基于工业原料制备的γ-C2S碳化制度研究及其机理分析

在“双碳”背景下,碳化硬化型胶凝材料的研究为水泥行业实现碳中和提供了较好的思路。本文采用工业钙质和硅质原料制备γ-C₂S,探究CO₂浓度、CO₂压力、碳化湿度、碳化时间等因素对γ-C₂S碳化性能的影响,明确最佳碳化制度,并通过XRD和电子扫描探针等测试,对γ-C₂S碳化机理进行深入分析。结果表明,工业原材料制备的γ-C₂S的抗压强度和固碳量随碳化养护时间、碳化养护湿度、CO₂浓度的增大而增大,碳化养护8h抗压强度可达155.8MPa,固碳量达16.96wt.%。     

CO2矿化燃煤灰渣基加气混凝土配方研究

为实现燃煤固体废弃物和捕集后CO₂的资源化利用，以煤基废弃物燃煤灰渣、脱硫石膏为主要原料，以矿渣为补充胶凝材料，研究了固废配比、矿化养护压力、矿化养护温度对加气混凝土抗压强度和CO₂固定率的影响。通过XRD、SEM分析了不同矿化养护制度下的晶相结构和微观形貌，通过压汞法研究了不同养护工况对加气混凝土孔隙结构的影响。结果表明，合适的剩余水灰比有助于提高加气混凝土的CO₂固定率和早期抗压强度；CO₂养护压力由0.05 MPa上升至1.00 MPa时，加气混凝土的固碳率提高24.8%,抗压强度先上升后降低，养护压力在0.1 MPa时达到峰值；CO₂养护温度由25℃上升至105℃时，加气混凝土固碳率和抗压强度先上升后下降，固碳率在45℃时达到最大值7.21%,抗压强度在65℃时达最大值3.53 MPa;通过XRD和SEM分析可知，主要矿化产物为碳酸钙，并以方解石和球霰石的形态存在，较高养护压力(≥0.2 MPa)易导致产物界面出现细微裂缝，而随养护温度升高，矿化产物与水化产物同时出现；...     

二氧化碳浓度对低钙固碳胶凝材料性能影响及机理研究

为了实现建材行业的“碳达峰、碳中和”目标，使用工业钙质原料和硅质原料在1 350℃制备了一种低钙固碳胶凝材料，研究了不同CO₂浓度养护对低钙固碳胶凝材料碳化程度和碳化后性能的影响，并通过X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱分析(FT-IR)、热重分析(TG)、扫描电子显微镜(SEM)、电子探针(EPMA)等测试手段进行了低钙固碳胶凝材料碳化后的产物分析、微观分析和机理分析。结果表明，随着CO₂浓度的提高，低钙固碳胶凝材料的碳化程度和抗压强度显著提高，当CO₂浓度为99.99%(体积分数)时，低钙固碳胶凝材料碳化8 h后的抗压强度为132.2 MPa,与CO₂浓度为25%时相比，抗压强度提高了260%。     

固碳胶凝材料研究进展

固碳胶凝材料是指能与CO₂反应并将其他物料胶结为整体且具有一定机械强度的新型胶凝材料，利用固碳胶凝材料制备碳化制品是CO₂资源化利用的重要途径，也是当前的研究热点。本文在明晰了固碳胶凝材料的定义与矿相组成的基础上，综合分析了固碳胶凝材料主要矿相的碳化反应活性、微结构演变与力学性能以及多介质传输反应机理，介绍了国内外固碳胶凝材料的3种主要体系与应用现状，展望了固碳胶凝材料未来的研究方向与应用前景，为我国水泥工业烟气中CO₂的高效建材化利用提供研究思路。     

二氧化碳矿化养护混凝土技术及新型材料研究进展

CO₂矿化养护技术利用早期成型后的混凝土材料和CO₂之间的碳酸化反应和产物沉积过程实现产品力学强度等特性的提升,主要关注的是预养护/早期水化成型后的混凝土中胶凝成分和CO₂之间的矿化反应（即加速碳酸化）。此过程中胶凝材料的水化过程不再是强度形成的主要反应,因此为了充分实现矿化成型和CO₂固定,实现环境效益最大化,研究者近几年积极开发具有CO₂矿化潜力的碱金属矿物材料,并探究其反应后对于混凝土微观结构和性能的促进效应。本文综述了CO₂矿化养护技术在新型混凝土材料方面的研究进展,分别对传统混凝土采用的水化活性硅酸钙材料、水化惰性硅酸钙材料、镁基水泥材料以及工业固废材料等进行了具体介绍,比较了在不同材料与CO₂反应特性以及养护后建材制品性能优化方面的最新成果,并对CO₂矿化养护技术的后续发展进行了展望。主要建议：一是着眼于微观反应机制和矿物材料特性,开发有效的矿化反应强化方法;二是开发水化惰性的低钙硅比硅酸钙材料;三是将工业固废资源化与矿化养护技术结合,实现固废和气废利用流程耦合,推进特定工艺开发和装置研发。     

Al2O3掺杂对γ-C2S碳化性能的影响

本文研究了Al₂O₃掺杂对γ-C₂S熟料粒径、微观结构和力学性能的影响。试验结果表明:Al₂O₃掺杂不会改变γ-C₂S的晶型,但显著改变了其形貌;纯相γ-C₂S颗粒表面褶皱较多,颗粒尺寸较大,掺杂Al₂O₃后γ-C₂S颗粒表面褶皱消失而变得光滑;γ-C₂S碳化体的抗压强度与碳化程度随着Al₂O₃掺量的提高逐渐增加。通过碳化反应温升并结合碳酸钙衍射峰的半峰宽和X射线衍射仪(XRD)定量分析表明,Al₂O₃掺杂延缓了碳化放热,有利于碳化反应的持久进行,同时促进了碳酸钙晶粒的生长和数量的增加,从而使碳化程度更高,基体结构更加密实,因而抗压强度更高。     

CO2养护压力对植生混凝土碱度及力学性能的影响

本文研究了植生混凝土的碱度及力学性能随CO₂养护压力的变化规律，并结合X射线衍射定量相分析(XRD-QPA)、热重分析(TGA)及扫描电子显微镜(SEM)等方法，探讨了CO₂养护压力对反应速率及产物生成的影响。结果表明：增大CO₂养护压力可提高硅酸三钙(C₃S)、硅酸二钙(C₂S)及氢氧化钙(CH)的碳化速率，同时可快速生成碳化致密层，有利于延缓CH的生成与溶出；碳化反应生成的碳酸钙(CaCO₃)及水化硅酸钙(C-S-H)凝胶增大了水泥石密实度，可有效提升植生混凝土的抗压强度。与常压CO₂养护相比，在CO₂养护压力为0.3 MPa的条件下养护1 h,植生混凝土3 d抗压强度提高了72.8%,28 d抗压强度提高了4.8%,28 d的pH值由11.4降低至8.2。适度提高CO₂养护压力对植生混凝土降碱和增强效果良好。     

不锈钢渣碳化影响因素及其机理研究

为开发γ-C₂S不锈钢渣碳储存的潜力,最大限度地提高不锈钢渣的综合利用率。通过研究主要碳化参数(如液固比、成型压力、CO₂分压)对不锈钢渣碳化性能的影响规律来评估不锈钢渣的CO₂储存能力,以期能够提供更佳的不锈钢渣碳化过程。利用XRD、SEM/EDS、DSC/TG分析对不锈钢渣碳化产物组成及微观形貌进行表征,并探索其碳化机理。结果表明,较佳碳化参数为成型压力为2.50 MPa,液固比为10%,CO₂分压为0.3 MPa。较佳碳化条件下每千克不锈钢渣可固化储存CO₂气体约123.6 g。不锈钢渣碳化过程以γ-C₂S碳化反应为主,碳化产物中出现了片状、颗粒状的CaCO₃,随碳化时间延长,晶体逐渐长大为团簇状。因此,利用不锈钢渣储备碳及制备碳化制品是可行的。     

二氧化碳矿化养护加气混凝土试验研究

二氧化碳矿化养护混凝土技术使得混凝土早期在较短时间内快速成型和提升力学性能,极大缩短养护周期,提高生产效率,是颇具大规模工业化应用前景的二氧化碳利用方式。对基于工业固废的加气混凝土的二氧化碳养护技术进行了初步探索,着重研究了原料掺比、养护压力以及养护制度在CO₂矿化反应中的影响。二氧化碳养护加气混凝土配方主要由试件的抗压强度和固碳性能共同决定。通过SEM和XRD分析等方法表征了在不同养护工况下反应产物的变化特点,同时使用压汞法测定了CO₂养护前后的孔隙分布。结果表明,对自然养护4 d后的加气混凝土进行2 h CO₂养护,试件固碳率随着养护压力升高而升高,低压养护和梯级养护有利于降低加气混凝土试件的力学强度损失,梯级养护中CO₂浓度/分压力越高,加气混凝土试件表观固碳率越高;在相同的CO₂养护条件下,SEM观察到矿化反应产物有不同形貌,如球状和纺锤形等,XRD分析则进一步证明了碳酸钙有3种不同晶型;CO₂养护后,孔径0.01~0.10μm微孔降低明显,表观固碳率越高,对加气混凝土试件的填充效果越显著。     

二氧化碳矿化波特兰水泥浆体性能与机制

CO₂捕集、利用与封存(CCUS)技术作为应对全球气候与环境危机的重要技术手段受到重视。利用水泥基材料的矿化反应吸收CO₂不仅可实现CO₂永久封存,改善产品力学性能,还能减少混凝土中水泥用量,从而减少大量CO₂排放。以OPC浆体为原材料,系统性研究不同因素(温度、CO₂添加量和CaCO₃掺杂量)对水泥固碳性能及力学性能的影响,并测试分析了矿化产物的组成、微观形貌及微观孔结构,总结了温度、CO₂与CaCO₃对OPC净浆矿化过程的相互影响机制,并归纳了外加碳酸钙下二氧化碳矿化OPC浆体的微观反应过程模型。结果表明,70℃下固碳率为77.99%,28 d强度提升6.7%,CO₂最佳添加量为0.5%,添加CaCO₃能提高OPC浆体的固碳率和强度,CaCO₃添加量为10%时,CO₂掺量可增至3%,同时保持强度增益。     

碳酸化预处理对钢渣-水泥复合胶凝材料体积安定性及水化活性的影响

钢渣水化活性差，体积安定性不良限制了其作为辅助性胶凝材料的应用，但钢渣具有很好的碳酸化活性。本文在对钢渣进行预处理的过程中通过调整CO₂浓度及碳酸化时间，调控钢渣的碳酸化程度，分析了碳酸化对钢渣微观结构及固碳效果的影响，同时评价了碳酸化钢渣作为辅助性胶凝材料的可行性。结果表明：含30%(质量分数)钢渣的水泥砂浆试块3、28 d抗压强度较未掺钢渣水泥砂浆分别降低了43.2%和30.0%,净浆试块经压蒸试验后由于膨胀过大而溃散；CO₂浓度对钢渣的固碳量有显著的影响，高浓度(体积分数为99.9%)CO₂进行碳化养护3 min时钢渣固碳量就达到了3.67%。钢渣的体积安定性与碳酸化程度呈正相关，而过度碳酸化处理会降低其水化活性，掺加30%(质量分数)碳酸化预处理3、10 min钢渣的砂浆3 d抗压强度较掺加30%原始钢渣的砂浆分别提高了28.3%和15.8%。     

水泥行业CO2排放特征及治理技术研究

本文系统梳理分析了水泥不同种类和各工序的CO₂排放特征，其中，工艺、燃料直接CO₂排放占比达90%，与物料中碳酸盐的含量正相关，与燃料发热量和利用率负相关，电力间接CO₂排放占比约10%，特种水泥由于减少了碳酸盐分解造成的碳排放，总体碳排放量较低。新型干法水泥生产过程可分为生料制备、熟料煅烧和水泥粉磨三个阶段，工艺和燃料CO₂排放主要发生在熟料煅烧阶段，其尾气中CO₂浓度一般在11%～29%。研究分析了碳替代/碳捕集等控碳技术、CO₂资源化利用技术。水泥厂碳替代主要是原料替代、熟料或水泥替代、燃料替代等，可分别实现减碳10%、25%～50%和30%以上；碳捕集主要有富氧燃烧和烟气CO₂捕集，水泥窑富氧燃烧技术有全氧燃烧和分解炉全氧燃烧技术两种。捕集技术主要采用化学吸收法、固体吸附法；在CO₂综合利用方面，针对水泥厂的特殊应用场景，矿化具有较好的应用效果，如采用混凝土养护技术，制备高附加值的微纳米碳酸钙等。     

铜渣基磷酸盐胶凝材料的力学性能与微观结构

磷酸盐胶凝材料力学性能好，制备工艺简单，为资源化利用铜渣提供了新的途径。本文以铜渣和磷酸二氢钠(NaH₂PO₄)为原料制备了磷酸盐胶凝材料，采用电子万能试验机、X射线粉末衍射仪及扫描电子显微镜研究了原料配合比和养护条件对铜渣基磷酸盐胶凝材料抗压强度、物相和微观形貌的影响，并采用同步热分析仪考察了磷酸盐胶凝材料的热稳定性。结果表明，原料配合比对磷酸盐胶凝材料的力学性能和微观结构有重要影响，适当提高养护温度有利于强度发展。当NaH₂PO₄/铜渣质量比为0.30、水/(NaH₂PO₄+铜渣)质量比为0.15、60℃下养护7 d时，铜渣基磷酸盐胶凝材料抗压强度高达54.70 MPa。铜渣基磷酸盐胶凝材料优异的力学性能源自铜渣中铁橄榄石(Fe₂SiO₄)与NaH₂PO₄反应生成的致密无定形结构相。铜渣基磷酸盐胶凝材料热稳定性较好，空气气氛下467℃开始被氧化分解，无定形结构相发生...     

CO2协同镁渣基固废制备纤维板及其性能与微结构

镁渣是冶炼镁过程中产生的固体废弃物，存在着活性低和体积稳定性差等问题。本研究以镁渣和纸浆纤维为原料，制备了一种固碳纤维板(CFB)，并系统研究了蒸压养护、碳化养护以及碳化–蒸压养护对固碳纤维板性能的影响，以及碳化镁渣浆体和纸浆纤维之间的界面微结构。结果表明，只经过蒸压养护的CFB，其体积稳定性差，抗折强度仅为4.5 MPa；而碳化8 h后CFB的抗折强度和CO₂吸收量分别达到17.3 MPa和14.4%。此外，通过碳化–蒸压养护后CFB的抗折强度可以进一步提高到20.2 MPa。微观结构和纳米压痕的结果表明，碳酸钙晶体(文石和方解石)与C–S–H一起填充了孔隙，增强了纸浆纤维与硬化浆体间的界面微观性能，这是CFB经过碳化–蒸压养护后具有较高抗折强度的主要原因。     

CH3COONa-NH4OH-H2O体系下磷石膏矿化CO2-联产高纯CaCO3

基于我国面临CO₂减排与磷石膏资源化利用的巨大压力，本文提出助剂循环使用的CO₂矿化与磷石膏资源化利用过程耦合的学术思想，立题以磷石膏为原料，研究醋酸钠体系下氨水强化磷石膏浸出液矿化CO₂联产高纯CaCO₃的反应过程。实验过程中系统讨论了不同工艺条件对磷石膏中Ca²⁺的浸出及浸出液矿化CO₂反应效能的影响，并系统表征了反应条件对矿化产物晶粒尺寸、结构与形貌的影响。结果表明：低温常压条件下1t磷石膏可以矿化吸收208kg的CO₂，同时联产472kg纯度为99.63%的球形球霰石。通过调节矿化反应条件可有效调控矿化产物的晶粒尺寸；提高反应温度和延长反应时间有利于亚稳态的球霰石向热力学更稳定的文石和方解石转化。实验过程中实现了醋酸钠的循环利用与回收。本文为磷石膏的资源化利用与高纯CaCO₃的制备提供了新的思路。     

碱性工业固废矿化封存二氧化碳研究进展

温室效应引起的全球变暖已经影响到人类的生存和发展，CO₂减排刻不容缓。CO₂矿物碳酸化作为一种CO₂减排技术，受到越来越多的关注。相对于传统天然矿化原料，碱性工业固废具有反应速率快、碳酸化效率更高、能耗低等特点，并且利用碱性工业固废进行CO₂矿化还可以产出高附加值产物用于化工、建筑等领域。本文主要综述了碱性工业固废的矿化机理，利用碱性工业固废(粉煤灰、钢渣、电石渣)进行CO₂碳酸化的研究进展及吸收-矿化一体化(IAM)技术。对于以碱性工业固废为原料的碳酸化技术，未来应进一步加强机理和生命周期影响评价的研究并优化工艺流程；针对IAM工艺今后应开发出高效、经济的吸收剂和封存能力更好的矿化原料，并加强对IAM工艺反应机理的研究。     

孔结构和含水量对水泥净浆矿化养护性能的影响

矿化养护水泥基材料在提高水泥制品性能的同时又能永久封存CO₂,被认为是一种非常有前景的减碳技术。水泥基材料孔结构对矿化反应的影响尤为显著，本文通过改变初始水灰比(w/c=0.35、w/c=0.40、w/c=0.45)和预处理时间(2、4、6、8、16、24、48和72 h)制备不同孔结构的水泥净浆，研究了孔结构及含水量对水泥净浆矿化反应的影响规律。结果表明，不同初始水灰比的水泥净浆均在预处理时间为8 h时固碳率达到最大值，并且固碳率随着初始水灰比的增加而增加。同时，对于早期水化(24 h标准养护+8 h预处理)的水泥净浆，初始水灰比对孔结构的影响远大于水化程度。初始水灰比为0.45的水泥净浆经8 h预处理后再进行8 h矿化养护，其固碳率、矿化深度、抗压强度分别达到20.35%(固碳率均为质量分数)、12.49 mm、61.99 MPa,与28 d标准养护试块强度(54.25 MPa)相比，经矿化养护后的试块抗压强度提高14.27%。矿化反应主要产物是CaCO₃和硅胶，CaCO₃的填充优化了水泥净浆的孔结构，孔径大于50 ...     

二氧化碳矿化高钙基固废制备微细碳酸钙研究进展

微细碳酸钙作为一种重要的化工填充物，广泛地应用于造纸、油墨、橡胶、塑料等行业。随着当前碳减排行动的日趋深入，微细碳酸钙制备从原料到工艺路线已经越来越多元化。利用工业高钙原料，如钢渣、电石渣、废弃石膏等作为钙源耦合CO₂制备微细碳酸钙的技术越来越被关注。本文综述了CO₂矿化高钙固废制备微细碳酸钙的研究进展，分别对采用氧化钙、氢氧化钙、硫酸钙以及高钙基工业固废等材料制备微细碳酸钙进行了具体介绍。比较了在不同材料与CO₂矿化反应制备碳酸钙的技术特性以及优化碳酸钙产品性能方面的最新成果，并对最具代表性的工业固体废弃物制备微细碳酸钙技术规模化应用及环境经济性评价进行了总结归纳。在初步技术经济分析的基础上，发现当前CO₂矿化高钙固废制备微细碳酸钙的规模化应用主要受限于碳酸钙结晶速度快、运行成本高及能源强度大等方面。为更好地开展大规模工业化应用，建议如下：一是针对碳酸钙结晶过程，着眼于微观反应机制和高钙固废材料特性，开发有效适用于工业应用的控制方法；二是将工业固废资源化与合成精细化碳酸钙技术耦合，推进特定工艺开发...     

CO2间接矿化工业固废制备多晶型碳酸钙研究进展

CO₂和工业固体废弃物的排放量逐年上升,威胁人类的生存和发展,世界各国迫切寻求降碳减排的解决路径。研究人员基于钙、镁元素与CO₂反应生成稳定的碳酸盐反应,开发出一系列CO₂矿化工艺,实现CO₂的永久封存。为实现CO₂的大规模封存和含钙固废的高值化利用,降低矿化成本,选取廉价易得的含钙工业固体废弃物为矿化原料,从多晶型微纳米碳酸钙的制备入手,总结了含钙工业固废浸取和CO₂间接矿化的最新研究进展,介绍了含钙工业固废间接矿化常用的浸取剂,并着重分析了间接矿化制备微纳米碳酸钙时反应条件和晶型控制剂对碳酸钙晶型和形貌产生的影响,对其控制原理进行了解释说明,总结了CO₂间接矿化含钙固废当前存在的技术难点,展望了未来的研究重点。国内外结果表明,调变温度、pH、搅拌速率以及CO₂通气速率等矿化反应条件或添加晶型控制剂能有效控制碳酸钙的晶型、形貌和尺寸。利用含钙工业固体废弃物间接矿化CO₂制备微纳米碳酸钙能够...     

淀粉基多孔碳材料的制备及其吸附CO2/CH4性能

以淀粉为原料,使用水热法将其碳化后用活化剂KOH对其活化,制备了淀粉基多孔碳材料,并对其进行结构表征和CO₂/CH₄的吸附性能测试,计算吸附热以及材料对CO₂/CH₄的吸附选择性,讨论了碳材料结构对其吸附性能的影响。结果表明：在制备过程中,随着活化剂KOH用量比例的增大,所制得的材料其比表面积和孔容增大,其孔径分布也就越宽。所制得的碳材料其比表面积可达2972 m²·g^-1。这些淀粉基多孔碳材料对水蒸气的吸附等温线呈现出Ⅳ类等温线。所制备材料对CO₂吸附容量主要取决于其孔径小于0.8 nm的累积孔容（Vd < 0.8 nm）。材料的超微孔的孔容越大,其对CO₂吸附容量也越大。所制备的C-KOH-1材料在101325 Pa和298 K条件下,对CO₂的吸附量达到4.2 mmol·g^-1,其对CO₂的吸附热明显高于其对CH₄吸附热,其对CO₂/CH₄吸附选择性为3.7～4.26,同时本文通过对材料的水蒸气吸附等温线进行测试,结果表明所得材料主要表现为中等憎水性,这对材料在实际工况的应用奠定了基础。