一种粉煤灰矿渣固碳地聚物及其制备方法和应用

本发明涉及建筑材料，更具体地，涉及一种粉煤灰矿渣固碳地聚物及其制备方法和应用。

背景技术：

1、全球变暖是当前全球面临的重大环境挑战之一，中国一直在积极采取措施减少温室气体排放，以实现绿色、低碳的发展。为了实现全球二氧化碳的碳中和、碳减排目标，不仅要从生产上降低碳排放，还需开发有效的碳捕捉技术。目前已有研究将工业废弃物矿渣和粉煤灰作为补充胶凝材料应用到水泥当中，实现废弃物循环利用。矿渣和粉煤灰中具有一定量的含钙相，可将二氧化碳转化为碳酸盐化合物，拥有巨大的固碳潜力。废弃物的固碳速率受温度、压强、溶剂、固液比、碳化时间和材料粒径等因素影响，其中溶剂和材料粒径因素对碳化速率影响最为明显。现有的废弃物固碳方式中，为提高固碳效率，使用成本较高的化学剂或使用高耗能的条件等，然而引入新的物质往往会影响固碳废弃物的再利用。因此，有必要开发一种新的固碳方法，在常温常压条件下实现低成本高效固碳并实现固碳废弃物的再应用。

2、现有技术公开了一种矿渣碳化改性方法、碳化改性矿渣胶凝材料及其制备方法，其固碳方式为在常温常压下气-固反应碳化，将矿渣置于温度为20～30℃、相对湿度为50～70％、二氧化碳体积浓度为30～100％的条件下反应3～168h，即完成对矿渣的碳化改性。然后使用改性矿渣作为胶凝材料，通过两步法制得地聚物。通过矿渣碳化改性不仅可以捕获和储存部分二氧化碳还可以有效延长碳化矿渣胶凝材料的凝结间。然而其固碳效率较低，仅为1.5％，不利于提高地聚物的强度，难以适应工程中的实际应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有的废弃物固碳方式固碳效率低的缺陷或不足，提供一种粉煤灰矿渣固碳地聚物固碳地聚物的制备方法。

2、本发明的另一目的在于提供一种粉煤灰矿渣固碳地聚物。

3、本发明的又一目的在于提供一种粉煤灰矿渣固碳地聚物在建筑材料中的应用。

4、本发明的上述目的通过以下技术方案来实现：

5、一种粉煤灰矿渣固碳地聚物的制备方法，包括以下步骤：

6、s1.将粉煤灰加入碳酸盐溶液中，混合均匀，通入二氧化碳气体进行固碳反应得到固碳粉煤灰；

7、s2.将固碳矿渣加入碳酸盐溶液中，混合均匀，通入二氧化碳气体进行固碳反应得到固碳矿渣；

8、s3.将步骤s1得到的固碳粉煤灰和步骤s2得到的固碳矿渣混合，加入激发剂无水硅酸钠搅拌均匀，然后加入水搅拌得到粉煤灰矿渣固碳地聚物。

9、本发明的制备方法通过将粉煤灰和矿渣分别加入碳酸盐溶液中然后通入二氧化碳，一方面利用碳酸根与二氧化碳和水反应生成碳酸氢根，碳酸氢根与粉煤灰或矿渣中的活性氧化钙反应得到稳定的碳酸钙，实现固碳；另一方面碳酸根可以提高常温常压下二氧化碳溶解度，有利于促进固碳反应的进行，同时消耗的碳酸根可通过不断注入的二氧化碳再生成，因此能进一步提升固碳效率。固碳后得到的固碳矿渣和固碳粉煤灰相比于固碳前矿渣或粉煤灰活性氧化钙降低、碳酸钙含量提高，得到的地聚物凝结时间变长、强度变高。在形成的地聚物中，由于活性氧化钙遇水后会生成氢氧化钙，为地聚物孔隙液提供碱性环境，促使反应加快，因此地聚物会加快凝结，当活性氧化钙含量降低后，地聚物凝结时间会变长。

10、优选地，步骤s1所述碳酸盐可以为碳酸钠、碳酸钾中的任一种。

11、优选地，步骤s1或步骤s2所述碳酸盐溶液浓度为0.2～1mol/l。具体可以0.25mol/l、0.5mol/l、0.75mol/l、1mol/l。为了使粉煤灰或矿渣固碳效率更高，需要选择合适的碳酸盐浓度，碳酸盐浓度过低，固碳反应速率较慢，固碳时间长；碳酸盐浓度过高时，造成原料的浪费。

12、优选地，步骤s1所述粉煤灰质量或步骤s2所述矿渣质量和碳酸盐溶液体积的比值均为0.1～0.5(g/ml)。在这一比值范围内，所有粉煤灰或矿渣能很好地浸润在碳酸盐溶液中，有利于固碳反应更充分地进行。

13、优选地，步骤s1或步骤s2所述通入二氧化碳气体的流量为0.1～1ml/(min·g)。在具体实施方式中，步骤s1或步骤s2所述通入二氧化碳气体的纯度为99％，通入二氧化碳气体流量为0.5ml/(min·g)。

14、优选地，步骤s1或步骤s2所述固碳反应的温度为25～65℃。在具体实施方式中，步骤s1或步骤s2固碳反应的温度为45℃，可以在水浴条件下搅拌进行，搅拌速度为1000rpm/min。一般来说，步骤s1中的固碳反应可在常温下搅拌进行，为了加快反应速率可适当提高反应温度。

15、优选地，步骤s1或步骤s2所述固碳反应的时间为0.5～6h。在具体实施方式中，搅拌时间可以为0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、4h、5h或6h。

16、需要说明的是，步骤s1和步骤s2得到的固碳粉煤灰和固碳矿渣需要干燥，可将固碳粉煤灰和固碳矿渣沉淀于烘干箱102℃烘干24h。

17、优选地，步骤s3所述固碳粉煤灰和固碳矿渣、无水硅酸钠和水的质量比为40～60：40～60：10～20：30～50。在这一比例条件下，得到的地聚物性能更优异。

18、优选地，步骤s3所述无水硅酸钠的模数(si2o/na2o)为1～2。

19、一种粉煤灰矿渣固碳地聚物也在本发明保护范围之内。

20、优选地，所述粉煤灰矿渣固碳地聚物初凝时间大于60min，固碳率高于9.5％。

21、本发明还保护一种粉煤灰矿渣固碳地聚物在建筑材料中的应用。

22、本发明具有以下有益效果：

23、(1)本发明采用固液碳化工艺，将固碳粉煤灰和固碳矿渣制备成粉煤灰矿渣固碳地聚物，与传统的的气固碳化反应相比，本发明的制备方法固碳速率更快，碳化程度也更深，可实现3小时内完全碳化。本发明得到的粉煤灰矿渣固碳地聚物具有优异的性能，在不加缓凝剂的情况下初凝时间可以达到65min，7天后地聚物基体强度能达到35.2mpa。

24、(2)本发明在制备粉煤灰矿渣固碳地聚物过程中不需要提前调配碱液，直接加水即可，可以避免碱液运输带来的安全隐患。

技术特征：

1.一种粉煤灰矿渣固碳地聚物的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤s1或步骤s2所述碳酸盐溶液浓度为0.2～1mol/l。

3.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤s1所述粉煤灰质量或步骤s2所述矿渣质量和碳酸盐溶液体积的比值均为0.1～0.5(g/ml)。

4.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤s1或步骤s2所述通入二氧化碳气体的流量为0.1～1ml/(min·g)。

5.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤s1或步骤s2所述固碳反应的温度为25～65℃。

6.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤s1或步骤s2所述固碳反应的时间为0.5～6h。

7.如权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤s3所述固碳粉煤灰、固碳矿渣、无水硅酸钠和水的质量比为40～60：40～60：10～20：30～50。

8.一种粉煤灰矿渣固碳地聚物，由权利要求1～7任一项所述制备方法制备得到。

9.如权利要求8所述粉煤灰矿渣固碳地聚物，其特征在于，初凝时间大于60min，固碳率高于9.5％。

10.一种权利要求8或9所述粉煤灰矿渣固碳地聚物在建筑材料中的应用。

技术总结本发明公开了一种粉煤灰矿渣固碳地聚物及其制备方法和应用，涉及建筑材料技术领域。一种粉煤灰矿渣固碳地聚物的制备方法，包括以下步骤：S1.将粉煤灰加入碳酸盐溶液中，混合均匀，通入二氧化碳气体进行固碳反应得到固碳粉煤灰；S2.将固碳矿渣加入碳酸盐溶液中，混合均匀，通入二氧化碳气体进行固碳反应得到固碳矿渣；S3.将步骤S1得到的固碳粉煤灰和步骤S2得到的固碳矿渣混合，加入激发剂无水硅酸钠搅拌均匀，然后加入水搅拌得到粉煤灰矿渣固碳地聚物。本发明得到的粉煤灰矿渣固碳地聚物固碳率高，在不加缓凝剂的情况下初凝时间能达到65min，7天后地聚物基体强度能达到35.2MPa。技术研发人员：钟淮丞,谢建和,冯源,谭嘉坤,赵晨扬,张彬,方骏达受保护的技术使用者：广东工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11