二氧化碳新型儲集材料及資源化利用

從碳循環經濟和綠色化學的角度出發，將CO2固定并轉化為高附加值化學品的CCU途徑較CCS途徑更具意義，必將成為CO2的主流控制途徑。根據利用方式的差異，CO2的利用可分為物理利用和化學利用。其中，CO2的化學利用是降低大氣中CO2濃度的根本途徑之一，而發展高效的CO2化學轉化途徑是實現CO2減量化和資源化利用的重點與難點，也是解決“溫室效應”和實現碳循環經濟可持續發展的重要途徑。近年來，將CO2作為C1資源轉化為高附加值的化學品成為CO2化學利用研究的熱點之一，尤其是開發新的CO2轉化途徑是當前綠色化學和可持續化學領域的重大課題，也是具挑戰性的課題。本書作者多年從事二氧化碳捕集與綜合利用方面的研究工作。本書系統介紹了二氧化碳的捕集與利用新技術。與已經出版的圖書相比較，本書作者介紹了各類二氧化碳儲集材料的構建機理，重點介紹了二氧化碳儲集材料在儲能、植物生長、多孔硅材料、聚碳酸酯等領域的應用。

大氣CO2濃度逐年升高，已達400mL/m3以上，遠超自然調節范圍(180～280mL/m3)，由此帶來的溫室效應及全球氣候變暖已成國際熱點問題。2020年9月22日，習近平總書記代表中國政府對外宣布“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”，使得我國CO2減排任務尤為緊迫。
CO2減排、捕集及資源化途徑主要涉及碳捕集與封存(carbon capture and storage，CCS)和碳捕集與利用(carbon capture and utilization，CCU)。從碳循環經濟和綠色化學角度出發，將CO2作為一種C1資源固定并轉化為高附加值化學品的CCU途徑是降低大氣中CO2濃度的重要途徑，較以CO2為廢棄物進行封存的CCS途徑更具意義，而發展CO2高效捕集和轉化技術是實現CCU途徑的重點與難點，也是解決“溫室效應”和實現碳循環經濟可持續發展的開發熱點。
不論是CCS還是CCU，均需首先捕集CO2。CO2捕集方法眾多，涉及吸收法、吸附法、膜分離法等，其中以胺（氨）化學吸收法捕碳應用最廣。傳統醇-胺捕集法應用于工業時，每小時處理14900m3含CO2廢氣，胺的使用成本約為400萬元人民幣(內蒙古某企業現場數據)，這顯然造成了企業的成本增加。
自2009年，筆者的研究組分別以乙二醇類多元醇(EGs)-乙二胺類多元胺(EDAs)組成類離子液體體系，以此對CO2進行捕集研究發現，通過醇和胺之間的分子間氫鍵及離子化作用，可對乙二胺類進行有效固定。形成的溶液可以實現煙氣CO2回收率高于99%，胺再生率高于90%，胺損失率降低80%。研究過程機理發現，“EGs-EDAs體系”在CO2捕集過程中形成的一種新物質，即烷基碳酸銨鹽，我們將其命名為“二氧化碳儲集材料(CO2SM)”。為了擴展“EGs-EDAs體系”的使用范圍，本專著論述了對20多個類似體系的密度、黏度、表面張力等基礎理化性質的研究，這些體系對CO2進行吸收，均可合成CO2SM，普適性強。繼而，我們還以CO2SM為CO2原料探討了其用于原料、碳源等在合成納米碳酸鈣、碳酸鋇、碳酸鍶、碳酸鈰、碳酸錳、吸附材料等方面的性能，還考察其用作植物生長促進劑的性能，以及用作原料合成聚氨酯的可行性。
本書主要總結了筆者研究團隊在CO2捕集與轉化方面近十年的主要研究工作。重點介紹了新型CO2醇-胺捕集體系的構建、CO2SM的創建及應用。第1章以CO2的產生及危害、捕集與轉化利用開篇，分析了其捕集與轉化利用的前景。第2章介紹了醇-胺類離子液體儲集體系的構建，以及醇-胺體系常見基礎理化性質的測定。第3章為CO2SM的構建、表征及合成機制。第4章以CO2SM為CO2原料探討了其作為原料、碳源等在合成納米碳酸鹽方面的應用。第5章介紹了CO2SM激活植物生長的研究。第6章討論了CO2SM用于多孔硅材料的制備。第7章研究了CO2SM基聚氨酯的制備。最后，對CO2捕集與轉化利用未來的發展進行了展望。
本書由河北工業大學張建斌和北京大學魏雄輝共同撰寫。參與資料收集、數據整理的人員包括唐文靜、高雅君、郭波、趙天翔、沙峰、趙靜、劉肖瑤、楊新雨、馬良、趙博生、劉暢、趙龍、岳曉晴、吳宇、張帥、楊廷玉等。另外，劉宣、艾佳佳、吳佳霖、秦星等同志參加了本書的核對工作。
本書涉及的研究內容得到了國家自然科學基金、教育部新世紀優秀人才項目、內蒙古草原英才項目、內蒙古科技攻關項目等的經費支持；同時，本書還得到了河北工業大學“元光學者”特聘教授專項經費的大力支持，在此一并感謝。
本書是首次探索性撰寫，由于著者知識水平和能力有限，經驗還存在一些不足，書中難免有遺漏、偏頗乃至不妥之處，著者在此懇請廣大讀者批評指正并多提寶貴意見，以便再版時加以改正和完善。

張建斌 魏雄輝
2023年2月

張建斌，河北工業大學化工學院，教授、博導，張建斌，天津市武清人，博士，教授，博士生導師，2020年就職于河北工業大學化工學院?，F為教育部首批“雙帶頭人”教師黨支部書記工作室書記，內蒙古CO2捕集與資源化利用工程技術研究中心主任，內蒙古煤基CO2捕集與資源化創新人才團隊負責人。
2005-2009年就讀于北京大學化學與分子工程學院，獲得理學博士學位；2013-2014年北京大學中組部西部之光訪問學者；2019-2020年美國麻省理工學院訪問學者。
1．研究方向
【1】 二氧化碳化學與化工
【2】 有機產品生化工程
【3】 環境污染控制及資源化
【4】 金屬卟啉化學
2．主講課程
【1】 本科生課程：生物分離工程
【2】 研究生課程：化工科技寫作
3．學術兼職或專家稱謂
【1】 中國化工學會離子液體專業委員會委員；
【2】 教育部新世紀優秀人才；
【3】 內蒙古草原英才。

本書重點介紹了新型CO2醇-胺捕集體系的構建、二氧化碳儲集材料（CO2SM）的創建及應用。以CO2的產生及危害、捕集與轉化利用開篇，分析了其捕集與轉化利用的前景；介紹了醇-胺類離子液體儲集體系的構建，以及醇-胺體系常見基礎理化性質的測定及CO2SM的構建、表征及合成機制；探討了其用于原料、碳源等在合成納米碳酸鹽方面的應用，如CO2SM激活植物生長研究、CO2SM用于多孔硅材料的制備、CO2SM基聚氨酯的制備等，最后對CO2捕集與轉化利用未來的發展進行了展望。
本書不僅適用于化學、化工、冶金等領域從事二氧化碳捕集的工程技術人員、從事二氧化碳利用的研發人員，也可作為企業、政府等從事碳減排管理的工作人員及相關專業的碩士、博士等的學習參考資料。

第1章概述1
1.1二氧化碳的產生及危害1
1.2二氧化碳的捕集2
1.2.1吸收法3
1.2.2吸附法5
1.2.3膜分離法8
1.2.4微生物法9
1.2.5氣體水合物法9
1.2.6化學循環燃燒法10
1.2.7離子液體法10
1.3二氧化碳的資源化利用11
1.3.1CO2礦化為無機碳酸鹽材料12
1.3.2CO2用作植物生長促進劑14
1.3.3CO2合成聚氨酯技術16
參考文獻17

第2章醇-胺類離子液體儲集體系的構建25
2.1類離子液體儲集體系的構建依據25
2.2類離子液體儲集體系基礎理化性質數據庫的建立26
2.2.1密度及超額摩爾體積26
2.2.2黏度測定28
2.2.3表面張力29
2.2.4混合溶液的電導性質29
2.3醇-胺類離子液體儲集體系分子間的相互作用30
參考文獻35

第3章二氧化碳儲集材料的構建38
3.1材料構建吸收過程的控制38
3.1.1EDA+EG體系吸收CO2的性能38
3.1.2（EDA+EG）水溶液體系吸收CO2的性能40
3.1.3（EDA+EG）水溶液體系循環吸收-解吸CO2的性能42
3.1.4類離子液體水溶液吸收CO2技術44
3.2二氧化碳儲集材料的構建及性質46
3.2.1二氧化碳儲集材料的構建46
3.2.2二氧化碳儲集材料的表征及功能47
3.2.3二氧化碳儲集材料的熱性質54
3.2.4二氧化碳儲集材料的合成機制54
參考文獻57

第4章二氧化碳儲集材料調控納米碳酸鹽的制備及功能59
4.1二氧化碳儲集材料調控納米碳酸鈣的制備及功能59
4.1.1二氧化碳儲集材料水熱調控制備納米碳酸鈣60
4.1.2攪拌法碳酸鈣粉體的調控制備74
4.1.3二氧化碳儲集材料調控電石渣制備碳酸鈣粉體83
4.1.4超聲波法制備納米碳酸鈣91
4.1.5不同鈣源基碳酸鈣粉體的制備103
4.1.6碳酸鈣應用初探114
4.2二氧化碳儲集材料調控制備納米碳酸鍶、鋇及胺的導向作用123
4.2.1二氧化碳儲集材料調控納米碳酸鍶的制備123
4.2.2二氧化碳儲集材料調控納米碳酸鋇的制備134
4.2.3胺的導向作用144
4.2.4基于胺導向作用碳酸鹽的制備162
4.3二氧化碳儲集材料調控碳酸鈰的制備及表征166
4.4二氧化碳儲集材料調控碳酸錳的制備及表征193
參考文獻201

第5章二氧化碳儲集材料激活植物生長的研究207
5.1CO2源肥料的研究現狀207
5.1.1氣態CO2施肥技術的應用207
5.1.2固態CO2源肥料的應用211
5.1.3CO2對植物生長的影響212
5.2激活材料對植物生長的影響213
5.2.1CO2SM對植物營養生長的影響214
5.2.2CO2SM對植物生殖生長的影響220
5.2.3CO2SM對土壤的影響221
參考文獻223

第6章二氧化碳儲集材料用于多孔硅材料的制備227
6.1煤矸石基多孔硅材料的制備及吸附性能228
6.1.1煤矸石利用的意義228
6.1.2煤矸石的活化230
6.1.3煤矸石中硅質的提取232
6.1.4硅酸鈉基多孔硅材料的調控制備235
6.1.5煤矸石基多孔硅材料的調控制備及CO2吸附性能251
6.1.6多孔硅材料改性及CO2吸附性能263
6.2燃煤爐渣基多孔硅材料的制備及吸附性能271
6.2.1燃煤爐渣利用的意義271
6.2.2燃煤爐渣中硅質的提取273
6.2.3燃煤爐渣源PSM的制備及吸附性能280
6.2.4爐渣基PSM吸附苯酚的研究286
參考文獻291

第7章二氧化碳儲集材料基聚氨酯的制備295
7.1聚氨酯市場價值及制備意義295
7.1.1聚氨酯市場價值295
7.1.2CO2基聚氨酯的研究現狀296
7.2二氧化碳儲集材料制備聚氨酯的研究298
7.2.1二氧化碳儲集材料制備聚氨酯的方法298
7.2.2聚氨酯的分離與提純299
7.2.3各種因素對聚氨酯產量的影響299
7.2.4以CO2SM為原料合成的聚氨酯的性質304
參考文獻312

第8章二氧化碳捕集與資源化利用技術展望316
8.1國家中長期科學與技術發展規劃綱要指南316
8.1.1CO2捕集技術317
8.1.2CO2輸送工程技術317
8.1.3CO2利用技術318
8.1.4CO2地質封存技術318
8.1.5大規模集成示范318
8.2二氧化碳捕集與資源化利用研究展望319
8.2.1CO2的捕集319
8.2.2CO2的資源化319