Производство спеченного тела с накоплением углерода с использованием микроволновой печи

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 5122 (2023) Цитировать эту статью

644 доступа

Подробности о метриках

В данном исследовании было исследовано микроволновое спекание образцов летучей золы с большим количеством несгоревшего углерода и CaCO3. С этой целью CaCO3 смешивали со спеченным телом из летучей золы для фиксации CO2. Разложение СаСО3 наблюдалось при нагревании сырья до 1000 °С с помощью микроволнового облучения; однако спеченное изделие, содержащее арагонит, было получено, когда сырье было нагрето до 1000 ° C с добавлением воды. Кроме того, карбиды в летучей золе можно избирательно нагревать, контролируя микроволновое излучение. Микроволновое магнитное поле создавало температурный градиент 100 °C в узкой области 2,7 мкм или менее в спеченном изделии и помогало подавить разложение CaCO3 в смеси во время спекания. За счет хранения воды в газовой фазе перед распространением CaCO3, который трудно спекать при обычном нагреве, можно спекать без разложения.

Декарбонизация приобретает все больший интерес для построения устойчивого общества. В ноябре 2021 года в Великобритании прошла 26-я Конференция сторон Рамочной конвенции ООН об изменении климата, на которой были распространены амбициозные усилия Японии в области изменения климата1. Быстрый переход к углеродно-нейтральному обществу к 2050 году необходим не только в Японии, но и во всем мире. При этом все большее внимание уделяется эффективной утилизации промышленных отходов, таких как летучая зола угольных электростанций и бетонный шлак. Попытки улавливать и фиксировать CO2 в бетоне и шлаке оказались успешными2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Производство цемента производит примерно 0,8 кг CO2 на кг цемента, что составляет примерно 5–8% мировых выбросов CO22. Несколько исследований по связыванию CO2 с бетоном были сосредоточены на карбонизации отходов бетонного раствора (CSW). Об исследованиях термодинамической карбонизации CSW в контролируемой среде сообщалось в фундаментальных исследованиях2,3,4, прикладных исследованиях4,5, теории6 и масштабировании7, и они привлекают все большее внимание как технология улавливания и хранения углерода, которая может навсегда изолировать СО2. Кроме того, карбонизация шлака вызвала интерес как технология хранения CO2 в сталелитейной отрасли. Шлак – побочный продукт производства железа. По оценкам, мировое производство железных шлаков в 2021 году составит от 340 до 410 миллионов тонн8, а исследования по осаждению CaCO3 путем его химического преобразования с использованием щелочных соединений привлекли значительное внимание9,10,11. Эти исследования характеризуются возможностью получения CaCO3 высокой чистоты в виде порошка. Однако существует потребность в технологии превращения полученного CaCO3 в форме порошка в конструкционный материал для постоянной фиксации CO2.

Мы уделяем особое внимание микроволновому нагреву как технологии спекания материалов без разложения порошков CaCO3. Многие исследователи исследовали микроволновый нагрев в области спекания керамики, поскольку он позволяет быстро нагревать объекты12,13,14,15. Кроме того, исследования последних нескольких лет подтвердили, что микроволны создают температурный градиент в несколько сотен градусов в узкой области смеси от 4,7 до 60 нм16,17,18. Таким образом, материалы, отличные от порошка CaCO3, можно избирательно нагревать, хорошо используя эти две характеристики, и смесь можно спекать до разложения CaCO3.

Мы стремимся создать спеченное тело из зольной пыли, содержащее CaCO3, используя характеристики микроволнового нагрева. Летучая зола является побочным продуктом тепловых электростанций, которые производят около 500 миллионов тонн ее ежегодно19,20,21,22. Утилизация летучей золы обходится дорого, поскольку она содержит примерно 10–20% несгоревшего углерода20,23. Эффект снижения выбросов CO2 может быть достигнут, если спеченное изделие может быть сформировано с углеродом, захваченным летучей золой. Таким образом, двойной эффект накопления углерода можно реализовать, если разработать метод нагрева, при котором существенно не сжигается углерод летучей золы и не разлагается CaCO3.