本文主要由论文第一作者殷枢撰写。在此，特别感谢四川大学梁斌教授团队的大力支持。谢谢大家持续关注我们~
研究背景
由于人类活动，导致大气中CO2浓度增加，从而引起全球变暖。在全球气候剧烈变化的巨大压力下，减少CO2排放势在必行。CO2的捕获、利用和封存技术(CCUS)是阻止大气中CO2浓度上升重要方法之一。其中CO2矿物储存主要利用矿物中的钙或镁成分来固定CO2并形成稳定的碳酸盐，具有巨大的储存潜力。
而CO2矿物储存中的间接矿化法，通常涉及两个连续的反应步骤：(1)使用酸性或弱酸性化学品提取钙和镁组分，(2)在碱性或弱碱性条件下进一步矿化CO2。目前间接矿化工艺研究已趋于成熟，但其反应机理的研究还不够深入。想要更好地使该技术得到更广泛的应用，其反应机理的研究必不可少。
研究成果
近日，四川大学梁斌教授课题组提出了使用(NH4)2SO4(AS)作为可回收试剂间接矿化CO2的新方法。为了节约能耗，需要在焙烧阶段发生碱性组分(例如钙和镁)的提取。为了提高提取率，我们研究了AS与高炉渣(BFS)(一种含钙镁的矿物)之间的反应动力学和机理。结果表明，该反应包括两个步骤：AS分解为硫酸氢铵(ABS)和ABS与BFS之间的反应。我们利用等温动力学和等转化方法来确定不同温度范围内的表观活化能和反应控制步骤，结果表明，AS的分解受化学反应控制。
另一方面，ABS和BFS之间的反应非常快，受AS的分解控制。在反应过程中，未反应的BFS颗粒周围有产物堆积层产生。但是，ABS可以轻易地通过该层并与BFS的未反应核反应。ABS的形成是整个焙烧过程的限制步骤。该工作于近期发表在化工三大期刊之一Industrial & Engineering Chemistry Research上(Ind. Eng. Chem. Res.)。
图文解析
1、不同样品的TGA-IR表征：
Figure1.TGA-IR spectra of the roasting process. Three-dimensional coordinates of transmittance-wave number-temperatureof (a) pure AS and (b) AS/BFS.Transmittance-wave number of (c) pure AS and (d) AS/BFS.Transmittance-temperature of (e) pure AS and (f) AS/BFS.
利用TGA-IR分析AS和BFS的混合物和纯AS(图1)。结果表明在焙烧过程中产生了氨气，同时BFS的加入降低了AS的分解温度并促进其分解。
2、焙烧后样品的SEM表征：
Figure2.SEM observation of 380 °C roasting for (a) 20 min, (b) 40 min, (c) 60min and (d) 80 min morphology in backscatter mode. (e) Analysis of the EDS image of area 1 in (d).(f) Analysis of the EDS image of area 2 in (d).
为了研究焙烧时间对焙烧产品的影响，使用AS，BFS和SiO2的混合物压片制样，焙烧后的背散射图像如图2所示。结晶产物具有两种形态(图2(d)): 六棱柱形和立方体形。EDS分析表明，六角棱柱颗粒为Al2(SO4)3，立方颗粒为CaSO4。
3、反应后BFS颗粒的形貌观察：
Figure3.(a)Morphologies of BFS particles after reaction;(b)cross sectionofBFS particles after reaction.
FIB技术被用于观察反应后BFS颗粒的内部结构。反应后的BFS颗粒的横截面和形态如图3所示。反应产物堆叠在图3(a)中的BFS颗粒的表面上。在图3(b)中，观察到BFS颗粒的横截面有明显的分层现象。
Figure4.Mapping and line scanning of cross-section of BFS particles after reaction.
图4为反应后BFS颗粒横截面的Mapping和线扫。焙烧过程中的BFS由外到内由三部分组成: (1)产物堆积累层；反应完全的产物形成晶体，堆积在BFS颗粒的最外层上。(2)反应层；ABS渗透在该区域中，与BFS反应。(3)未反应核。
研究小结
本文重点研究了AS的分解动力学及其在焙烧过程中与BFS的反应。通过对动力学数据和众多表征的分析，提出了反应过程的机理。目前，有很多关于二氧化碳矿化和动力学研究的论文。但据我们所知，目前没有研究任何种类矿物的焙烧阶段的动力学和机理的论文。该研究方法也可以应用于其他不同的矿物（蛇纹石，橄榄石等）。
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文章链接：/doi/abs/10.1021/acs.iecr.9b03109
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