光热协同调控草酸中燃烧铁颗粒溶解速率的机制研究及其在酸性电积工艺中的应用

为解决钢铁工业高碳排放问题，研究人员开展了燃烧铁颗粒(CIPs)在草酸(OxA)中溶解行为的系统研究，通过调控温度(40-80°C)和短波光照，揭示了溶解速率与铁氧化物相态(Fe2O3/Fe3O4)的构效关系，发现80°C光照条件下溶解速率达1.8×10-2 μm/min，为酸性电积(EW)工艺优化提供了关键参数。

　　

钢铁工业作为全球碳排放的主要来源，其80%能源依赖化石燃料，其中75%为煤炭。为实现碳中和目标，开发基于铁能量循环的清洁技术成为研究热点。这一技术通过燃烧铁粉释放能量，再将生成的铁氧化物还原为金属铁，形成可持续的能量载体系统（MeCRE）。然而，该技术的核心环节——酸性电积（EW）工艺中，铁氧化物的溶解速率直接制约着整个系统的效率。传统研究多聚焦单一铁氧化物相，但实际燃烧产生的铁颗粒（CIPs）具有独特的核壳结构——赤铁矿（α-Fe₂O₃）外壳包裹磁铁矿（Fe₃O₄）内核，其溶解机制尚未明确。

针对这一关键问题，国外研究团队在《Results in Engineering》发表了创新性研究。团队通过设计全因子实验，系统考察了温度（40-80°C）、短波光照（190-2500 nm）和燃烧当量比（Φ=0.67-1.5）对CIPs在0.45 M草酸中溶解行为的影响。研究采用原位视频分析技术追踪颗粒形貌演变，结合三维方差分析（ANOVA）解析关键参数，并建立溶解动力学模型。

关键技术方法包括：（1）燃烧铁颗粒制备：通过管式燃烧器在三种当量比（Φ）下制备具有不同Fe₃O₄/Fe₂O₃比例的CIPs；（2）溶解过程原位监测：采用熔融石英比色皿结合高速摄像系统（0.4 μm/像素分辨率）记录颗粒尺寸变化；（3）数据建模：基于Huber损失函数的稳健线性回归分析溶解速率；（4）统计验证：通过4000次bootstrap采样计算95%置信区间。

温度与光照的协同效应
研究发现溶解速率呈现显著的温度依赖性：40°C时溶解速率（0.29×10^-2 μm/min）与纯机械破碎速率无统计学差异；当温度升至80°C并辅以光照时，速率提升至1.8×10^-2 μm/min。值得注意的是，光照的增强效应仅在>40°C时显现，表明溶解过程需要足够的热激活能。

相态结构的决定性作用
通过Feret直径比分析（F≈1.54）证实颗粒以簇状形式存在。不同于预期，燃料当量比Φ（影响Fe₃O₄含量）对溶解速率无显著影响（p>0.05）。这表明赤铁矿外壳可能阻碍了磁铁矿内核的自催化作用，该发现修正了传统认知。

溶解机制转变
在80°C光照条件下，溶解过程呈现两阶段特征：初期快速溶解（c₁）对应赤铁矿外壳的溶解，后期速率骤降（c₂）源于磁铁矿内核暴露后形成的Fe^IIC₂O₄·2H₂