木质素磺酸钙调控Ca(OH)2晶体生长机制及其在烟气脱硫中的应用研究

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Study on the modulation mechanism of calcium lignosulfonate-modified Ca(OH) 2 and its application in flue gas desulfurization

本文系统研究了天然阴离子表面活性剂木质素磺酸钙（CLS）在原子尺度调控Ca(OH)2晶体生长的机制及其对烟气脱硫性能的增强作用。通过DFT计算、XRD、SEM等表征手段，证实CLS可选择性吸附于Ca(OH)2的（101）晶面，抑制其生长并促进（001）面奥斯特瓦尔德熟化，形成厚度仅16-21 nm的超薄纳米片。改性后Ca(OH)2的BET比表面积提升62%，达48.76 m2/g，硫容量显著提高，脱硫穿透时间从3300 s延长至7600 s。

　　

Section snippets (章节选段)

Materials (材料)

本研究使用两种分析纯试剂：氧化钙（CaO，纯度>97%），由中国国药集团化学试剂有限公司提供；木质素磺酸钙（C₂₀H₂₆O₁₀S₂，纯度>70%），购自上海阿拉丁生化科技股份有限公司。所有实验均使用实验室自制的去离子水。

Synthesis of Ca(OH)₂ (Ca(OH)₂的合成)

以CaO和水为原料，木质素磺酸钙为改性剂，采用消化溶解法合成Ca(OH)₂。首先，将特定浓度的CLS水溶液与...

X-ray Powder diffractometer (XRD) (X射线粉末衍射仪)

Wulff理论认为晶体在平衡状态下会最小化其总表面能。每个晶面的表面能（γ）与其法线方向相关，表面能较高的晶面通常被表面能较低的晶面包围，从而形成称为Wulff形状的凸平衡界面。X射线衍射（XRD）峰的强度与相应晶面的暴露面积及...

Discussion (讨论)

本研究系统阐明了CLS对Ca(OH)₂微观结构的多尺度调控机制及其对烟气脱硫性能的决定性影响。实验表征与理论计算相结合揭示，CLS作为一种天然阴离子聚合物表面活性剂，其影响从原子水平的化学键合一直延伸到宏观孔结构的优化。在分子水平上，DFT计算证实CLS通过其磺酸基团与Ca(OH)₂表面发生特异性吸附，吸附能为-1.70 eV，自由能变化为负值，表明这是一个自发过程。这种吸附行为不仅产生了空间位阻效应，还引发了电子相互作用，从而巧妙地抑制了（101）晶面的生长。更有趣的是，它同时促进了（001）晶面的奥斯特瓦尔德熟化，最终“雕刻”出了厚度仅为16-21纳米的超薄纳米片结构。PDOS模拟结果为此提供了电子层面的证据：氧的2p轨道电子向钙的空3d轨道转移，形成了Ca-O键，这表现为0.08 Ha的蓝移和氧2p轨道的展宽。在宏观性能上，这种精细的微观结构调控带来了显著提升：BET比表面积从30.09 m²/g大幅增加62%至48.76 m²/g，并形成了孔体积为0.248 cm³/g的发达介孔结构。最终，改性Ca(OH)₂的硫容量相较于未改性的原始样品（15.62 mg/g）显著提高，脱硫实验的穿透时间也从3300秒延长至7600秒，展现了其优异的实际应用潜力。

CRediT authorship contribution statement (作者贡献声明)

彭飞 田: 负责文稿的审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件、项目管理、形式分析、数据整理、概念化。云南 沈: 负责初稿撰写、验证、软件、形式分析、数据整理、概念化。宇哲 华: 负责文稿的审阅与编辑、初稿撰写、形式分析。子龙 陈: 负责验证、项目管理、方法论。志帆 陈: 负责文稿的审阅与编辑、项目管理、方法论。庆杰 郭: 负责项目管理、资源获取、监督。洪静 田: 负责项目管理、资源获取、监督。

Declaration of competing interest (利益冲突声明)

作者声明，他们没有已知的可能影响本工作报告的竞争性财务利益或个人关系。

Acknowledgements (致谢)

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：51106077）和山东省自然科学基金（项目编号：ZR2021MB118）的资助。