1,4-丁二醇强化氨溶液石膏矿化固碳及球霰石型碳酸钙的可控制备研究

本研究针对石膏矿化过程中CO2吸收效率低和碳酸钙晶型调控难题，创新性地采用1,4-丁二醇（BUD）作为有机添加剂，在氨溶液体系中实现了CO2封存效率提升至87.6%，并成功制备出球霰石（vaterite）含量高达90.5%的碳酸钙产品。通过TGA、XRD、SEM等技术证实，BUD浓度增加可显著提高球霰石比例（61.5%→90.5%）及颗粒比表面积（6.4→11.3 m2/g），为工业固废资源化与碳捕集技术提供了新策略。

　　

在全球碳中和背景下，工业固废资源化与碳捕集技术成为研究热点。石膏（CaSO₄·2H₂O）作为富含钙源的废弃物，其矿化固碳潜力巨大，但传统工艺面临CO₂吸收效率低（仅57.5%）、碳酸钙晶型不可控等瓶颈。尤其在高pH氨溶液中，石膏溶解度骤降，而碳酸钙多晶型（方解石calcite、球霰石vaterite、文石aragonite）的定向调控直接影响产品附加值。如何通过绿色添加剂协同提升固碳效率与高值化产品产出，成为亟待解决的科学问题。

针对这一挑战，波兰格但斯克理工大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表最新成果。研究人员设计了一套创新的氨溶液-石膏矿化体系，引入1,4-丁二醇（BUD）作为双功能添加剂，系统探究了BUD浓度（0-0.5 mol/dm³）对CO₂封存效率、碳酸钙晶型及形貌的影响。通过热重分析（TGA）、X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、比表面积测试（BET）和扫描电镜（SEM）等多维表征手段，揭示了BUD的协同增效机制。

关键技术方法
研究采用0.5 dm³微型反应器，以15% CO₂模拟工业尾气，在恒定搅拌速率（300 rpm）下进行1小时矿化反应。通过在线CO₂传感器实时监测气体组分变化，结合热重法计算碳酸钙产率，XRD-Rietveld精修定量晶型组成，激光粒度仪分析颗粒分布特征。

研究结果
3.1 矿化固碳效率
BUD的引入使CO₂吸收效率呈梯度增长：从空白组的57.5%提升至0.5 M组的87.6%。机理研究表明，BUD的羟基能与氨形成氢键，抑制NH₃挥发，同时增强CO₂在液相中的溶解度。

3.2 固体产物组成
TGA数据显示碳酸钙含量与BUD浓度正相关，最高达83.9%。石膏转化率（ε）从25.9%（无BUD）线性增长至0.4 M组的81.3%，证实BUD促进反应平衡向碳酸钙生成方向移动。

3.3 碳酸钙多晶型
XRD精修表明，vaterite占比从61.5%跃升至90.5%，归因于BUD提高溶液过饱和度（促进vaterite成核）并选择性吸附抑制其向calcite转化。FTIR在746 cm^-1处的特征峰进一步验证该结论。

3.5-3.7 颗粒特性
SEM显示vaterite呈典型球形团聚体（直径12.86 μm），BET比表面积达11.3 m²/g。粒径分布表明BUD促使颗粒从双峰分布（4.5/12 μm）转变为单峰分布，印证其调控晶体生长的作用。

结论与意义
该研究开创性地将BUD应用于石膏矿化体系，实现CO₂封存与高值碳酸钙生产的双重目标。技术突破体现在：（1）揭示BUD通过氢键网络稳定氨-CO₂-H₂O三元体系的机理；（2）建立BUD浓度与vaterite含量的定量关系（R²>0.98）；（3）开发出比表面积可调（6.4-11.3 m²/g）的球霰石产品，满足造纸、医药等领域需求。这项成果为工业烟气资源化提供了可放大的绿色工艺原型，推动碳捕集利用与封存（CCUS）技术向"固碳-增值"一体化方向发展。