通过碳化镁渣来结合煤气化渣，制备绿色建筑材料及其性能研究

《Journal of Building Engineering》：Preparation and Properties of Green Building Materials by Carbonating Magnesium slag to bond Coal Gasification Slag

利用煤气化渣（CGS）和镁还原渣（MRS）协同处理，通过模拟工业废气中的二氧化碳碳化制备绿色建筑材料，系统研究碳化温度（40-90℃）、时间（24-168h）及CO?流量（4-6 L/min）对材料相组成、力学性能和微观结构的影响。研究表明60℃、4 L/min CO?流量时碳化度达49.14%，抗压强度58.4 MPa最优，而高温高流量抑制反应。该技术为固废协同处置与碳封存提供新方案，推动低碳建筑材料发展。

　　

岳虎|尹洪峰|辛亚楼|吕家伟|唐云|任小虎|袁慧迪|刘玉池|吴波

西安建筑科技大学材料科学与工程学院，中国西安710055

摘要：

本文提出了一种协同的“固体废物-废气”处理技术，旨在解决陕西省煤炭开采集中区域煤炭气化渣（CGS）和镁渣（MS）大量堆积、环境污染以及利用率低的问题。该技术将CGS用作骨料，镁还原渣（MRS）作为基体，并利用CO₂废气对MRS进行碳酸化处理，以生产绿色建筑材料。系统研究了碳酸化温度、时间和CO₂流量对材料相组成、力学性能和微观结构的影响。结果表明，将碳酸化温度提高到60°C可以加速MRS的碳酸化过程，使其碳酸化程度达到49.14%。适当增加CO₂流量至4 L·min^-1可以提高样品的抗压强度和碳酸化程度，最高可达到58.4 MPa。然而，过高的温度（90°C）和过快的气体流量（6 L·min^-1）会抑制碳酸化反应过程。当样品的碳酸化程度达到峰值后，其抗压强度和体积密度会略有下降，但随着碳酸化时间的延长趋于稳定；这一现象在样品60D@4经过超过1天的碳酸化处理后尤为明显。本研究为工业固体废物和温室气体的协同处理提供了新的解决方案，有助于推动建筑材料的绿色低碳转型。

引言

在传统的混凝土生产过程中，需要使用大量的水泥，从而导致高能耗和高碳排放。据估计，到2024年，中国产生的工业固体废物总量将超过40亿吨，其中煤炭气化渣（CGS）的产量将超过7000万吨，镁渣（MS）的产量约为800万吨[1]，[2]。在陕西省的煤矿集中分布区，CGS和MS的产量分别超过600万吨和309万吨，但它们的综合利用率仅为6.1%和4.5%[3]。因此，大规模利用这两种固体废物对该地区至关重要。目前，工业固体废物与工业废气的协同处理已成为一种创新策略，以应对资源和环境挑战。为了解决这些问题，提出了一种“基于固体废物的碳封存”方法——通过引入废气中的CO₂，使固体废物固化并减少CO₂排放，从而建立“固体废物-废气协同处置系统”。该系统有效利用了工业固体废物和废气中的CO₂，有利于环境保护和碳中和。

CGS是煤炭气化过程中产生的固体废物。其较大的颗粒和较高的碳含量在一定程度上限制了其应用[4]，[5]，[6]。镁还原渣（MRS）是镁金属生产的副产品，主要由γ-Ca₂SiO₄（γ-C₂S）和β-Ca₂SiO₄（β-C₂S）组成。虽然β-C₂S的水化活性高于γ-C₂S，但γ-C₂S的碳酸化反应性更强[7]。MRS中存在的高活性f-MgO会导致快速的水化膨胀，影响水化产物的结构完整性和长期稳定性[8]，[9]，[10]。此外，γ-C₂S的低水化活性会减缓整体水化速率，阻碍MRS作为粘结材料的广泛应用。

然而，MRS中丰富的钙和镁矿物使其具有较高的碳封存潜力，可以通过碳酸化作用减轻f-MgO引起的不稳定性[11]，[12]。目前已有许多关于MRS碳酸化和CGS利用的研究。张等人通过两阶段工艺（先进行2小时的预碳酸化，再水化固化）提高了MRS的抗压强度（二次固化后达到90 MPa）和体积稳定性[13]。莫等人利用CO₂对MRS进行碳酸化处理，制备出抗压强度高达119.5 MPa的CaCO₃粘结剂，证明碳酸化后的MRS不仅能够减少体积膨胀，还符合路基材料和墙体材料的性能要求[14]。杨等人证实了MRS和CGS之间的协同效应，并确定了二元系统（MRS-CGS）的强度优于单一组分系统（MRS）[15]。王等人制备了MRS与CGS比例为0.4的样品，经过28天的碳酸化处理后，其抗压强度（38.9 MPa）和抗弯强度（9.1 MPa）均达到较高水平[16]。研究表明，精确控制反应条件和碳酸化产物的稳定性是决定材料性能的关键因素[17]。例如，在较低的温度（40°C）下有利于文石的形成，而在较高温度下则有利于方解石的生成[18]，[19]。延长碳酸化时间可以显著提高MRS的力学强度和密度。严等人报告称，经过168小时的碳酸化处理后，骨料的强度从3.65 MPa增加到10.8 MPa，CO₂吸收率达到18.5%；随着碳酸化时间的延长，骨料强度趋于稳定[20]。大明等人也证实，增加CO₂浓度和延长碳酸化时间有助于提高强度。在最佳条件下，材料强度可超过14 MPa，CO₂吸收率超过40%；当CO₂浓度为30-40%且压力为常压时，仅需2-6小时的碳酸化时间即可使强度超过10 MPa[21]。CO₂分压的变化也会影响碳酸化反应速率和产物的性质[22]。通过优化这些条件，可以进一步提高MRS的碳酸化效率。

上述研究表明，MRS和CGS的应用范围得到了扩展，同时它们的碳封存潜力也得到了证实；然而，这些研究中提出的方法往往存在样品成型周期长（超过3天）、工艺复杂（加压碳酸化固化）和成本高等问题。在CO₂捕获、利用和储存的过程中，需要进一步研究以降低生产成本并提高产品附加值。此外，大规模利用CGS和MRS进行材料制备时，经济价值低和制备周期长等问题仍需深入系统研究。一种具有成本效益的方法是直接将废气引入MRS和CGS样品中参与反应。在以往的研究中，MRS和CGS主要被制成骨料或辅助掺合料，而利用模拟工业废气和MRS作为主要粘结剂、CGS作为骨料的湿碳酸化过程的系统研究还不够充分[13]，[23]，[24]。叶等人模拟了水泥窑废气在湿碳酸化过程中的作用，并揭示了MRS的相组成和微观结构随温度的变化[25]。雷等人发现，废气中的温度和湿度对样品的碳酸化反应有显著影响：最佳碳酸化条件为温度120°C、相对湿度40%[26]。湿碳酸化技术因成本低、操作简单且能更有效地促进f-CaO和f-MgO的水化而受到青睐[27]，[28]，[29]。然而，MRS和CGS协同碳封存过程中的工艺参数优化、物理性质演变和碳酸化机制仍需进一步深入研究。

基于此，本文采用湿碳酸化工艺在模拟的CO₂-废气环境中制备了绿色建筑材料，以CGS作为骨料，MRS作为基体。系统研究了颗粒级配、碳酸化温度、气体流量和碳酸化时间对样品碳酸化程度、抗压强度和微观结构的影响。这种改进的技术路线具有样品成型周期短、工艺简单和成本低等优点，为MRS、CGS和废气的协同处理提供了新的技术方案。它不仅为固体废物的大规模处理和废气中CO₂的封存奠定了坚实基础，也有助于建筑材料的绿色低碳发展。

部分内容片段

材料

MRS和CGS分别从陕西省榆林市的神木东风金属镁有限公司和榆林市凤清煤炭运输销售有限公司采集。使用X射线荧光光谱（XRF）分析了这两种渣的化学成分，结果总结在表1中。如图1a所示，MRS和CGS骨料在碳酸化前后的X射线衍射图谱表明，γ-C₂S和β-C₂S是主要矿物相。

碳酸化温度对样品抗压强度和碳酸化程度的影响

图3a-c显示了不同温度下样品的碳酸化后的抗压强度。如图3a-c所示，在使用相同剂量的MRS时，随着CGS颗粒尺寸的减小（范围从0.5 mm到3 mm），样品的抗压强度总体呈下降趋势。

结论

通过湿碳酸化模拟CO₂-废气环境，系统研究了颗粒级配和碳酸化条件对由MRS和CGS制备的建筑材料相组成、力学性能和结构的影响，得出以下结论：

1.

在碳酸化过程中，较高的温度可以加快Ca²⁺和CO₂的扩散速率，从而提高整体碳酸化效率。然而，过高的温度会降低CO₂

作者贡献声明

辛亚楼：资源获取、资金筹集。尹洪峰：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目实施、调查、资金筹集、数据分析、概念化。唐云：方法论。吕家伟：可视化。袁慧迪：监督。任小虎：数据管理。吴波：验证。刘玉池：数据管理。岳虎：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、资源管理、方法论、调查、数据分析

利益冲突声明

不存在需要声明的利益冲突。

数据可用性

研究数据不予共享。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了武汉理工大学的省部共建国家级耐火材料与冶金重点实验室关键研发计划（项目编号G202508）和陕西省自然科学基金研究计划（项目编号2024JC-YBQN-0593）以及先进耐火材料重点实验室开放研究项目（项目编号SKLAR202301）的支持。作者还感谢分析人员