（33）：14406-14419.
[22]	季洪峰，李灿华，都刚，等.固废源钙基碳捕集剂制备及抗烧结性研究进展［J］.无机盐工业，2023，55（3）：28-35.
	JI Hongfeng， LI Canhua， DU Gang，et al.Research progress of preparation and sintering resistance of calcium-based CO₂ trapping materials from solid waste sources［J］.Inorganic Chemicals Industry，2023，55（3）：28-35.
[23]	白智韬，岳昌盛，邱桂博，等.CO₂气体对钢渣组成和性能的影响［J］.环境工程，2018，36（12）：171-176.
	BAI Zhitao， YUE Changsheng， QIU Guibo，et al.Influence of CO₂ on composition and properties of steel slag［J］.Environmental Engineering，2018，36（12）：171-176.
[24]	王晨霞，周阳升，王高峰，等.冻融环境下钢渣细骨料混凝土微观结构及损伤演化模型［J］.应用力学学报，2024，41（3）：585-593.
	WANG Chenxia， ZHOU Yangsheng， WANG Gaofeng，et al.Microstructure and damage evolution model of steel slag fine aggregates concrete under freezing-thawing environment［J］.Chinese Journal of Applied Mechanics，2024，41（3）：585-593.
[25]	伏遥，邵应娟，钟文琪.TiO₂掺杂钙基材料加压碳酸化循环储热性能实验研究［J］.化工学报，2025，76（3）：1180-1190，1375.
	FU Yao， SHAO Yingjuan， ZHONG Wenqi.Experimental study on cyclic heat storage performance of TiO₂-doped calcium based materials under pressurized carbonation［J］.CIESC Journal，2025，76（3）：1180-1190，1375.
[26]	匡盛铎，陈炜，林文升，等.Mg/Y改性Ca基吸附剂强化吸附CO₂试验［J］.洁净煤技术，2022，28（10）：195-202.
	KUANG Shengduo， CHEN Wei， LIN Wensheng，et al.Enhanced adsorption of CO₂ by Mg/Y modified Ca-based adsorbents［J］.Clean Coal Technology，2022，28（10）：195-202.
[27]	孙荣岳，李英杰，刘长天，等.白泥循环煅烧/碳酸化捕集CO₂的反应特性［J］.煤炭学报，2013，38（4）：675-680.
	SUN Rongyue， LI Yingjie， LIU Changtian，et al.CO₂ capture behavior of white mud during its calcination/carbonation cycles［J］.Journal of China Coal Society，2013，38（4）：675-680.

样品	晶粒大小/nm	样品	晶粒大小/nm
GX	41.04	GX₃₅	49.36
SX	40.81	SX₂₀	52.28

样品	比表面积/ （m².g^-1）	微孔比表面积/（m².g^-1）	微量率/ %	孔容/ （cm³.g^-1）	平均孔径/nm
GX	3.57	0.92	25.79	0.019 2	23.24
SX	3.66	1.65	45.03	0.009 0	10.41
GX₃₅	0.57	0.26	45.62	0.001 8	12.52
SX₂₀	0.53	0.11	20.18	0.001 7	14.29

首页

全国无机盐信息中心

中国化工学会

无机酸碱盐专业委员会

钢渣优化石粉源钙基CO₂吸附剂循环稳定性研究

Study on steel slag optimized cycle stability of calcium-based CO₂ adsorbent from stone powder

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 12

参考文献 27

相关文章 15

Metrics

本文评价

推荐阅读 0

[1]	李欣聪, 户晶荣, 郭鑫桥. 钡渣烧结砖的制备及Ba²⁺浸出行为的钝化机制研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(8): 110-116.
[2]	韩英明, 孙瑞泽, 孙一宁, 宋兴飞. 煅烧煤矸石粉对改性硫氧镁水泥性能的研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(4): 97-104.
[3]	李磊, 李岳磊, 常皓. 致密细晶氧化铝陶瓷的烧结机理研究[J]. 无机盐工业, 2025, 57(10): 75-80.
[4]	吴晴晴, 许雪棠, 王凡. 高负载锌钴基碱式碳酸盐电极材料的电容性能研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(7): 46-54.
[5]	陈俊辉, 刘翔, 胡庆喜, 田榜鑫, 陈嘉乐. 烧结机头灰浸出提取高纯度氯化钾的研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(6): 102-108.
[6]	刘杰, 石雪茹, 魏树兵, 曹鑫鑫. P2型层状氧化物正极的人工界面层构筑及储钠性能[J]. 无机盐工业, 2024, 56(3): 39-44.
[7]	吕令爽, 曹文豪, 俞瑞仙, 王守志, 王国栋, 朱亚军, 杜家宸, 徐现刚, 张雷. 两步烧结法对AlN原料提纯工艺的研究[J]. 无机盐工业, 2024, 56(12): 51-55.
[8]	李磊, 李岳磊, 刘邦先. 放电等离子烧结细晶0.8PMN-0.2PT陶瓷的介电性能[J]. 无机盐工业, 2024, 56(11): 139-144.
[9]	韩红静, 张竞择, 拉毛卓玛, 韩吉者, 吴勇民, 汤卫平. 铝钴共掺杂锂锰氧化物的制备及吸附提锂性能[J]. 无机盐工业, 2023, 55(7): 38-44.
[10]	李煜, 赵伟, 张兴华, 王锐, 闫炳基, 国宏伟. 高强萤石尾矿陶粒的制备及其性能研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(5): 100-108.
[11]	董林林, 高华锋. 氢氟酸溶液改性钢渣相变混凝土的制备及研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(5): 109-114.
[12]	李通, 尹宏峰. 层状硅酸镍纳米管催化剂的可控制备及其催化性能研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(5): 128-136.
[13]	季洪峰, 李灿华, 都刚, 张永柱, 徐文珍, 李明晖. 固废源钙基碳捕集剂制备及抗烧结性研究进展[J]. 无机盐工业, 2023, 55(3): 28-35.
[14]	陈晓庆, 周建安, 王怡, 韩娟, 王宝, 裴培炎. 转炉高温烟气中石灰石粉的分解特性研究[J]. 无机盐工业, 2023, 55(10): 70-77.
[15]	许小兵,李旭,杨旭,徐小勇. 烧成温度对MgO-TiO₂复合无机陶瓷微滤膜支撑体性能的影响[J]. 无机盐工业, 2022, 54(8): 85-89.

首 页