用赤泥捕集二氧化碳

林建飛，李憶冬，韓敏芳，伊元榮，高立晟，戴運(yùn)澤

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2. 新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046）

中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展以及能源消費(fèi)的快速增長導(dǎo)致了CO2排放量的急劇增加，而CO2的大量排放將導(dǎo)致溫室效應(yīng)［1-2］。近年來，全球氣候變暖的趨勢進(jìn)一步加劇，已逐漸成為國際社會(huì)高度關(guān)注的熱點(diǎn)之一［3-4］。目前，針對CO2減排問題國際上主要有3種解決方案：一是提高利用效率和轉(zhuǎn)換率；二是采用替代燃料，大力發(fā)展可再生能源和新能源；三是CO2的回收和封存［5］。

赤泥是制鋁工業(yè)提取氧化鋁時(shí)排出的污染性廢渣，主要成分為SiO2，CaO，F(xiàn)e2O3，Al2O3，Na2O，TiO2，K2O等［6-7］。赤泥中堿性物質(zhì)的含量較高，赤泥pH=10.3～11.8，加水后的赤泥漿液pH=12.1～13.0［8］。由于赤泥結(jié)合的化學(xué)堿含量高且較難脫除，又含有氟、鋁及其他多種雜質(zhì)，對于赤泥的無害化利用一直難以進(jìn)行［9］。目前，赤泥的利用率僅為15%左右［10］。赤泥的堆放不僅占用大量土地、耗費(fèi)堆場建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用，而且存在于赤泥中的堿向地下滲透，造成地下水體和土壤污染［11］。隨著赤泥產(chǎn)出量的日益增加和人們對環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷提高，最大限度地限制赤泥污染、多渠道地利用赤泥，已迫在眉睫［12］。

本工作通過采用拜耳法赤泥捕集CO2，既解決了赤泥堿性污染的問題，又對CO2進(jìn)行了捕集，減緩了溫室效應(yīng)，達(dá)到雙重廢棄物綜合利用的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料和儀器

赤泥：中國鋁業(yè)山東分公司采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁時(shí)產(chǎn)生的固體廢棄物，主要含石英、赤鐵礦、鈉硅渣、磁鐵礦、一水軟鋁石、鋁針鐵礦。赤泥漿液pH=12.0，主要化學(xué)成分見表1。

表1 赤泥主要化學(xué)成分 w，%

ICP-AES型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀：美國SPECTRO Analytical Instruments公司。PHS-3B型精密數(shù)顯pH計(jì)：上海金鵬分析儀器有限公司；DDS-11C型數(shù)顯電導(dǎo)率儀：上海碩光電子科技有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

先將赤泥放入90 ℃烘箱中烘干，然后磨細(xì)，用0.3 mm方孔篩篩分后備用。

將赤泥與水按一定液固比（水體積（mL）與赤泥質(zhì)量（g）之比）制成漿液，加入常壓三相反應(yīng)池中，用電磁加熱攪拌器控制反應(yīng)溫度和攪拌轉(zhuǎn)速。將CO2氣體通入反應(yīng)池，每10 min測定一次反應(yīng)漿液電導(dǎo)率。當(dāng)反應(yīng)漿液質(zhì)量和電導(dǎo)率不發(fā)生變化時(shí)，即為反應(yīng)結(jié)束。反應(yīng)前后赤泥漿液的質(zhì)量差為捕集的CO2總質(zhì)量，每克赤泥捕集的CO2質(zhì)量為單位CO2捕集量（g/g）。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，CO2在堿性條件下可以與溶液中的鈉鹽等堿性物質(zhì)發(fā)生酸堿中和、電離反應(yīng)等［3］。由于赤泥漿液pH=12.0，采用該方法可使赤泥漿液中的堿性物質(zhì)與CO2發(fā)生中和反應(yīng)，既可實(shí)現(xiàn)赤泥對CO2的捕集，又能實(shí)現(xiàn)赤泥自身脫堿的目的。

1.3 分析方法

利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀測定赤泥脫堿前后固相中的鈉含量，計(jì)算鈉去除率。由于赤泥中的堿性成分主要為鈉的化合物，如Na2O，NaOH，Na2CO3等，所以以鈉去除率表征赤泥的脫堿率。

2 結(jié)果與討論

2.1 液固比對單位CO2捕集量的影響

在反應(yīng)溫度為25℃、攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min、CO2流量為200 mL/min的條件下，液固比對單位CO2捕集量的影響見圖1。由圖1可見：在同一反應(yīng)時(shí)間下，單位CO2捕集量隨著液固比的升高先增加后下降；當(dāng)液固比為7∶1時(shí)，反應(yīng)50 min后單位CO2捕集量可達(dá)最大值，為0.025 0 g/g；隨液固比的增加，赤泥捕集CO2達(dá)到飽和所需的時(shí)間逐漸縮短；當(dāng)液固比為9∶1時(shí)，完成捕集的時(shí)間最短，為40 min。這是由于CO2與赤泥漿液的反應(yīng)受到化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散傳質(zhì)的綜合影響。當(dāng)液固比較小時(shí)，漿液黏度大，反應(yīng)物的傳質(zhì)阻力大，同時(shí)由于漿液中固相物質(zhì)濃度大，占據(jù)了液相反應(yīng)主體的空間，阻礙了氣相反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)體系，在一定程度上減小了氣液接觸的比表面積，影響了氣液傳質(zhì)過程，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，CO2捕集量較少；隨著液固比的增大，漿液黏度及固相物質(zhì)濃度減小，反應(yīng)物傳質(zhì)速率加快，促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，CO2捕集量增加；當(dāng)液固比增大到某一程度時(shí)，由于反應(yīng)體系中堿性物質(zhì)濃度太小，不利于反應(yīng)的進(jìn)行，故CO2捕集量減少。

圖1 液固比對單位CO2捕集量的影響

2.2 反應(yīng)溫度對單位CO2捕集量的影響

在液固比為7∶1、攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min、CO2流量為200 mL/min的條件下，反應(yīng)溫度對單位CO2捕集量的影響見圖2。由圖2可見：隨反應(yīng)溫度的升高，赤泥的單位CO2捕集量逐漸減小；當(dāng)反應(yīng)溫度為30 ℃時(shí)，單位CO2捕集量達(dá)到最大，為0.026 0 g/g；隨反應(yīng)溫度的升高，赤泥捕集CO2達(dá)到飽和所需的時(shí)間逐漸縮短；反應(yīng)溫度為90 ℃時(shí)，捕集CO2達(dá)到飽和所需時(shí)間僅為20 min。原因可能是：隨著溫度升高，CO2在赤泥漿液中的溶解度減小，盡管化學(xué)反應(yīng)速率隨著溫度的上升而加快，但是CO2溶解度下降的速率更快。因此溫度越高，反應(yīng)漿液中CO2濃度越低，赤泥對CO2捕集量下降。

圖2 反應(yīng)溫度對單位CO2捕集量的影響

2.3 攪拌轉(zhuǎn)速對單位CO2捕集量的影響

在液固比為7∶1、反應(yīng)溫度為30 ℃、CO2流量為200 mL/min的條件下，攪拌轉(zhuǎn)速對單位CO2捕集量的影響見圖3。由圖3可見：赤泥捕集CO2達(dá)到飽和時(shí)的單位CO2捕集量隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小；反應(yīng)80 min后，攪拌轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)的單位CO2捕集量達(dá)到最大值，為0.026 3 g/g。這是由于：攪拌速率增大會(huì)使CO2和赤泥顆粒在溶液中的分布更加均勻，從而提高氣液相接觸面積，促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行；但攪拌轉(zhuǎn)速過大則會(huì)導(dǎo)致氣固相反應(yīng)物受離心力影響而混合不均勻，造成CO2在反應(yīng)體系中的停留時(shí)間縮短，導(dǎo)致赤泥對CO2捕集量下降。

圖3 攪拌轉(zhuǎn)速對單位CO2捕集量的影響

2.4 CO2流量對單位CO2捕集量的影響

在液固比為7∶1、反應(yīng)溫度為30 ℃、攪拌轉(zhuǎn)速為500 r/min的條件下，CO2流量對單位CO2捕集量的影響見圖4。由圖4可見：赤泥對CO2的單位捕集量隨CO2流量的升高而先增大后減小；當(dāng)CO2流量為200 mL/min時(shí)，單位CO2捕集量達(dá)0.026 3 g/g。這是由于：CO2流量較小時(shí)，溶于反應(yīng)漿液中的CO2濃度過低，反應(yīng)速率慢，不利于CO2的捕集；隨CO2流量的增加，溶于反應(yīng)漿液中的CO2濃度上升，反應(yīng)加快，從而增加了CO2的捕集；當(dāng)CO2流量增加達(dá)到一定值時(shí)，由于氣體流速過快，CO2還未來得及溶于漿液就以大氣泡的形式穿過了反應(yīng)體系，因此不利于CO2的捕集。

圖4 CO2流量對單位CO2捕集量的影響

2.5 赤泥的脫堿效果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同反應(yīng)條件對赤泥脫堿率的影響規(guī)律與對單位CO2捕集量的影響規(guī)律基本相同；在液固比為7∶1、反應(yīng)溫度為30 ℃、攪拌轉(zhuǎn)速為500 r/min、CO2流量為200 mL/min的條件下，用赤泥捕集CO2，赤泥的脫堿率最高達(dá)42.43%。CO2對赤泥進(jìn)行脫堿的能力較為有限，因此仍需尋找更加適合的工藝條件或加入輔助藥劑才可達(dá)到對赤泥進(jìn)一步脫堿的目的。

3 結(jié)論

a）采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁產(chǎn)生的赤泥作為CO2捕集劑。在液固比為7∶1、反應(yīng)溫度為30 ℃、攪拌轉(zhuǎn)速為500 r/min、CO2流量為200 mL/min的最佳實(shí)驗(yàn)條件下，最大單位CO2捕集量為0.026 3 g/g。

b）不同反應(yīng)條件對赤泥脫堿率的影響規(guī)律與對單位CO2捕集量的影響規(guī)律基本相同。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，赤泥的脫堿率最高達(dá)42.43%。

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