加速碳化养护电石渣制备新型建材制品研究_陈惠敏.pdf

-101-第45卷第6期 非金属矿 Vol.45 No.62022年11月 Non-Metallic Mines November,2022加速碳化养护电石渣制备新型建材制品研究陈惠敏1 房延凤1*孔靖勋2 姚淑红1(1 沈阳建筑大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110168；2 辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110005)摘 要 以电石渣为主要原料，在 CO2体积分数为 99%，压力为 0.2 MPa 的条件下对电石渣进行碳化养护，探究成型压力与水固比对碳化制品抗压强度和固碳量的影响。结果表明，碳化反应过程中生成大量方解石填充在孔隙中，成型压力为 8 MPa 时，固碳量达到最大值 23.2%，成型压力超过 8 MPa 时，固碳量逐渐下降；成型压力为 14 MPa 时，抗压强度达到最大值 27.5 MPa；最佳水固比为 10%，此时固碳量和抗压强度均达到最大值，分别为 23.2%和 21.3 MPa。关键词 电石渣；碳化；成型压力；水固比；固碳量中图分类号：TU526；TQ172.4文献标志码：A文章编号：1000-8098(2022)06-0101-04Study on the Preparation of Carbide Slag Based New Building Materials by Accelerated Carbonation Curing Chen Huimin1 Fang Yanfeng1*Kong Jingxun2 Yao Shuhong1(1 School of Materials Science and Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang,Liaoning 110168；2 Liaoning Transportation Planning and Design Institute Co.,Ltd.,Shenyang,Liaoning 110005)Abstract In this paper,carbide slag compacts are carbonated under the conditions of CO2 concentration of 99%and pressure of 0.2 MPa for 2 h to prepare building materias products.The effect of molding pressure and water to solid ratio on compressive strength and carbon capture ability were investigated.The results show that calcite formed and filled in the pores during the carbonation reaction and the carbon uptake reaches a maximum of 23.2%when the molding pressure is 8 MPa.The carbon uptake amount gradually decreases when the molding pressure exceeds 8 MPa.The compressive strength of calcium carbide compacts reaches the maximum value of 27.5 MPa when the molding pressure is 14 MPa.The optimum water to solid ratio was 10%,and the carbon uptake and compressive strength reache the maximum value of 23.2%and 21.3 MPa,respectively.Key words carbide slag;carbonation;molding pressure;water-solid ratio;CO2 uptake电石渣是在水解电石制取乙炔过程中产生的工业固体废渣，每吨电石约产生 1.2 t 电石渣1。电石渣碱性强，不易运输，侵蚀土壤，处理不当会造成严重的生态破坏。目前，电石渣的物理处置方法为填海、填沟有规则存放，或等其自然沉降后出售，这些方法占地面积较大，污染严重，受环境及气侯影响较大，处理效果不稳定2-3。电石渣的应用较广泛，主要用于建筑材料和路基材料中，用于处理“三废”，用作化工材料等4-5。电石渣钙质资源丰富，可以用于生产建筑材料，但综合利用率较低6-7。电石渣的主要化学成分是 Ca(OH)2，约占 70%，Al2O3、SiO2含量次之8-9，因此具有较好的碳化活性。采用碳化技术碳化电石渣可同时消耗温室气体 CO2和工业废渣电石渣10-13，1 t 电石渣可吸收 0.56 t 的 CO2。Guo 等14利用水热法碳化电石渣，可合成均匀的球霰石，不含固体碳酸钙的溶液可以重复吸收 CO2，最终产生相同晶型的球霰石碳酸钙。李英杰等15研究了电石渣循环煅烧/碳化对 CO2捕集特性的影响，认为电石渣可以作为 CO2的高温吸收剂。李勇16以氢氧化钙为原料，采用固体碳化的方法，对碳化路径进行分析，得出矿物碳化可以在实际生产中应用。电石渣制碳化砖技术是电石渣在一定的水固比、成型压力等条件作用下压制成型，再经过碳化成为碳化砖17，达到降低成本、“以废治废”目的，可同时兼顾经济效益与环境效益。本试验主要以电石渣为原料，通过加速碳化养护电石渣生产建材制品，改变水固比和成型压力，探究其对电石渣碳化制品力学性能、固碳量、矿物组成、微观形貌等的影响。1 试验部分1.1 原料 电石渣，取自吉林石化公司电石厂，其主要成分是 Ca(OH)2，约占 93.3%，含少量 SiO2、Al2O3等物质。电石渣的粒度分布，见图 1。从图 1 可看出，收稿日期：2022-09-30基金项目：国家自然科学基金青年基金(51808354)；中国博士后科学基金资助项目(2018M641712)；辽宁省教育厅科学研究经费项目(lnjc202017)。*通信作者，E-mail：。-102-第45卷第6期 非金属矿 2022年11月电石渣颗粒的粒度较细，D50 为 16.5 m，D90 为 58.2 m。图1 电石渣的粒度分布CO2，沈阳顺泰特种气体有限公司，CO2体积分数为 99%；水，实验室普通自来水。1.2 仪 器 设 备 液 压 式 电 子 压 力 试 验 机，WAW-300DS 型，济南文腾试验仪器有限公司；碳化反应釜，LB-300 型，北京航建华业科技发展有限公司；温湿度记录仪，HC-JC102 型，罗卓尼克；X 射线衍射（XRD）仪，D/max Rapidll 型，日本理学有限公司；同步热分析仪，STA 449 F3 Jupiter 型，德国耐驰有限 公司。1.3 试验方法 为探究成型压力和水固比对碳化制品固碳量和力学性能的影响，将粉末状电石渣以规定水固比加水混合，搅拌均匀，装入规格尺寸为 40 mm40 mm40 mm 的模具中，在一定的成型压力下用液压式电子压力试验机压制成型，压力加载速率为 2 mm/min。将已成型试块脱模，随后放入碳化反应釜中通入 CO2进行碳化处理，碳化压力为 0.2 MPa。起始碳化温度为室温，每组试验制三个试块，碳化养护结束后对试块进行力学性能测试、固碳量分析和微观产物分析。1.4 测试方法 使用液压式电子压力试验机对不同成型压力和水固比下的碳化试块进行抗压强度测试；使用温湿度记录仪对碳化釜内的温湿度进行记录，记录间隔为 5 s；使用 X 射线衍射（XRD）仪对样品进行矿相分析，扫描范围为 5 60，步长 0.02，扫描时间 0.2 s；使用同步热分析仪对固碳量等进行分析，温度范围为 501 000，升温速率为 10 /min。2 结果与讨论2.1 碳化过程中的温湿度变化 碳化过程中碳化反应釜内的温湿度曲线，见图 2。从图 2 可看出，碳化电石渣是放热过程，在碳化后的前 20 min，碳化釜的温度逐渐升高至约 51.6，超过 20 min 后温度稍有下降。同时碳化反应放出的热量会使试块中的水分大量蒸发至反应釜中，从而使反应釜中的湿度迅速提升至约95%，并在碳化反应的 2 h 内持续保持较高的湿度。图2 碳化过程中反应釜内的温湿度曲线2.2 成型压力对碳化试块固碳量与力学性能的影响 水固比为 8%，在不同成型压力下成型的电石渣试块进行碳化 2 h，成型压力对固碳量和抗压强度的影响，见图 3。图3 成型压力对固碳量（a）和抗压强度（b）的影响从图 3a 可看出，随着成型压力的增大，试块的固碳量呈先上升后下降趋势，成型压力为 8 MPa 时，固碳量达到最大值 23.2%。成型压力小于 8 MPa，随着成型压力的增大固碳量呈现出增大趋势。这是因为电石渣试块的孔隙率较高，CO2气体可以快速进入试块内部与 Ca(OH)2反应。碳化反应过程中放出大量的热量使试块中的水分蒸发，从而抑制了碳化反应的发生。当成型压力继续增大时，试块结构更加密实，孔隙率降低，阻碍了 CO2向试块内部扩散，使得固碳量增长变缓。因此当成型压力超过 8 MPa 时，随着成型压力的增大，碳化反应效率降低，碳化程度降低，固碳量逐渐下降。从图 3b 可看出，成型压力对抗压强度的影响效果显著，随着成型压力不断增大，碳化试块的抗压强度逐渐升高，成型压力为 14 MPa 时，抗压强度达到最大值 27.5 MPa。试块抗压强度不仅受成型压力影响，还与碳化程度密切相关，电石渣试块在经碳化后养护过程中会形成碳酸钙，碳酸钙填充在孔隙中使试块强度得以提升，因此试块抗压强度随着固碳量的增加而增加。成型压力大于 8 MPa 时，试块孔隙率较小，结构更加致密，即使在碳化过程中吸收的 CO2较少，试块抗压强度也会随着成型压力的提升而逐步提升。综合考虑固碳量和抗压强度指标，成型压力定为8 MPa。0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120时间/min10095908580757065605550湿度/%6050403020温度/湿度温度-103-2.3 水固比对电石渣固碳量和力学性能的影响 电石渣的碳化反应必须在有水条件下进行，试验中将水固比设置在 4%18%的范围，在 8 MPa 压力下进行压制成型，脱模后对试块进行碳化养护 2 h。不同水固比对固碳量和抗压强度的影响，见图 4。图4 不同水固比对固碳量（a）和抗压强度（b）的影响从图 4a 可看出，随着水固比增加，试块固碳量呈先上升后下降趋势，当水固比为 10%时，固碳量达到最大值 23.2%。在水固比较低时，电石渣试块中的水分不够，CO2气体溶解于水中的速度受限，碳化程度较低。当水固比不断增加时，越来越多的 CO2气体溶解于水中，与电石渣中 Ca(OH)2发生碳化反应，使得固碳量不断升高。当水固比超过 10%时，试块中的水分越来越多填充在物料颗粒之间，在压制成型的过程中出现沁水结团现象，水包裹住电石渣颗粒，在一定程度上阻碍了 CO2气体渗入，碳化反应只能发生在物料表面，生成一层致密 CaCO3薄膜，阻碍了 CO2继续扩散，导致固碳量逐渐降低。从图 4b 可看出，抗压强度变化趋势与固碳量变化趋势基本相同。当水固比为 10%时，抗压强度达到最高值 21.3 MPa。一方面是因为当水固比增加时，碳化程度明显增加，试块经碳化生成碳酸钙晶体填充在空隙中起到很好胶结和填充作用，使得试块抗压强度明显增强。另一方面，当水固比较小时，电石渣较干燥，与水搅拌不均匀，试块不易成型，导致结构疏松，造成试块抗压强度较低。当水固比超过 10%时，由于水分过多，试块同样也不易成型，后期脱模也变得困难，导致抗压强度逐渐降低。2.4 热重（TG）分析 选取最高固碳量的碳化电石渣与未碳化电石渣进