电石渣与粉煤灰耦合矿化CO2的固碳性能提升机制与协同效应研究

针对工业固废与CO2排放双重环境问题，研究人员创新性地采用电石渣(CS)与粉煤灰(FA)耦合矿化技术，系统探究了配比、液固比及气体流速对CO2矿化效率的影响。研究发现CS与FA存在协同效应，最高可使矿化效率提升23.3%，表面覆盖模型揭示表面反应为限速步骤，为工业固废资源化与碳减排提供了理论支撑与技术路径。

　　

全球工业化进程加速导致CO₂排放量与工业固废堆积问题日益严峻，二者共同威胁生态环境与人类可持续发展。传统矿物碳封存技术存在反应速率慢、能耗高等瓶颈，而富含钙镁组分的工业固废如电石渣(CS)和粉煤灰(FA)展现出更高的反应活性与成本优势。如何通过固废协同效应提升CO₂矿化效率，成为当前环境与能源领域的研究热点。

新疆维吾尔自治区自然科学基金青年项目支持的研究团队在《Fuel Communications》发表论文，首次系统探究了CS与FA耦合矿化CO₂的协同机制。研究人员通过调控CS:FA配比(1:9至9:1)、液固比(5-20 mL/g)和气体流速(200-1100 mL/min)等参数，结合热重分析(TG)、扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)和X射线衍射(XRD)等技术，揭示了固废耦合对CO₂矿化性能的增强规律与反应动力学特征。

关键实验方法
研究采用化学工厂提供的CS和锅炉厂提供的FA为原料，通过粒径分布分析和化学成分测定明确材料特性。实验设计五组不同CS:FA配比(9:1至1:9)，在恒温反应器中通入CO₂气体，采用TG量化碳封存量，结合SEM-EDS观察产物形貌与元素分布，XRD与傅里叶红外光谱(FT-IR)分析物相转变，并建立表面覆盖模型解析反应动力学。

研究结果

1. 耦合比例对固碳性能的影响
   CS占比增加使矿化效率提升率呈现先升后降趋势，峰值达23.3%（CS:FA=7:3），表明适量CS可激活FA中镁硅组分的协同作用。当CS占比超过70%时，由于FA活性位点减少，效率提升率降至3.6%。

2. 液固比与气体流速的调控效应
   液固比从5 mL/g增至20 mL/g时，矿化效率降低9.42%，高液相环境稀释了活性组分浓度。气体流速在200-1100 mL/min范围内存在最优值（约600 mL/min），此时CO₂传质速率与表面反应达到平衡，效率峰值达53.08%。

3. 反应机制解析
   表面覆盖模型表明，矿化反应受表面化学反应控制而非扩散控制。CS中Ca(OH)₂与FA中CaSiO₃、MgFe_0.23Al_1.77O₄等组分通过形成CaCO₃/MgCO₃实现CO₂固定，SEM显示矿化产物呈现多孔结构，XRD证实方解石为主要结晶相。

结论与意义
该研究证实CS与FA耦合可通过组分协同将CO₂矿化效率最高提升17.9%，为工业固废"以废治废"提供了新思路。表面反应主导的动力学特征提示可通过纳米结构修饰进一步优化反应界面。研究成果不仅推动碳捕集利用与封存(CCUS)技术低成本化，更为新疆等能源富集区的固废资源化与碳中和目标达成提供了关键技术支撑。作者Jianjiang Wang团队强调，未来需探索Mn/Ce等改性手段对耦合体系孔隙结构的调控作用，以突破现有效率瓶颈。