超声辅助乙酸浸渍强化钙基材料CO2捕集性能的机制研究与优化

针对钙循环(CaL)技术中钙基材料高温烧结导致的CO2捕集性能下降问题，研究人员创新性地采用超声辅助乙酸浸渍法处理大理石、电石渣和钢渣。研究发现超声搅拌较传统磁搅拌更利于形成多孔结构，使电石渣在10%乙酸浓度、1:15固液比、60°C处理1小时条件下获得最佳改性效果，为等温集成CO2捕集与利用(ICCU)技术提供了高效吸附剂优化方案。

　　

随着全球能源消耗持续增长，燃煤、石油等传统能源利用产生的CO₂排放量在2023年达到创纪录的374亿吨。碳捕集、利用与封存(CCUS)技术中，基于钙基材料的钙循环(CaL)技术因其原料丰富、环境友好等优势成为最具前景的解决方案。然而该技术面临核心矛盾：碳酸钙分解需要850°C以上高温，但高温又会导致钙基材料烧结，造成孔结构坍塌和比表面积锐减。以电石渣为例，其CO₂捕集能力在20次循环后从0.55 g/g骤降至0.31 g/g。

为破解这一难题，武汉理工大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表研究，创新性地将超声物理场引入乙酸浸渍改性过程。团队选取大理石、电石渣和钢渣三类典型钙基材料，通过XRF成分分析、N₂吸附-脱附等表征手段，系统比较了传统磁搅拌与超声搅拌对材料性能的影响，并优化出最佳改性参数。

研究采用超声辅助混合技术处理钙基材料，通过控制乙酸浓度(5-20%)、固液比(1:5-1:20)、温度(40-80°C)和时间(0.5-2 h)等变量，结合热重分析评估CO₂捕集性能。电石渣作为重点研究对象，其改性前后的孔结构变化通过BET比表面积测试和孔径分布分析进行表征。

Materials Characterization
XRF分析显示电石渣钙含量达64.3%，但原始比表面积仅3.2 m²/g。经乙酸浸渍后，钢渣的钙流失率最高达47.8%，证实工业固废中杂质组分更易与乙酸反应。

Acetic acid acidification
超声搅拌组电石渣的CO₂吸附量较磁搅拌组提升21%，归因于空化效应促进乙酸钙生成，其在高温分解后形成孔径集中在20-50 nm的介孔结构。

Conclusions
研究证实10%乙酸浓度、1:15固液比、60°C超声处理1小时为最优条件，使电石渣比表面积提升至15.6 m²/g。该成果不仅将工业固废的CO₂捕集能力提升至99-135 kg/t，更开创性地将超声物理场引入吸附剂改性领域，为降低ICCU技术中75%的捕集成本提供了新思路。

讨论部分指出，超声空化效应产生的局部高温高压环境，能显著加速钙组分与乙酸的固液反应动力学。但研究也发现，大理石因结晶度高，超声强化效果不及工业固废明显。未来研究可探索超声参数（频率、功率）与材料组成的构效关系，进一步推动钙基吸附剂的工业化应用。