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...     

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。     

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。     

CO2矿物封存技术研究进展

CO₂捕集与封存技术是目前实现碳减排最有效的方法。其中,CO₂矿物封存（又称CO₂矿化）是利用CO₂与含钙镁硅酸盐矿物进行反应使CO₂以稳定的碳酸盐形式永久储存起来。本文首先介绍了CO₂矿化的基本原理和技术路线,其中间接矿化反应条件较温和、矿化效率更高、得到的产物也更纯,因此对于CO₂间接矿化的研究也更广泛。本文综述并对比了天然矿物及工业固废矿化CO₂的研究进展,指出工业固废更有利于CO₂矿化过程。工业固废矿化CO₂过程矿化CO₂的同时处理了工业固废,实现以废治废,因此它在经济上也是具有一定优势。在此基础上,本文以高炉渣为代表,介绍了其矿化CO₂的详细研究进展,指出采用可循环的助剂、回收高炉渣中有价元素可提升矿化过程经济性。对于CO₂矿化过程的放大试验、生命周期的评估及低能耗的新工艺开发将是CO₂矿物封存实现工业化的关键。     

固废源CaO基CO2捕集材料的制备与捕集性能研究进展

CO₂捕集技术是当前应对全球气候变化、缓解温室效应的重要途径。利用含钙固体废弃物制备高效CaO基CO₂捕集材料有利于实现固废资源高值化利用、以废治废和清洁生产,具有重要的环境效益、经济效益和社会效益。基于固废源高效廉价CaO基CO₂捕集材料的良好应用前景,本文介绍了工业废渣、生物质和其他含钙固体废弃物的产生与资源化利用现状,综述了CaO基吸附剂的捕集原理、碳酸化动力学过程和CO₂捕集性能,对比了以不同含钙固体废弃物为前驱体制备CaO基吸附剂的吸附-脱附循环性能和不同改性方法对其吸附稳定性的影响,从经济角度分析了固废源CaO基吸附剂在钢铁厂、燃煤电厂和生物制氢中的应用潜力,展望了固废源CaO基CO₂捕集材料的应用前景和发展方向。该文旨在为固废源CaO基吸附剂前驱体的选择、吸附性能的提高和固废吸附材料的工业应用提供帮助。     

工业固废活化钾长石-CO2矿化提钾的生命周期碳排放与成本评价

利用工业固废活化非水溶性钾长石矿,矿化固定二氧化碳（CO₂）并提钾工艺,是同时处理工业固废、开发钾资源、减排CO₂等一举多得的CCUS路线。采用生命周期评价（LCA）方法,以生产含1 t K₂O的钾肥为功能单元,以传统的高炉冶炼钾长石制可溶性钾肥并联产白水泥工艺作为参照,对比评价了两种钾长石-工业固废体系矿化CO₂联产钾肥工艺过程的碳减排潜力和经济性。对工艺从原料开采、运输到产品生产的生命周期的温室气体排放量（简称“碳排放”）和成本进行了全流程的核算,研究了更全面的产品碳排放和成本分配方法。结果表明,无论是碳排放还是经济性,钾长石-工业固废体系矿化CO₂联产钾肥工艺均较传统工艺有很大提高,碳减排潜力分别可达81.16%和20.48%左右,成本可节约34.75%和45.11%左右。     

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%。     

电石渣直接湿法碳酸化固定CO2的反应特性

碱性固废湿法碳酸化是一种矿化固定CO₂的有效方式。为探究电石渣废弃物直接湿法碳酸化固定CO₂的反应特性，基于高压反应釜试验装置，在常温环境下研究液固比(5～20)、碳酸化时间(0～4 h)和反应压力(0.1～1.0 MPa)对电石渣碳酸化速率和CO₂固定能力的影响。结果表明，电石渣具备良好的CO₂固定能力，1 h内整体碳酸化反应基本完成，CO₂固定能力会随液固比和反应压力的增加而提升。反应时间4 h,最优工况(1 MPa、液固比20)下电石渣的CO₂固定量达9.26 mmol/g,而在0.1 MPa、液固比5时，电石渣的CO₂固定量仅3.58 mmol/g。电子扫描显微镜和热重分析证明了电石渣碳酸化反应后生成了大量CaCO₃,且碳酸化产物的粒径显著减小。因此，在反应釜中常温加压条件下，电石渣直接液相碳酸化即具备较好的CO₂固定能力和较高的碳酸化效率。本研究结果能为电石渣加速矿化固定CO     

固废基硫掺杂多孔炭材料制备及其对CO2吸附性能研究进展

含碳固废来源广、产量大,其大量堆存严重制约了环境可持续发展,因此含碳固废资源化利用意义重大。利用含碳固废制备多孔炭材料是其清洁高效利用的重要方式之一。对多孔炭进行硫原子掺杂不仅可使材料表面的亲水性得到改善,还可以改变材料表面的化学异质性,生成有利于CO₂捕集的活性位点,强化材料对CO₂分子的吸附作用,从而提高其CO₂吸附容量。简述了固废基硫掺杂多孔炭材料的制备方法,总结了硫掺杂多孔炭材料用于CO₂吸附的最新研究进展,并对硫掺杂多孔炭材料未来发展趋势及其在CO₂吸附领域的工业化应用进行了展望。     

电石渣及二氧化碳资源化利用现状与展望

电石渣(CCR)是一种典型的工业固体废弃物,溶于水后具有强碱性,随意堆放会造成土地盐碱化并污染水资源,因此CCR综合利用已成为目前亟需解决的问题。基于此,综述了CCR及CO₂资源化利用现状,着重对CCR的利用现状、CO₂的处置及利用技术、纳米碳酸钙(NCC)的特性及制备方法进行了阐述,并详细介绍了CCR矿化CO₂制备NCC的方法。研究成果可为CCR及CO₂资源化利用的新技术开发提供参考。     

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。     

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；...     

超高强碳矿化材料的设计与制备

碳矿化材料是由固碳胶凝材料通过与CO₂在常规环境下的碳化反应快速形成以碳酸钙为主要基体组成的复合材料，是实现工业烟气CO₂建材化利用的重要技术途径。本工作以γ-C₂S为固碳胶凝材料，研究了Fe掺杂、壳聚糖引入、养护制度设计3种复合增强措施对碳矿化材料力学性能与产物组成的影响规律。结果表明，不同的增强措施并非简单的叠加效应，也存在矛盾关系，其中，可以获得超高强度的组别有：Fe–γ-C₂S+壳聚糖引入的碳矿化材料在养护24 h后抗压强度达到200 MPa以上，壳聚糖引入组可以在延长养护时间后获得更高的强度上限，养护7 d后抗压强度可达约230MPa。Fe–γ-C₂S组的碳酸钙晶型以方解石为主，而长期CO₂养护下的γ-C₂S组则为文石相组成。不同的产物组成也是影响强度增长的重要因素，由此提出超高强碳矿化材料的理想结构模型：壳聚糖存在于硅凝胶与碳酸钙之间，连接两相，方解石生长于内部，文石包裹于外部。方解石为碳矿化体养护早期提供强度，文石则在外...     

粉煤灰矿化CO2研究进展

CO₂等温室气体大量排放引起了全球气候变暖等生态问题,已成为全人类生存面对的重大挑战,CO₂矿化是应对此挑战的关键技术之一。相对富煤、贫油、少气的能源资源禀赋格局导致中国主体能源仍以CO₂排放强度高的煤炭为主,其燃烧产生的工业固废粉煤灰也面临巨大的处理难题。相比传统矿化原料,粉煤灰因具有产量大、获取容易和运输成本低等特点受到广泛关注。粉煤灰自身可通过直接矿化和间接矿化实现CO₂矿化封存,在CO₂矿化封存的同时,可大幅降低与粉煤灰堆积或处理相关的环境风险。在碳达峰和碳中和目标下,利用粉煤灰矿化封存CO₂是一项应对全球变暖具有巨大潜力的高效策略。介绍了我国粉煤灰排放和利用现状,回顾了粉煤灰直接矿化和间接矿化的研究进展,对比分析了不同矿化工艺的优缺点,明晰了CO₂矿化过程中工艺参数对粉煤灰矿化效率的调控机理。针对粉煤灰矿化CO₂缺乏机制性的解释这一问题,通过介绍常用于描述CO₂矿化反应的缩核模型和...     

固废源固态胺吸附剂用于CO2捕集研究进展

固态胺吸附剂在CO₂捕集领域具有广阔应用前景，但其所用基体材料多为有序介孔材料，存在合成工艺复杂、成本昂贵、环境污染严重等问题，制约了固态胺吸附剂的工业化应用。近年来，固废源固态胺吸附剂因基体材料具有潜在的成本优势引起了国内外研究者的广泛关注。本文综述了近年来固废源基体材料在原料选取、基体材料合成和扩孔方面的研究进展，以及固废源固态胺的制备方式、用于CO₂捕集过程中吸附性能和循环稳定性的表现。最后，探讨了固废源固态胺吸附剂当前存在的挑战，并对其发展趋势进行了展望。     

电石渣制备球霰石型CaCO3的影响因素研究

为了高附加值利用电石渣以及封存CO₂,以电石渣为原料，使用多种添加剂，常压制备了球状球霰石。利用粉末X射线衍射仪、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪等考察了添加剂种类、反应温度、电石渣中杂质、反应体系对合成CaCO₃中球霰石的影响。结果表明，甘氨酸和丝氨酸对诱导生成球霰石的效果显著，反应温度的增加不利于球霰石的生成，电石渣中的杂质Al₂O₃和SiO₂可以诱导Ca(OH)₂矿化CO₂体系形成方解石。不同反应体系会影响所制备球霰石的晶体大小，电石渣-CO₂体系制备的晶体尺寸最小。在15℃的电石渣-CO₂反应体系中，通过添加甘氨酸可以制备单分散的表面有粗糙突起的球霰石型CaCO₃。以上研究结果为利用电石渣等碱性工业废渣制备高附加值球霰石，同时安全有效封存大量CO₂温室气体提供了一种简便方法。     

鼓泡床中电石渣加速碳酸化分析与响应面优化

搭建了鼓泡床碳酸化反应器,研究常温常压下电石渣直接液相碳酸化矿化封存CO₂的能力,揭示了重要操作参数表观气速、液固比和CO₂浓度对电石渣矿化封存CO₂能力和碳酸化效率的影响规律。同时构建响应面模型,分析各参数对电石渣碳酸化效率的影响强度,优化获得最大碳酸化效率及相应操作工况。结果表明,增加气速有利于钙离子溶解和CO₂吸收,但反应器中过高气速易导致气相通道效应,不利于气液充分接触。当液固比降低,溶液中钙离子浓度提高,更有利于碳酸化反应,但液固比过低会影响固液间传质。适当增加CO₂浓度有利于提高碳酸化效率,但CO₂浓度增至到一定值后,对碳酸化效率影响降低。响应面建模分析发现,各因素对碳酸化效率影响顺序为：液固比>CO₂浓度>表观气速。优化结果发现碳酸化效率最高为93.58%,工况为表观气速0.07m/s,液固比为8.26mL/g和CO₂体积分数为20.91%。研究可知,鼓泡床中常温常压下电石渣直接液相加速碳酸化反应,具有较大的CO₂固定量和高的碳酸化效率,实验结果为电石渣加速矿化封存CO₂技术的发展提供了基础数据。     

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。     

CO2碳酸化石灰岩酸解产物回收乙酸及副产沉淀碳酸钙

乙酸酸解石灰石造腔是一种建造地下储库同时环保地开采石灰岩制备沉淀碳酸钙的新方法。通过耦合乙酸酸解石灰石及酸解产物乙酸钙CO₂碳酸化的工艺过程,研究了乙酸酸解石灰岩的表面反应动力学和乙酸钙CO₂碳酸化的工艺技术条件。采用正交实验分析法,研究了CO₂碳酸化反应中乙酸钙浓度、反应温度、CO₂压力、反应时间对乙酸钙碳酸化反应制沉淀碳酸钙的影响,并通过正交实验确定了最优化操作条件。实验结果表明,乙酸酸解反应速率主要受乙酸浓度控制。CO₂碳酸化反应在当乙酸钙溶液浓度为0.631 mol·L^-1,CO₂压力为5.0 MPa,温度为80℃,反应时间为50 min时CO₂碳酸化效率达到最高（23.13%）,生成的沉淀碳酸钙产品各项指标均符合中国国标优级要求。     

二氧化碳养护混凝土活性组分固碳率评价方法

CO₂养护混凝土技术作为一种新型的CO₂利用技术,既能实现工业固废的资源化利用,又能实现温室气体的永久封存,近年来受到越来越多的关注。由于混凝土原料组分复杂、养护工艺路线多样,关键指标固碳率的评价方法也各不相同,因此亟需形成适用于不同工业固废混凝土产品体系的固碳率通用评价新方法。在对已有诸多评价方法进行比较后,本文提出一种适用性和可操作性较好的增重法-烘至绝干法的固碳量评价新方法和基于修正后活性组分质量的折算基准,在Steinour公式基础上,通过对工业固废中常见的钙、镁组分中惰性部分进一步辨别、扣除,可以直观地反映原料中活性组分的有效反应程度。水泥净浆体系实验表明,烘至绝干法可以更合理地补偿水蒸发带来的误差,适用于工业规模的固碳率评价。多种固废混凝土体系实验表明,以修正后的活性组分质量为基准可以体现试件中活性组分的碳酸化程度,排除了试件中含水率和惰性组分的影响。最后,利用本文提出的评价方法,对河南焦作CO₂养护混凝土工业单釜试验产品的固碳率进行评价,为CO₂养护技术的指标评价提供了更完善的科学依据。