用赤泥捕集二氧化碳

林建飛，李憶冬，韓敏芳，伊元榮，高立晟，戴運澤

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

中國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展以及能源消費的快速增長導致了CO2排放量的急劇增加，而CO2的大量排放將導致溫室效應(yīng)［1-2］。近年來，全球氣候變暖的趨勢進一步加劇，已逐漸成為國際社會高度關(guān)注的熱點之一［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、耗費堆場建設(shè)和維護費用，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)境保護意識的不斷提高，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進行了捕集，減緩了溫室效應(yīng)，達到雙重廢棄物綜合利用的目的。

1 實驗部分

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，主要化學成分見表1。

表1 赤泥主要化學成分 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：上海金鵬分析儀器有限公司；DDS-11C型數(shù)顯電導率儀：上海碩光電子科技有限公司。

1.2 實驗方法

先將赤泥放入90 ℃烘箱中烘干，然后磨細，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)漿液電導率。當反應(yīng)漿液質(zhì)量和電導率不發(fā)生變化時，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)，既可實現(xiàn)赤泥對CO2的捕集，又能實現(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)時間下，單位CO2捕集量隨著液固比的升高先增加后下降；當液固比為7∶1時，反應(yīng)50 min后單位CO2捕集量可達最大值，為0.025 0 g/g；隨液固比的增加，赤泥捕集CO2達到飽和所需的時間逐漸縮短；當液固比為9∶1時，完成捕集的時間最短，為40 min。這是由于CO2與赤泥漿液的反應(yīng)受到化學反應(yīng)和擴散傳質(zhì)的綜合影響。當液固比較小時，漿液黏度大，反應(yīng)物的傳質(zhì)阻力大，同時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，促進了化學反應(yīng)的進行，CO2捕集量增加；當液固比增大到某一程度時，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??；當反應(yīng)溫度為30 ℃時，單位CO2捕集量達到最大，為0.026 0 g/g；隨反應(yīng)溫度的升高，赤泥捕集CO2達到飽和所需的時間逐漸縮短；反應(yīng)溫度為90 ℃時，捕集CO2達到飽和所需時間僅為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達到飽和時的單位CO2捕集量隨攪拌轉(zhuǎn)速的增加先增大后減??；反應(yīng)80 min后，攪拌轉(zhuǎn)速為500 r/min時的單位CO2捕集量達到最大值，為0.026 3 g/g。這是由于：攪拌速率增大會使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，促進了反應(yīng)的進行；但攪拌轉(zhuǎn)速過大則會導致氣固相反應(yīng)物受離心力影響而混合不均勻，造成CO2在反應(yīng)體系中的停留時間縮短，導致赤泥對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??；當CO2流量為200 mL/min時，單位CO2捕集量達0.026 3 g/g。這是由于：CO2流量較小時，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CO2流量增加達到一定值時，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

實驗結(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42.43%。CO2對赤泥進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到對赤泥進一步脫堿的目的。

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的最佳實驗條件下，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。在最佳實驗條件下，赤泥的脫堿率最高達42.43%。

［1］ 伊元榮，韓敏芳. 廢氣和廢渣協(xié)同作用脫鈉反應(yīng)特性及機制研究［J］. 環(huán)境科學，2012，33（7）：2522 -2527.

［2］ 楊子暉. 經(jīng)濟增長、能源消費與二氧化碳排放的動態(tài)關(guān)系研究［J］. 世界經(jīng)濟，2011（6）：100-125.

［3］ 劉小川，汪曾濤. 二氧化碳減排政策比較以及我國的優(yōu)化選擇［J］. 上海財經(jīng)大學學報，2009，11（4）：73-88.

［4］ 馬倩倩，孫秀雅，孟波，等. 二氧化碳減排技術(shù)的研究進展［J］. 遼寧化工，2009，38（3）：176-179.

［5］ 陳曉進. 國外二氧化碳減排研究及對我國的啟示［J］.國際技術(shù)經(jīng)濟研究，2006，9（3）：21-25.

［6］ 南相莉，張延安，劉燕，等. 我國主要赤泥種類及其對環(huán)境的影響［J］. 過程工程學報，2009，9（1）：459-464.

［7］ 南相莉，張廷安，劉燕，等. 我國赤泥的綜合利用分析［J］. 過程工程學報，2010，10（1）：264-270.

［8］ 李小雷，王利英，宋艷艷，等. 義翔鋁業(yè)拜耳法赤泥常壓石灰法脫堿工藝研究［J］. 科教前沿，2010，25：24-25.

［9］ Namasivayam C. Treatment of dairy waster water using waster red mud［J］. Res Ind，1992，37（3）：165 -167.

［10］ 楊艾華. 石灰燒結(jié)法赤泥組成及脫堿方法的研究［D］. 貴陽：貴州大學應(yīng)用化學系，2007.

［11］ 賴蘭萍，周李蕾，韓磊，等. 赤泥綜合回收與利用現(xiàn)狀及進展［J］. 四川有色金屬，2008（1）：43-48.

［12］ 南相莉，張廷安，劉燕，等. 我國赤泥綜合利用分析［J］. 過程工程學報，2010，10：264-270.