基于CaO的CO2捕集吸附剂研究综述：机制、应用及CaCO3的资源化利用

《Sustainable Chemistry One World》：A review of CaO-based adsorbents for CO 2 capture: mechanisms, applications, and valorization of CaCO 3

　　

•废物衍生的氧化钙吸附剂可实现可持续、经济高效的二氧化碳捕集。
•结构改性提高了循环稳定性并减轻了吸附剂的烧结。
•基于废物的氧化钙吸附剂在二氧化碳吸附量方面可能优于商业氧化钙。
•二氧化碳捕集与利用的一体化增强了可持续性和经济可行性。

引言
大气中二氧化碳水平的增加及其对环境的影响，加剧了开发高效、经济且可持续的碳捕集技术的迫切需求。固体碳吸附剂已被考虑用于此用途。在固体碳捕集吸附剂中，基于氧化钙 (CaO) 的材料似乎具有最高的理论二氧化碳吸附容量、丰富的储量和通过碳酸化 - 煅烧反应的可逆性 [192]。然而，氧化钙吸附剂的应用通常受限于其容量快速损失、高温下的烧结和循环稳定性。最近，开发具有增强结构稳定性和活性的氧化钙基吸附剂成为一个备受关注的话题。研究发现，天然和工业废物可作为合成氧化钙吸附剂的前驱体材料。Papalas 等人 [105] 发现，源自天然矿石和工业废物的钙基吸附剂显示出很有前景的高温二氧化碳捕集性能，但其效率高度取决于前驱体的纯度和微观结构。废物基和改性氧化钙吸附剂可为高温二氧化碳捕集提供几种优势，如低成本、可持续生产、高吸附性能、增强的循环稳定性、抗烧结性和孔隙保持。然而，当前技术存在一些缺陷，例如由于钙含量低，工业净化粉尘 (IPD) 吸附剂的初始二氧化碳容量相对较低 [192]，镁杂质对活性氧化钙位点数量的负面影响 [77]，以及第九个循环后的性能损失 [2]。此外，TVCS 氧化钙显示，在十一个循环后，其初始容量的 24.27% 丢失 [77]。Senthilkumar 等人 [118] 发现，可以通过使用绿色芦荟提取物介导的方法将废蛋壳转化为氢氧化钙纳米颗粒。Hao 等人 [51] 开发了一种室温和中温加氢策略，将壳类废物转化为基于氧化钙的吸附剂。
尽管上述方法具有诸多优势，但在合成用于二氧化碳捕集的功能性氧化钙吸附剂方面仍存在一些挑战。为了解决这个问题，可以使用可能含有催化或促进相的双功能材料 (DFMs)。Wang 等人 [144] 开发了双功能镍 - 氧化钙材料，这些材料是通过不同方法制备的。研究发现，镍的位置/组织结构和材料的构型强烈影响二氧化碳吸附容量和吸附后的催化性能。类似地，Phanthasri 等人 [109] 进行了结合实验和计算的研究，以阐明使用基于生物质的二氧化铈 - 氧化钙双功能材料捕集二氧化碳的机制。Liu 等人 [93] 展示了有机酸官能化的无过渡金属层状氧化钙基双功能材料，其在二氧化碳捕集和利用方面表现出优异的性能。
除了材料表面改性外，还可以使用复合工程和界面设计方法。例如，Xie 等人 [159] 发现，界面氧化镁 - 碳酸钙结构通过增强二氧化碳活化和中间体稳定，有效增强了逆水煤气变换反应中的二氧化碳加氢。Xu 等人 [162] 开发了一种一锅法从固体废物中制备双功能材料的方法，强调了单步过程、简单性和成本效益的重要性。与先前关于基于氧化钙的二氧化碳捕集的主要关注氧化钙的性质、碳酸化动力学、抗烧结策略以及促进剂对碳捕集性能的影响的综述不同，本综述强调了进料（废物）及其加工对氧化钙结构形成和二氧化碳捕集性能的影响。本综述还强调了双功能材料、二氧化碳矿化、碳酸钙工程、增值产品和循环经济原则，以将钙废物增值与二氧化碳捕集和利用联系起来。
尽管在开发基于氧化钙的吸附剂和双功能材料方面取得了显著进展，但仍存在一些知识和技术差距。例如，人们对废物衍生氧化钙体系的结构 - 性能关系知之甚少，并且缺乏对操作温度下抗烧结性的控制。对二氧化碳吸附机制、二氧化碳扩散和转化过程以及微观结构作用的理解仍然不足。需要混合策略，将绿色合成方法与功能改性相结合，以开发高效的天然废物衍生氧化钙吸附剂用于二氧化碳捕集。本综述探讨了将天然废物转化为用于二氧化碳捕集的功能性氧化钙基吸附剂的课题。本综述重点描述了这些材料的作用机制。具体而言，本文探讨了 (i) 可用于合成氧化钙基吸附剂前驱体的不同类型的天然废物；(ii) 提高氧化钙基吸附剂吸附性能的绿色、化学和混合方法；(iii) 氧化钙基吸附剂捕集二氧化碳的机制；(iv) 用于一体化二氧化碳捕集和转化的先进双功能材料；以及 (v) 与碳酸钙和增值产品生产相关的二氧化碳利用技术。

表 1 章节片段
富含钙的天然废物分类
富含钙的天然废物通常可分为壳类衍生废物、骨类衍生废物、石灰石和工业残渣，以及富含钙的农业或生物质废物。它们的钙含量在浓度和可用性方面差异很大。因此，石灰石污泥是总矿物含量最丰富的来源之一，碳酸钙含量达到 90–98 wt.%，钙含量为 39.2 wt.% [47]，而蛋壳和乌贼废物分别含有 38.5% 和 37.7% 的钙 [47]。

废物衍生与商业氧化钙吸附剂的性能对比评估
废物衍生、合成和商业氧化钙吸附剂的对比评估目前专注于初始碳酸化容量、稳定性、循环保持率以及抗烧结性。商业氧化钙通常表现出由大量活性氧化钙位点驱动的高初始二氧化碳转化效率，但其循环性能受到高温煅烧过程中极端烧结和孔隙结构坍塌的严重限制。例如，Bieniek et...

绿色合成方法
用于增强基于氧化钙的二氧化碳吸附剂的绿色合成方法因其能够实现废物增值、减少化学消耗同时控制钙循环和燃烧后二氧化碳捕集功能材料的结构参数而日益受到关注。Heidari 等人 [54] 展示了蛋壳和茶叶废物的双重增值，其中茶叶废物作为天然造孔剂，改善了表面...

氧化钙基吸附剂在二氧化碳捕集过程中的机制见解
基于氧化钙的吸附剂在二氧化碳捕集中的机制行为受碳酸化热力学、反应动力学、孔隙尺度扩散、碳酸盐层形成、再生以及重复碳酸化 - 煅烧循环过程中的结构变化控制。虽然碳酸化是一个热力学可逆反应 (CaO + CO? ? CaCO?)，但其程度受温度、二氧化碳分压、气流、表面结晶学、孔隙结构、改性剂分布和抗烧结性的控制。

用于一体化二氧化碳捕集和转化的双功能材料
双功能材料 (DFMs) 的开发代表了从单独操作的二氧化碳捕集和催化转化过程向在单一反应架构内进行整合的转变。在基于氧化钙的双功能材料中，氧化钙通过可逆碳酸化 (CaO + CO? ? CaCO?) 作为主要二氧化碳吸附剂，而过渡金属相则激活氢气或甲烷，并促进捕获的碳转化为一氧化碳、甲烷或合成气。最终性能不仅由...决定。

用于二氧化碳捕集的氧化钙基吸附剂
基于氧化钙的吸附剂是通过钙循环 (CaL) 在高温下捕集二氧化碳的极具吸引力的材料，这是因为碳酸化反应的热力学驱动力以及通过煅烧再生碳酸钙的可能性。氧化钙在此应用中的主要限制是在重复碳酸化/煅烧循环过程中二氧化碳吸附容量的降低。性能下降归因于产物层扩散阻力、晶粒生长、孔隙...

基于氧化钙的吸附剂在二氧化碳捕集中的工业应用
基于氧化钙的吸附剂在钙循环 (CaL) 中的工业应用前景广阔，这是由于理论二氧化碳容量高、高温动力学快、富含钙的原料可用性以及水泥、钢铁、废物焚烧和发电过程的兼容性。然而，由于晶粒烧结、孔隙堵塞和致密结构，吸附剂在多次煅烧 - 碳酸化循环下会发生失活，这限制了进一步的反应性。因此，...

经济性和全生命周期可持续性评估
基于氧化钙的吸附剂在经济和环境上具有吸引力，因为其成本低、丰富、适合与水泥生产相结合以及可逆的碳酸化 - 煅烧循环。然而，其可持续性受限于其成分、循环稳定性、再生能量、资源消耗和集成度。高温再生、吸附剂失活、磨损、补充需求、氧气生产和耗能石灰生产所产生的负担，需要...

将捕获的二氧化碳增值为碳酸钙和增值产品
通过形成碳酸钙捕获二氧化碳的价值是一个具有吸引力的前景，它将永久二氧化碳封存与生产商业上有价值的材料结合起来。这样一来，矿化就从终端废物管理过程转变为受控合成过程，在该过程中，钙的回收、溶液化学、气 - 液传质、成核、晶体生长和产品质量控制得到优化。特别感兴趣的是富含钙的...

挑战与未来展望
尽管在利用废物材料创造用于二氧化碳捕集的氧化钙基吸附剂方面取得了显著改进，但在这些材料的实际应用方面仍存在许多问题。主要关注点之一与碳酸化 - 煅烧循环过程中由于烧结和晶粒生长导致氧化钙基吸附剂吸附容量逐渐降低有关。尽管使用稳定剂、掺杂剂和复合结构允许...

结论
所呈现的证据确立废物衍生的氧化钙基吸附剂是用于一体化高温二氧化碳捕集、钙废物利用和循环二氧化碳管理的有前景的材料。此类吸附剂的吸引力在于它们可从多种低成本钙源中轻易获得，具有极高的理论二氧化碳吸附量，可逆的碳酸化/煅烧，以及将问题废物重新用作增值二氧化碳吸附剂的可能性。尽管如此，证据表明...

未引用参考文献
[1], [106], [107], [122], [130], [133], [134], [135], [136], [140], [141], [142], [145], [146], [148], [150], [151], [155], [156], [163], [166], [175], [178], [179], [181], [182], [185], [187], [191], [193], [3], [30], [33], [44], [45], [50], [6], [62], [65], [78], [79], [8], [80], [81], [83], [91], [92]

CRediT 作者贡献声明
Saheed Mustapha：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，验证，监督，方法学，形式分析，概念化。
Guillermo Díaz-Sainz：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，概念化。
Elijah Yanda Shaba：写作 – 原始草稿，形式分析，概念化。
Jimoh Oladejo Tijani：写作 – 审阅与编辑。
Kehinde Shola Obayomi：写作 – 审阅与编辑，形式分析。
Muhammad Muhammad Ndamitso：写作 – 审阅与编辑。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本论文中报告的工作。

致谢
作者感谢尼日利亚高等教育信托基金（编号 TETF/ES/DR&D-CE/NRF2025/SETI/SAE/00559/VOL.1）的赞助。

利益冲突
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能影响本论文中报告的工作。

Saheed Mustapha|Elijah Yanda Shaba|Guillermo Díaz-Sainz|Kehinde Shola Obayomi|Jimoh Oladejo Tijani|Ambali Saka Abdulkareem|Muhammad Muhammad Ndamitso