二氧化碳新型储集材料及资源化利用

从碳循环经济和绿色化学的角度出发，将CO2固定并转化为高附加值化学品的CCU途径较CCS途径更具意义，必将成为CO2的主流控制途径。根据利用方式的差异，CO2的利用可分为物理利用和化学利用。其中，CO2的化学利用是降低大气中CO2浓度的根本途径之一，而发展高效的CO2化学转化途径是实现CO2减量化和资源化利用的重点与难点，也是解决“温室效应”和实现碳循环经济可持续发展的重要途径。近年来，将CO2作为C1资源转化为高附加值的化学品成为CO2化学利用研究的热点之一，尤其是开发新的CO2转化途径是当前绿色化学和可持续化学领域的重大课题，也是具挑战性的课题。本书作者多年从事二氧化碳捕集与综合利用方面的研究工作。本书系统介绍了二氧化碳的捕集与利用新技术。与已经出版的图书相比较，本书作者介绍了各类二氧化碳储集材料的构建机理，重点介绍了二氧化碳储集材料在储能、植物生长、多孔硅材料、聚碳酸酯等领域的应用。

大气CO2浓度逐年升高，已达400mL/m3以上，远超自然调节范围(180～280mL/m3)，由此带来的温室效应及全球气候变暖已成国际热点问题。2020年9月22日，习近平总书记代表中国政府对外宣布“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，使得我国CO2减排任务尤为紧迫。
CO2减排、捕集及资源化途径主要涉及碳捕集与封存(carbon capture and storage，CCS)和碳捕集与利用(carbon capture and utilization，CCU)。从碳循环经济和绿色化学角度出发，将CO2作为一种C1资源固定并转化为高附加值化学品的CCU途径是降低大气中CO2浓度的重要途径，较以CO2为废弃物进行封存的CCS途径更具意义，而发展CO2高效捕集和转化技术是实现CCU途径的重点与难点，也是解决“温室效应”和实现碳循环经济可持续发展的开发热点。
不论是CCS还是CCU，均需首先捕集CO2。CO2捕集方法众多，涉及吸收法、吸附法、膜分离法等，其中以胺（氨）化学吸收法捕碳应用最广。传统醇-胺捕集法应用于工业时，每小时处理14900m3含CO2废气，胺的使用成本约为400万元人民币(内蒙古某企业现场数据)，这显然造成了企业的成本增加。
自2009年，笔者的研究组分别以乙二醇类多元醇(EGs)-乙二胺类多元胺(EDAs)组成类离子液体体系，以此对CO2进行捕集研究发现，通过醇和胺之间的分子间氢键及离子化作用，可对乙二胺类进行有效固定。形成的溶液可以实现烟气CO2回收率高于99%，胺再生率高于90%，胺损失率降低80%。研究过程机理发现，“EGs-EDAs体系”在CO2捕集过程中形成的一种新物质，即烷基碳酸铵盐，我们将其命名为“二氧化碳储集材料(CO2SM)”。为了扩展“EGs-EDAs体系”的使用范围，本专著论述了对20多个类似体系的密度、黏度、表面张力等基础理化性质的研究，这些体系对CO2进行吸收，均可合成CO2SM，普适性强。继而，我们还以CO2SM为CO2原料探讨了其用于原料、碳源等在合成纳米碳酸钙、碳酸钡、碳酸锶、碳酸铈、碳酸锰、吸附材料等方面的性能，还考察其用作植物生长促进剂的性能，以及用作原料合成聚氨酯的可行性。
本书主要总结了笔者研究团队在CO2捕集与转化方面近十年的主要研究工作。重点介绍了新型CO2醇-胺捕集体系的构建、CO2SM的创建及应用。第1章以CO2的产生及危害、捕集与转化利用开篇，分析了其捕集与转化利用的前景。第2章介绍了醇-胺类离子液体储集体系的构建，以及醇-胺体系常见基础理化性质的测定。第3章为CO2SM的构建、表征及合成机制。第4章以CO2SM为CO2原料探讨了其作为原料、碳源等在合成纳米碳酸盐方面的应用。第5章介绍了CO2SM激活植物生长的研究。第6章讨论了CO2SM用于多孔硅材料的制备。第7章研究了CO2SM基聚氨酯的制备。最后，对CO2捕集与转化利用未来的发展进行了展望。
本书由河北工业大学张建斌和北京大学魏雄辉共同撰写。参与资料收集、数据整理的人员包括唐文静、高雅君、郭波、赵天翔、沙峰、赵静、刘肖瑶、杨新雨、马良、赵博生、刘畅、赵龙、岳晓晴、吴宇、张帅、杨廷玉等。另外，刘宣、艾佳佳、吴佳霖、秦星等同志参加了本书的核对工作。
本书涉及的研究内容得到了国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才项目、内蒙古草原英才项目、内蒙古科技攻关项目等的经费支持；同时，本书还得到了河北工业大学“元光学者”特聘教授专项经费的大力支持，在此一并感谢。
本书是首次探索性撰写，由于著者知识水平和能力有限，经验还存在一些不足，书中难免有遗漏、偏颇乃至不妥之处，著者在此恳请广大读者批评指正并多提宝贵意见，以便再版时加以改正和完善。

张建斌 魏雄辉
2023年2月

张建斌，河北工业大学化工学院，教授、博导，张建斌，天津市武清人，博士，教授，博士生导师，2020年就职于河北工业大学化工学院。现为教育部首批“双带头人”教师党支部书记工作室书记，内蒙古CO2捕集与资源化利用工程技术研究中心主任，内蒙古煤基CO2捕集与资源化创新人才团队负责人。
2005-2009年就读于北京大学化学与分子工程学院，获得理学博士学位；2013-2014年北京大学中组部西部之光访问学者；2019-2020年美国麻省理工学院访问学者。
1．研究方向
【1】 二氧化碳化学与化工
【2】 有机产品生化工程
【3】 环境污染控制及资源化
【4】 金属卟啉化学
2．主讲课程
【1】 本科生课程：生物分离工程
【2】 研究生课程：化工科技写作
3．学术兼职或专家称谓
【1】 中国化工学会离子液体专业委员会委员；
【2】 教育部新世纪优秀人才；
【3】 内蒙古草原英才。

本书重点介绍了新型CO2醇-胺捕集体系的构建、二氧化碳储集材料（CO2SM）的创建及应用。以CO2的产生及危害、捕集与转化利用开篇，分析了其捕集与转化利用的前景；介绍了醇-胺类离子液体储集体系的构建，以及醇-胺体系常见基础理化性质的测定及CO2SM的构建、表征及合成机制；探讨了其用于原料、碳源等在合成纳米碳酸盐方面的应用，如CO2SM激活植物生长研究、CO2SM用于多孔硅材料的制备、CO2SM基聚氨酯的制备等，最后对CO2捕集与转化利用未来的发展进行了展望。
本书不仅适用于化学、化工、冶金等领域从事二氧化碳捕集的工程技术人员、从事二氧化碳利用的研发人员，也可作为企业、政府等从事碳减排管理的工作人员及相关专业的硕士、博士等的学习参考资料。

第1章概述1
1.1二氧化碳的产生及危害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膜分离法8
1.2.4微生物法9
1.2.5气体水合物法9
1.2.6化学循环燃烧法10
1.2.7离子液体法10
1.3二氧化碳的资源化利用11
1.3.1CO2矿化为无机碳酸盐材料12
1.3.2CO2用作植物生长促进剂14
1.3.3CO2合成聚氨酯技术16
参考文献17

第2章醇-胺类离子液体储集体系的构建25
2.1类离子液体储集体系的构建依据25
2.2类离子液体储集体系基础理化性质数据库的建立26
2.2.1密度及超额摩尔体积26
2.2.2黏度测定28
2.2.3表面张力29
2.2.4混合溶液的电导性质29
2.3醇-胺类离子液体储集体系分子间的相互作用30
参考文献35

第3章二氧化碳储集材料的构建38
3.1材料构建吸收过程的控制38
3.1.1EDA+EG体系吸收CO2的性能38
3.1.2（EDA+EG）水溶液体系吸收CO2的性能40
3.1.3（EDA+EG）水溶液体系循环吸收-解吸CO2的性能42
3.1.4类离子液体水溶液吸收CO2技术44
3.2二氧化碳储集材料的构建及性质46
3.2.1二氧化碳储集材料的构建46
3.2.2二氧化碳储集材料的表征及功能47
3.2.3二氧化碳储集材料的热性质54
3.2.4二氧化碳储集材料的合成机制54
参考文献57

第4章二氧化碳储集材料调控纳米碳酸盐的制备及功能59
4.1二氧化碳储集材料调控纳米碳酸钙的制备及功能59
4.1.1二氧化碳储集材料水热调控制备纳米碳酸钙60
4.1.2搅拌法碳酸钙粉体的调控制备74
4.1.3二氧化碳储集材料调控电石渣制备碳酸钙粉体83
4.1.4超声波法制备纳米碳酸钙91
4.1.5不同钙源基碳酸钙粉体的制备103
4.1.6碳酸钙应用初探114
4.2二氧化碳储集材料调控制备纳米碳酸锶、钡及胺的导向作用123
4.2.1二氧化碳储集材料调控纳米碳酸锶的制备123
4.2.2二氧化碳储集材料调控纳米碳酸钡的制备134
4.2.3胺的导向作用144
4.2.4基于胺导向作用碳酸盐的制备162
4.3二氧化碳储集材料调控碳酸铈的制备及表征166
4.4二氧化碳储集材料调控碳酸锰的制备及表征193
参考文献201

第5章二氧化碳储集材料激活植物生长的研究207
5.1CO2源肥料的研究现状207
5.1.1气态CO2施肥技术的应用207
5.1.2固态CO2源肥料的应用211
5.1.3CO2对植物生长的影响212
5.2激活材料对植物生长的影响213
5.2.1CO2SM对植物营养生长的影响214
5.2.2CO2SM对植物生殖生长的影响220
5.2.3CO2SM对土壤的影响221
参考文献223

第6章二氧化碳储集材料用于多孔硅材料的制备227
6.1煤矸石基多孔硅材料的制备及吸附性能228
6.1.1煤矸石利用的意义228
6.1.2煤矸石的活化230
6.1.3煤矸石中硅质的提取232
6.1.4硅酸钠基多孔硅材料的调控制备235
6.1.5煤矸石基多孔硅材料的调控制备及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燃煤炉渣基多孔硅材料的制备及吸附性能271
6.2.1燃煤炉渣利用的意义271
6.2.2燃煤炉渣中硅质的提取273
6.2.3燃煤炉渣源PSM的制备及吸附性能280
6.2.4炉渣基PSM吸附苯酚的研究286
参考文献291

第7章二氧化碳储集材料基聚氨酯的制备295
7.1聚氨酯市场价值及制备意义295
7.1.1聚氨酯市场价值295
7.1.2CO2基聚氨酯的研究现状296
7.2二氧化碳储集材料制备聚氨酯的研究298
7.2.1二氧化碳储集材料制备聚氨酯的方法298
7.2.2聚氨酯的分离与提纯299
7.2.3各种因素对聚氨酯产量的影响299
7.2.4以CO2SM为原料合成的聚氨酯的性质304
参考文献312

第8章二氧化碳捕集与资源化利用技术展望316
8.1国家中长期科学与技术发展规划纲要指南316
8.1.1CO2捕集技术317
8.1.2CO2输送工程技术317
8.1.3CO2利用技术318
8.1.4CO2地质封存技术318
8.1.5大规模集成示范318
8.2二氧化碳捕集与资源化利用研究展望319
8.2.1CO2的捕集319
8.2.2CO2的资源化319