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...     

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。     

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。     

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%。     

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。     

CO2碳化水泥固化土力学性能与微观机理研究

CO₂碳化-水泥水化协同固化土是兼具固化增强和CO₂永久封存双重效能的新颖技术。然而,碳化水泥固化土宏微观特征与耐侵蚀性的研究,目前明显偏少。通过抗压强度、扫描电镜、X射线衍射和硫酸盐侵蚀试验,深入评价CO₂碳化-水泥协同固化土抗压强度、微观机制与耐侵蚀性。结果表明：水分软化作用引起湿水养护碳化试样抗压强度低于标准养护试样,二者高低与标准养护时间、碳化时间及施作顺序紧密相关;CO₂碳化反应消耗水泥固化体系内部水化产物,生成细长棒状霰石和立方体状方解石,密集堆积于粒间孔隙和颗粒表面进而提高试样密实度与抗压强度;硫酸钠溶液浸泡试样整体完整性良好,仅局部有少量土粒脱落,水泥固化土抵抗硫酸盐侵蚀能力依次为B-7d>7d-C-1d>C-3d;三种试样抗压强度随浸泡时间变化规律基本一致,即抗压强度先快速下降,之后逐渐回升并有持续增长趋势。     

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。     

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。     

碳化法制备多孔碳酸钙的工艺研究

以石灰石为原料，采用碳化法制备多孔碳酸钙。以多孔碳酸钙的比表面积作为评价指标，探究消化时间、消化温度、液固比、模板剂浓度、碳化温度、CO₂流量等对多孔碳酸钙比表面积的影响，得出最佳的制备工艺条件。结果表明，以十二烷基硫酸钠(SDS)为模板剂，在最佳制备条件(消化时间为1 h、消化温度为60℃、液固比(体积质量比，g/m L)为14∶1、SDS浓度为0.1 mol/L、碳化温度为30℃、碳化CO₂流量为400 m L/min)下制备的多孔碳酸钙比表面积可达60.17 m²/g。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等表征手段对所得多孔碳酸钙的颗粒形貌、晶型进行了分析，结果显示在最佳制备工艺条件下制备的多孔碳酸钙颗粒表面粗糙，孔道结构清晰可见，晶型为稳定的方解石型。     

CCUS环境下水泥单矿C3S的CO2腐蚀动力学研究

在碳捕集、利用和封存(CCUS)井下,油井水泥因长期受井下高温、高压和高酸性流体的作用会遭受碳化腐蚀导致水泥环失效。为了模拟CO₂地质封存井下碳化腐蚀环境,本文将油井水泥的主要单相矿物硅酸三钙(C₃S)置于不同温度(30 ℃、60 ℃、90 ℃),并密封在8.0 MPa的气相或液相的CO₂碳化环境下,采用XRD和TGA相结合的分析方法,分析水泥单矿C₃S受CO₂腐蚀环境的影响规律。根据非稳态Fick扩散的渗透理论模型,建立腐蚀产物定量分析结果与腐蚀龄期的数学模型,拟合得到C₃S受CO₂腐蚀后的产物生成系数,以此评价不同CO₂腐蚀因素对C₃S的影响程度。结果表明:在CO₂气相环境中,温度升高将显著加剧对C₃S的腐蚀且产生溶蚀现象;而在CO₂液相环境下,高温(90 ℃)使C₃S水化反应加剧并形成阻滞层,降低CO₂对C₃S的腐蚀速率。     

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%。     

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；...     

二氧化碳鼓泡碳化法制备碳酸钙的研究

以氯化钙为钙源,硝酸锌为添加剂,与二氧化碳鼓泡碳化反应制备碳酸钙,探究了各因素对鼓泡碳化法制备碳酸钙的影响,运用单一因素变量法对鼓泡碳化法做了优化。利用XRD,SEM研究了氨水含量、CO₂流量、碳化温度、碳化时间、硝酸锌添加量对碳酸钙形貌、结构的影响及机制。结果表明,当氨水体积分数为2.4%、CO₂流量为180 mL/min、碳化时间为30 min、碳化温度为30 ℃、硝酸锌添加量为0.002 mol时,可制得形貌为球形,且为单一晶型、结晶完善的碳酸钙颗粒。并设计了正反滴实验,验证并完整提出了CaCl₂-CO₂-CaCO₃体系中碳化反应作用机理。     

紫外预处理对硅酸盐水泥浆体早期碳化性能的影响

预处理是碳化养护制度中的关键步骤，对水泥浆体碳化非常关键。在本文中，通过紫外线照射的方式对拟碳化养护的水泥试件进行预处理，并与标养预处理对比，测试并分析了硅酸盐水泥浆体的碳化深度、抗压强度、CO₂吸收量及水化产物结构形态变化。结果表明，在相同时间内，水泥试件经过紫外预处理后的质量损失是标养预处理的5.3倍，而在加速碳化后其碳化深度较标养预处理提高了2.4倍，碳化反应后其质量增加4.5倍，早期强度提高了18.9%,CO₂吸收量提高了0.25%。紫外预处理增加了碳化水泥试件高聚合度硅胶(Q³+Q⁴)的含量。因此，紫外预处理可明显加快试件失水和脱钙进程，对水泥试件碳化过程具有显著的增强作用。     

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。     

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。     

MgO和CaO对碱矿渣混凝土抗碳化性能的影响

与普通硅酸盐水泥(OPC)混凝土相比,碱矿渣混凝土(AASC)的抗碳化性能较差。为了提高AASC的抗碳化性能,本文采用MgO和CaO代替部分矿渣制备AASC,研究了加速碳化环境下掺MgO和CaO的AASC在不同碳化龄期的抗压强度和碳化深度,并结合 X 射线衍射(XRD)、同步热分析(TG-DTG)和扫描电镜-能谱(SEM-EDS)等技术分析了MgO和CaO对AASC抗碳化性能的改性机理。结果表明,MgO和CaO分别促进了AASC中Mg-Al水滑石和Ca-Al层状结构的生成,这两种水化产物在碳化过程中会吸收和消耗CO₂,缓解C-S-H的碳化分解。此外,加速碳化后,掺入MgO的AASC中有碳酸钙镁和碳酸镁生成,掺入CaO的AASC中碳酸钙的量明显增多,这些碳化产物可有效填充孔隙,阻碍CO₂向内部进一步的扩散。因此,在碳化环境下,掺MgO和CaO的AASC抗压强度保留率更高,碳化深度更低,表现出更好的抗碳化性能。     

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。     

H2S对铝基固态胺吸附剂吸附CO2性能的干扰机制

H₂S杂质对固态胺吸附剂吸附CO₂性能的干扰机制还缺少全面研究。以Al₂O₃为载体负载聚乙烯亚胺(PEI)制备铝基固态胺吸附剂(PEI@Al₂O₃),系统探究了H₂S对其CO₂吸附容量、吸附速率和循环吸附性能的影响规律。结果表明：H₂S与CO₂共存时,会相互抢占吸附剂上的胺基活性位点,从而发生竞争性吸附,但在模拟沼气条件(40%CO₂+59.5%CH₄+0.5%H₂S)下,H₂S的吸附竞争力远小于CO₂,H₂S吸附被抑制,且二者的最佳吸附温度不一致,在CO₂最佳吸附温度下,PEI@Al₂O₃的CO₂吸附容量和循环稳定性均不受H₂S干...     

Aspen Plus模拟高浓度H2S/CO2酸性气的选择性分离

以煤制氢尾气中的高浓度酸性气体H₂S和CO₂为对象,以聚乙二醇二甲醚（NHD）为吸收剂,使用PC-SAFT状态方程拟合了酸性气体CO₂和H₂S在聚乙二醇二甲醚（NHD）溶剂中溶解参数,运用Aspen Plus流程模拟软件,构建两级吸收分离工艺,实现H₂S和CO₂的高效分离,H₂S浓度由30%提升至98.7%,CO₂含量由55%提升至99.4%。由此,可以通过高效分离酸性气H₂S和CO₂,并以提浓后再资源化利用的方式实现酸性气的污染控制。