粉煤灰衍生硅酸锂吸附剂CO2捕集性能研究

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2026.01.008

摘要/Abstract

摘要：

化石燃料消耗导致的CO₂排放引发了一系列环境问题，CO₂捕集与封存技术（CCS）备受关注。硅酸锂（Li₄SiO₄）吸附剂因吸附容量大、再生温度低和热稳定性好而极具潜力，但面临硅源成本高与循环性能不足的挑战。以廉价粉煤灰为硅源，采用固相合成法和浸渍沉淀法制备了Li₄SiO₄，并通过掺杂K₂CO₃对其进行了改性；通过XRF、XRD、SEM等测试方法，对材料进行了表征。结果表明，700 ℃固相法制备的吸附剂（LS?700）具有丰富的孔隙结构和高达1.584 2 m²/g的比表面积,吸附性能最优，10次循环后CO₂吸附量保持在0.179 7 g/g；K₂CO₃掺杂使CO₂吸附速率提高至0.054 5 g/（g?min），是未掺杂吸附剂的1.4倍；K₂CO₃与Li₂CO₃形成的低温共熔层促进了CO₂的扩散并降低了反应活化能。该研究为低成本、高性能Li₄SiO₄吸附剂的开发提供了有效途径，对推进燃煤烟气CO₂的高效捕集具有重要价值。

关键词: 碳捕集, 硅酸锂, 固体吸附剂, 动力学, 反应机理

Abstract:

The consumption of fossil fuels has led to a series of environmental issues due to CO₂emissions, drawing increasing attention to carbon capture and storage (CCS) technology. Lithium silicate (Li₄SiO₄) is considered a highly promising sorbents due to its high CO₂ capture capacity, low regeneration temperature, and good thermal stability. However, its widespread application is limited by the high cost of silicon sources and insufficient cycling performance. Low?cost fly ash was used as silicon source to synthesize Li₄SiO₄ via solid?state and impregnation?precipitation methods, followed by modification with K₂CO₃doping. The materials were characterized by testing methods such as XRF, XRD, and SEM.The results show that the sorbents prepared by the solid?phase method at 700 °C (LS?700) possesses a rich pore structure and a high specific surface area of 1.584 2 m2/g, and exhibits the optimal sorption performance, with the CO? sorption capacity remaining at 0.179 7 g/g after 10 cycles. After K₂CO₃ doping, the CO₂ sorption rate increased to 0.054 5 g/(g·min), which is 1.4 times that of the undoped sample. Mechanistic studies revealed that the formation of a low?temperature eutectic layer between K₂CO₃ and Li₂CO₃ promoted CO₂ diffusion and reduced the reaction activation energy. This study provides an effective strategy for developing low?cost and high?performance Li₄SiO₄?based sorbents, demonstrating significant value for enhancing CO₂ capture efficiency from coal?fired flue gas.

Key words: Carbon capture, Li₄SiO₄, Solid sorbents, Kinetics, Reaction mechanism

中图分类号:

TE991.1

易剑臣, 赵康佚, 胡迎超, 付瑞诚, 何海秋, 刘熙亚. 粉煤灰衍生硅酸锂吸附剂CO₂捕集性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2026, 39(1): 64-74.

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图/表 17

表1 粉煤灰的化学成分及质量分数

Table 1 Chemical composition and mass fraction of fly ash

化学成分	w/%
SiO₂	56.19
Al₂O₃	32.75
Fe₂O₃	3.22
CaO	3.03
K₂O	2.09
TiO₂	1.33
其他	1.39

图1 基于Li4SiO4吸附剂的流化床系统示意图[15]

Fig.1 Schematic sketch of CFB system based on Li4SiO4 sorbents[15]

图2 粉煤灰衍生Li4SiO4材料的X射线衍射谱图

Fig.2 X?ray diffraction pattern of the Li4SiO4 material derived from fly ash

图3 不同煅烧温度制备的Li4SiO4吸附剂CO2的吸附量和累计吸附量对比

Fig.3 Comparison of CO? sorption capacity and cumulative sorption capacity of Li4SiO4 sorbents prepared at different calcination temperatures

图4 LS?700、LP?700、CS?700吸附剂的CO2吸附量对比

Fig.4 Comparison of CO? sorption capacities of LS?700, LP?700 and CS?700 sorbents

图5 煅烧温度为700 ℃下制备的Li4SiO4吸附剂的N2吸附?脱附和孔径分布曲线

Fig.5 N2 adsorption?desorption and pore size distribution curves of Li4SiO4 sorbents prepared at 700 °C

图6 煅烧温度为700 ℃的粉煤灰衍生Li4SiO4吸附剂的微观形貌

Fig.6 Microscopic morphology of fly ash?derived Li4SiO4 sorbents

图7 不同碳酸钾掺杂比例的硅酸锂材料的循环吸附性能

Fig.7 Cyclic sorption performance of lithium silicate materials with different potassium carbonate doping ratios

图8 K2CO3掺杂粉煤灰衍生硅酸锂材料的微观形貌

Fig.8 Microscopic morphology of K2CO3?doped fly ash?derived lithium silicate materials

图9 LS?700?0K和LS?700?0.5K吸附剂的等温吸附与吸附速率曲线

Fig.9 Isotherm sorption curves and sorption rates of LS?700?0K and LS?700?0.5K sorbents

图10 粉煤灰衍生Li4SiO4吸附剂反应动力学拟合曲线

Fig.10 Fitting curves of reaction kinetics for fly ash?derived Li4SiO4 sorbents

表2 不同温度下LS?700?0K和LS?700?0.5K吸附剂等温碳酸化过程的反应动力学拟合参数

Table 2 Reaction kinetics fitting parameters of LS?700?0K and LS?700?0.5K isothermal carbonation processes at different temperatures

吸附剂	反应温度/ ℃	k₁/ min^-1	k₂/ min^-1	R²
LS‑700‑0K	550	0.208 06	0.036 09	0.990 84
	600	0.261 49	0.049 70	0.993 19
	650	0.367 56	0.139 68	0.963 63
LS‑700‑0.5K	550	0.511 27	0.046 98	0.998 19
	600	0.570 55	0.068 15	0.996 38
	650	0.624 09	0.182 84	0.984 96

图11 利用Arrhenius公式拟合的活化能

Fig.11 Activation energy fitted using the Arrhenius equation

图12 粉煤灰衍生Li4SiO4吸附剂的吸附?脱附曲线和DSC曲线

Fig.12 The sorption?desorption curves and DSC curves of Li4SiO4 sorbents derived from fly ash

图13 K2CO3掺杂改性机理图[22]

Fig.13 Schematic diagram of K2CO3 doping modification mechanism[22]

图14 廉价硅源制备Li4SiO4吸附剂吸附性能及经济性分析

Fig.14 Cycling performance and economic analysis of Li4SiO4 sorbents prepared from low?cost silicon source

表3 基于廉价硅源制备的Li4SiO4吸附剂捕集CO2循环的参数及性能对比

Table 3 Comparison of parameters and performance in CO? capture cycles of Li?SiO? sorbents prepared from low-cost silica sources

硅源	制备方法	煅烧条件	吸附条件	脱附条件	吸附量/（g·g^-1）		参考文献
硅源	制备方法	煅烧条件	吸附条件	脱附条件	首次	循环后^*	参考文献
硅藻土	浸渍沉淀法	700 °C,4 h	650 °C,30 min,100%CO₂	700 °C,20 min,100%N₂	0.228	0.269（10)	[22]
硅藻土	固相合成法	650 °C,6 h	550 °C,40 min,15%CO₂	650 °C,20 min,100%N₂	0.154	0.145（8）	[23]
膨胀蛭石	固相合成法	750 °C,6 h	650 °C,30 min,100%CO₂	650 °C,30 min,100%N₂	0.191	0.168（20）	[11]
硅灰石	浸渍沉淀法	900 °C,4 h	550 °C,30 min,15%CO₂	700 °C,15 min,100%N₂	0.178	0.131（50）	[9]
珍珠岩	固相合成法	800 °C,4 h	650 °C,30 min,15%CO₂	800 °C,10 min,100%N₂	0.157	0.174（15）	[24]
叶蜡石	液相沉积法	700 °C,2 h	600 °C,30 min,15%CO₂	700 °C,15 min,100%N₂	0.198	0.201（10）	[25]
铁尾矿	固相合成法	750 °C,6 h	625 °C,30 min,15%CO₂	700 °C,10 min,100%N₂	0.104	0.105（19）	[26]
滇池底泥	固相合成法	700 °C,6 h	700 °C,30 min,100%CO₂	700 °C,30 min,100%N₂	0.115	0.161（22）	[27]
稻壳灰	浸渍沉淀法	700 °C,6 h	500 °C,60 min,40%CO₂	700 °C,30 min,100%N₂	0.086	0.098（9）	[28]
稻壳灰	固相合成法	800 °C,4 h	650 °C,15 min,100%CO₂	800 °C,10 min,100%N₂	0.282	0.279（15）	[29]
粉煤灰	固相合成法	950 °C,8 h	650 °C,15 min,100%CO₂	600 °C,15 min,100%N₂	0.103	0.065（5）	[30]
粉煤灰	固相合成法	700 °C,4 h	650 °C,30 min,100%CO₂	700 °C,20 min,100%N₂	0.186	0.187（10）	本文

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Study on the Carbon Dioxide Capture Performance of Lithium Silicate Sorbents Derived from Fly Ash

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