CN113816659A - 一种利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装饰板材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于碳中和与烟气治理、胶凝材料、建筑材料技术领域，尤其涉及一种利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装饰板材的方法，包括步骤：（1）碳捕捉：使用碳捕捉技术，用吸收剂对工业烟气中的二氧化碳进行碳捕捉，制得二氧化碳储集材料CO2SM浆液；（2）碳胶凝剂的制备：将含CaO或Ca（OH）2碱性矿物材料的固体废弃物在有水的条件下加入到上述浆液进行反应，结晶得到球霰石CaCO3（V型）颗粒；（3）碳固化：将球霰石颗粒完全或部分替代轻质装饰板材材料配方中的水泥或其他起胶凝作用的材料，制造轻质装饰板材。本发明的有益效果是：可以通过碱性固废来捕捉固化工业烟气中的CO2，将CO2转换为无机高效胶凝材料，并实现了无机环保轻质高强建筑装饰板材。
Description
技术领域
本发明属于碳中和与烟气治理、建筑材料技术领域，尤其涉及利用碳中和制备胶凝材 料、建筑材料的一体化技术，具体为一种利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装饰板材的方 法。
背景技术
碳捕捉(CCS)为将工业生产中的二氧化碳用各种手段捕捉然后储存或者利用的过程。目 前的碳捕捉技术很难资源化，成本昂贵。现有技术使用碳捕捉技术进行CO2处理时，一般 通过外加剂捕捉工业烟气中的CO2到溶液中，并通过高能耗的方式将溶液中的CO2以气体 形式释放并浓缩提纯。提纯后的CO2，进行固化填埋，或作为其他食品及化工工业用品的 原材料。由于食品及化工工业对原材料的纯度要求极高，其中浓缩和提纯的成本昂贵。而 固体填埋的处理费用较高，并且可能有二次逃逸的风险。
中国专利CN104936900A提供了一种制备碳酸钙凝胶的方法及由其获得的产物，包括使 干燥固体形式的熟石灰与醇反应以形成醇钙的醇悬浮液；将二氧化碳注入所述悬浮液中， 以及使悬浮液凝胶化成沉淀的碳酸钙醇凝胶，然后能够干燥所述醇溶胶以形成碳酸钙的气 凝胶或干凝胶。该方法能够工业制备稳定的气凝胶，且该凝胶具有大的BET比表面积。该 技术是通过气凝胶的方式得到一种凝胶物质，并实现碳酸钙较大比表面积轻质结构的，其 可作为绝缘体的候选者。在[0033]段指明，所用的醇含有尽可能少的水，由于上述这种水会 造成凝胶解构的风险。反应条件要求苛刻。由于普通烟气环境及含有二氧化碳的固体废弃 物中，一般都会有水的存在，因此该方法用于烟气和固体废弃物的处理时效果还有待进一 步验证。且生成的是碳酸钙凝胶，不具有胶凝材料胶结其它物料的性能，需要与粘土等材 料混合制备成水泥才具有胶结的特性。
目前，仍然没有较好的方法对烟气中二氧化碳及固废进行回收再利用，也不能对二氧 化碳进行永久固化，该问题亟需进行研究。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装 饰板材的方法，通过本发明的技术通过碱性固废来捕捉固化工业烟气中的CO2，将CO2转 换为无机高效胶凝材料，并且该材料可以实现无机环保轻质高强建筑装饰板材。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装饰板材的方法，包括如下步骤：
(1)碳捕捉：使用碳捕捉技术，用吸收剂对工业烟气中的二氧化碳进行碳捕捉，吸收 二氧化碳后制得二氧化碳储集材料CO2SM浆液；
(2)碳胶凝剂的制备：将含CaO或Ca(OH)2碱性矿物材料的固体废弃物在有水的 条件下加入到上述二氧化碳储集材料CO2SM浆液进行反应，结晶得到球霰石CaCO3(V 型)颗粒；
(3)碳固化：将球霰石CaCO3(V型)颗粒完全或部分替代轻质装饰板材材料配方 中的水泥或其他起胶凝作用的材料，制造轻质装饰板材。
优选地，所述所述步骤(1)中，对于CO2含量高、其他废气源少的工业烟气直接进行碳捕捉处理，对于SO2、NOx较高的烟气，先对工业烟气进行脱硫、脱硝预处理，达到大 气排放要求再进行碳捕捉收集。
优选地，所述步骤(1)中，用吸收剂对含有二氧化碳的气体喷淋至溶液PH值降低至6-7时，再将得到二氧化碳储集材料进行碳胶凝剂的制备。
优选地，所述步骤(1)中，吸收剂为乙二胺(EDA)与1,3-丁二醇(BTD)按照摩尔 比20:1-40:1混合得到的体系。
优选地，所述步骤(2)中，将结晶后得到的吸收剂溶液回收，重新用于二氧化碳捕捉。
优选地，所述步骤(2)中，CO2SM与Ca(OH)2或CaO的质量比在10-50之间， 进一步优选为30-40，水与Ca(OH)2或CaO的质量比为5:1到20:1。
为了使吸收剂的混合体系更加均匀，将吸收剂加水稀释后再用于二氧化碳的吸收。另外， 水可以避免反应热的集聚，利于CaO生成Ca(OH)2的反应。
优选地，所述步骤(2)中，反应温度20-40℃，进一步优选为25-30℃；反应时间20-60min， 进一步优选为40-50min；反应时使用超声波辅助反应。
优选地，所述步骤(2)中，反应后先进行常温冷却结晶，离心后的溶液在120-180℃进 行蒸发结晶，得到球霰石CaCO3(V型)颗粒。
优选地，所述步骤(2)中，含CaO或Ca(OH)2碱性矿物材料的固体废弃物为熟石 灰、石灰、电石渣等中的一种或几种，进一步优选为电石渣。
优选地，所述步骤(3)中，轻质装饰板材的制备方法为抄取法、流浆法、铺浆法、模压法中的一种，进一步优选为抄取法或流浆法。
优选地，所述步骤(3)中，轻质装饰板材为纤维增强碳板或纤维增强硅酸钙碳板。
本发明的有益效果为：
本发明的二氧化碳来源于工业烟气，碱性原材料来源于固体废弃物，且使用碳捕捉技术 捕捉下来的CO2，通过碱性原材料进行反应生成胶凝剂，在进行烟气和固体废弃物处理的 同时，生成了副产物球霰石CaCO3(V型)颗粒，该材料为水性胶凝材料，具有使胶乳逐 渐转变成均匀的半刚性固体凝胶、并保持原有形状的特性，因此能用于建筑材料，且由于 其具有较大的比表面积、较高的分散性能以及较小的比重，使其可以应用在轻质建筑材料 上，从而可以有效减少建材中水泥的使用量，这样就可以减少水泥制造带来的能源及环境 消耗。同时使用球霰石CaCO3(V型)颗粒制造的建材可以有效减小建材的重量，减少整体能耗。相对于水泥的硅酸盐体系，与水反应的材料具有轻质高强的建材的特点，且形态更稳定，不会随着时间持续反应，避免了因持续反应产生应力而影响产品的持续稳定性。本发明的方法对工业废气、废渣和固化过程的副产物都进行了充分利用，除可以直接代替水泥用于制备轻质建筑材料方面，还可以用于工业烟气的处理，如发酵、化工、电厂、钢 厂等产生的烟气，具有极高的经济价值和社会价值。
由于在建材制造的工艺流程本身就有水的参与，而且建材不需要较高纯度的原材料， 所以对CO2基的胶凝原材料，浓缩和提纯要求低，而这种固化又可以实现永久固化，因此 将捕捉得到的二氧化碳储集材料制成建材进行碳固化是最好的固化方式。所以本发明是一 个低成本、可持续、资源化和有实际功能并可大规模推广的有效的方法。此外，本发明将 碳收集、捕捉、固化一体化用于建材制造，在很大程度上有助于碳达峰、碳中和的推广及实施。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描 述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发 明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施 例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装饰板材的方法，包括如下步骤：
(1)碳捕捉：使用碳捕捉技术，用吸收剂对工业烟气中的二氧化碳进行碳捕捉，吸收 二氧化碳后制得二氧化碳储集材料CO2SM浆液；
(2)碳胶凝剂的制备：将含CaO或Ca(OH)2碱性矿物材料的固体废弃物在有水的 条件下加入到上述二氧化碳储集材料CO2SM浆液进行反应，结晶得到球霰石CaCO3(V 型)颗粒；
(3)碳固化：将球霰石CaCO3(V型)颗粒完全或部分替代轻质装饰板材材料配方 中的水泥或其他起胶凝作用的材料，制造轻质装饰板材。
所述所述步骤(1)中，对于CO2含量高、其他废气源少的工业烟气直接进行碳捕捉处理，对于SO2、NOx较高的烟气，先对工业烟气进行脱硫、脱硝预处理，达到大气排放 要求再进行碳捕捉收集。
所述步骤(1)中，用碳捕捉的吸收剂对含有二氧化碳的气体喷淋至溶液PH值降低至 6-7时，再将得到二氧化碳储集材料进行碳胶凝剂的制备。
所述步骤(1)中，吸收剂为乙二胺(EDA)与1,3-丁二醇(BTD)按照摩尔比20:1-40:1混合得到的体系。
为了使吸收剂的混合体系更加均匀，可将吸收剂加水稀释后再用于二氧化碳的吸收。另 外，水可以避免反应热的集聚，在使用CaO为碱性矿物材料时，还利于CaO生成Ca(OH)2的反应。
所述步骤(2)中，将结晶后得到的吸收剂溶液回收，重新用于二氧化碳捕捉。
所述步骤(2)中，CO2SM与Ca(OH)2或CaO的质量比在10-50之间，进一步优 选为30-40，水与Ca(OH)2或CaO的质量比为5:1到20:1。
所述步骤(2)中，反应温度20-40℃，优选为25-30℃；反应时间20-60min，优选为40-50min；反应时使用超声波辅助反应。
所述步骤(2)中，反应后先进行常温冷却结晶，离心后的溶液在120-180℃进行蒸发 结晶，两次结晶得到球霰石CaCO3(V型)颗粒。
所述步骤(2)中，含CaO或Ca(OH)2碱性矿物材料的固体废弃物为熟石灰、石灰、 电石渣等中的一种或几种，优选为电石渣。
所述步骤(3)中，轻质装饰板材的制备方法为抄取法、流浆法、铺浆法、模压法中的一种，优选为抄取法或流浆法。
所述步骤(3)中，轻质装饰板材为纤维增强碳板或纤维增强硅酸钙碳板。
硅酸盐水泥制备时为复杂的多晶相反应，硅酸盐水泥呈碱性，对纤维有腐蚀，对纤维 的要求较高，且在反应时有收缩，并且会持续，会影响产品的持续稳定性。本发明的碳胶凝剂胶凝反应简单，养护周期短，PH呈中性，可以适用于各种纤维，所以在制备轻质板材 时可选择较便宜材料；尺寸稳定性好，可代替5％-100％的水泥，使用到建材时直接添加即可。用本发明的方法制备的板材，质轻、强度高，无毒无害，可以实现无机环保轻质高强 板材的要求。
实施例1：
本实施例利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装饰板材的方法，包括如下步骤：
(1)碳捕捉：使用碳捕捉技术，用乙二胺(EDA)与1,3-丁二醇(BTD)按照摩尔比 30:1混合得到的体系作为吸收剂，并加水对吸收剂进行稀释，对满足排放要求的工业烟气 中的二氧化碳通过喷淋的方式进行碳捕捉，喷淋时将吸收剂的流量和烟气流量的气液比控制在0.5-2之间，吸收二氧化碳后制得二氧化碳储集材料CO2SM浆液；
(2)碳胶凝剂的制备：至上述浆液PH值降低至6-7时，将含Ca(OH)2的电石渣加 入到上述二氧化碳储集材料CO2SM浆液进行反应，并使二氧化碳储集材料CO2SM与Ca (OH)2的质量比为35，二氧化碳储集材料CO2SM浆液中水的质量为Ca(OH)2质量 的10倍，反应温度为25-30℃；反应时间为50min，反应时使用超声波辅助加速反应，反 应结束后将反应体系常温冷冷却结晶，离心后的液体在160-180℃蒸发结晶，得到球霰石 CaCO3(V型)颗粒；结晶后的吸收剂溶液进行回收，重新用于二氧化碳捕捉。
(3)碳固化：将球霰石CaCO3(V型)颗粒完全替代纤维增强硅酸钙板材料配方中 的水泥，用流浆法制造纤维增强硅酸钙板轻质装饰板材。
实施例2：
本实施例利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装饰板材的方法，包括如下步骤：
(1)碳捕捉：使用碳捕捉技术，用乙二胺(EDA)与1,3-丁二醇(BTD)按照摩尔比 20：1混合得到的体系作为吸收剂，加水对吸收剂进行稀释，对满足排放要求的工业烟气中 的二氧化碳通过喷淋的方式进行碳捕捉，喷淋时将吸收剂的流量和烟气流量的气液比控制在0.5-2之间，吸收二氧化碳后制得二氧化碳储集材料CO2SM浆液；
(2)碳胶凝剂的制备：至上述浆液PH值降低至6-7时，将含Ca(OH)2的电石渣加 入到上述二氧化碳储集材料CO2SM浆液进行反应，并使二氧化碳储集材料CO2SM与Ca (OH)2的质量比为50，二氧化碳储集材料CO2SM浆液中水的质量为Ca(OH)2质量 的15倍，反应温度为25-30℃；反应时间为50min，反应时使用超声波辅助加速反应，反 应结束后将反应体系常温冷冷却结晶，离心后的液体在160-180℃蒸发结晶，得到的固体即 为球霰石CaCO3(V型)颗粒；
结晶后的吸收剂溶液进行回收，重新用于二氧化碳捕捉。
(3)碳固化：将球霰石CaCO3(V型)颗粒替代30％纤维增强硅酸钙板材料配方中 的水泥，用流浆法制造纤维增强硅酸钙板轻质装饰板材。
实施例3：
本实施例利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装饰板材的方法，包括如下步骤：
(1)碳捕捉：使用碳捕捉技术，用乙二胺(EDA)与1,3-丁二醇(BTD)按照摩尔比 40：1混合得到的体系作为吸收剂，并加水对吸收剂进行稀释，对满足排放要求的工业烟气 中的二氧化碳通过喷淋的方式进行碳捕捉，喷淋时将吸收剂的流量和烟气流量的气液比控制在0.5-2之间，吸收二氧化碳后制得二氧化碳储集材料CO2SM浆液；
(2)碳胶凝剂的制备：至上述浆液PH值降低至6-7时，将含Ca(OH)2的电石渣加 入到上述二氧化碳储集材料CO2SM浆液进行反应，其中CO2SM与Ca(OH)2的质量比 为15，二氧化碳储集材料CO2SM浆液中水的质量为Ca(OH)2质量的5倍，反应温度 为25-30℃；反应时间为50min，反应时使用超声波辅助加速反应，反应结束后将反应体系 常温冷冷却结晶，离心后的液体在160-180℃蒸发结晶，得到球霰石CaCO3(V型)颗粒；
结晶后的吸收剂溶液进行回收，重新用于二氧化碳捕捉。
(3)碳固化：将球霰石CaCO3(V型)颗粒替代10％纤维增强硅酸钙板材料配方中 的水泥，用流浆法制造纤维增强硅酸钙板轻质装饰板材。
实施例4：
本实施例利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装饰板材的方法，包括如下步骤：
(1)碳捕捉：使用碳捕捉技术，用乙二胺(EDA)与1,3-丁二醇(BTD)按照摩尔比 30:1混合得到的体系作为吸收剂，并加水对吸收剂进行稀释，对满足排放要求的工业烟气 中的二氧化碳通过喷淋的方式进行碳捕捉，喷淋时将吸收剂的流量和烟气流量的气液比控制在0.5-2之间，吸收二氧化碳后制得二氧化碳储集材料CO2SM浆液；
(2)碳胶凝剂的制备：至上述浆液PH值降低至6-7时，将含Ca(OH)2的熟石灰加 入到上述二氧化碳储集材料CO2SM浆液进行反应，其中CO2SM与Ca(OH)2的质量比 为35，二氧化碳储集材料CO2SM浆液中水的质量为Ca(OH)2质量的12倍，反应温度 为25-30℃；反应时间为40min，反应时使用超声波辅助加速反应，反应结束后将反应体系 常温冷冷却结晶，离心后的液体在160-180℃蒸发结晶，得到球霰石CaCO3(V型)颗粒； 结晶后的吸收剂溶液进行回收，重新用于二氧化碳捕捉。
(3)碳固化：将球霰石CaCO3(V型)颗粒替代70％纤维增强硅酸钙板材料配方中 的水泥，用抄取法制造纤维增强硅酸钙板轻质装饰板材。
实施例5：
本实施例利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装饰板材的方法，包括如下步骤：
(1)碳捕捉：使用碳捕捉技术，用乙二胺(EDA)与1,3-丁二醇(BTD)按照摩尔比 25:1混合得到的体系作为吸收剂，并加水对吸收剂进行稀释，对满足排放要求的工业烟气 中的二氧化碳通过喷淋的方式进行碳捕捉，吸收二氧化碳后制得二氧化碳储集材料CO2SM 浆液；
(2)碳胶凝剂的制备：至上述浆液PH值降低至6-7时，将含Ca(OH)2的生石灰加 入到上述二氧化碳储集材料CO2SM浆液进行反应，其中CO2SM与CaO的质量比为25， 二氧化碳储集材料CO2SM浆液中水的质量为CaO质量的18倍，反应温度为25-30℃；反 应时间为40min，反应时使用超声波辅助加速反应，反应结束后将反应体系常温冷冷却结晶， 离心后的液体在160-180℃蒸发结晶，得到球霰石CaCO3(V型)颗粒；结晶后的吸收剂 溶液进行回收，重新用于二氧化碳捕捉。
(3)碳固化：将球霰石CaCO3(V型)颗粒替代50％纤维增强碳板材料配方中的水泥，用抄取法制造纤维增强碳板轻质装饰板材。
实施例6：
本实施例利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装饰板材的方法，包括如下步骤：
(1)碳捕捉：使用碳捕捉技术，用乙二胺(EDA)与1,3-丁二醇(BTD)按照摩尔比 30:1混合得到的体系作为吸收剂，并加水对吸收剂进行稀释，对满足排放要求的工业烟气 中的二氧化碳通过喷淋的方式进行碳捕捉，喷淋时将吸收剂的流量和烟气流量的气液比控制在0.5-2之间，吸收二氧化碳后制得二氧化碳储集材料CO2SM浆液；
(2)碳胶凝剂的制备：至上述浆液PH值降低至6-7时，将含Ca(OH)2的熟石灰加 入到上述二氧化碳储集材料CO2SM浆液进行反应，其中CO2SM与Ca(OH)2的质量比 为35，二氧化碳储集材料CO2SM浆液中水的质量为Ca(OH)2质量的12倍，反应温度 为25-30℃；反应时间为40min，反应时使用超声波辅助加速反应，反应结束后将反应体系 常温冷冷却结晶，离心后的液体在160-180℃蒸发结晶，得到球霰石CaCO3(V型)颗粒； 结晶后的吸收剂溶液进行回收，重新用于二氧化碳捕捉。
(3)碳固化：将球霰石CaCO3(V型)颗粒替代50％纤维增强碳板材料配方中的水泥，用抄取法制造纤维增强碳板轻质装饰板材。
实施例7
对上述实施例4制得的板材进行各项性能参数的测试，包括表观密度、导热系数、干 缩率、湿涨率、吸水长度变化率、不透水性、弹性模量、抗折强度、抗冲击强度、浸泡-干燥性能、有毒物质等，并与现有标准进行比较，测试结果如下表所示。
板材的行业标准及实施例4所得板材各项性能参数
需要说明的是，当用本发明的胶凝剂代替少部分水泥时，仍属于纤维增强硅酸钙板的 范畴。当本发明的胶凝剂作为主要的胶凝机理和强度来源时，通过吸收二氧化碳制得的 CaCO3带来的强度大于硅酸钙的反应，此处定义为碳板。所以将表格中实施例4的板材称为碳板。
从上表可以看出，本发明得到的新型板材各项性能和参数均符合国家行业标准，无毒 无害，可以用于室内基板和装饰板使用。其基板市场价格为20-40元/m2/6mm，装饰板价格 为60-300元/m2。远高于石膏板5-15元/m2/12mm的价格，具有很高的经济价值。
当碳固化剂使用电石渣固废时，固碳成本主要为能耗，每吨CO2成本在50-150左右。
将得到的球霰石CaCO3(V型)颗粒用于新型建材制造时，预计经济价值在300-600/吨之间。其固碳成本远小于经济价值，经济及社会价值极高。同时由于其可以实现环境固碳治理和资源一体化处理，符合国家环保及绿色发展要求，可以在市场大规模推广应用。
以上对本发明的实例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为 用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属 于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种利用碳捕捉和碳固化技术制备轻质装饰板材的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）碳捕捉：使用碳捕捉技术，用吸收剂对工业烟气中的二氧化碳进行碳捕捉，吸收二氧化碳后制得二氧化碳储集材料CO2SM浆液；
（2）碳胶凝剂的制备：将含CaO或Ca（OH）2碱性矿物材料的固体废弃物在有水的条件下加入到上述二氧化碳储集材料CO2SM浆液进行反应，结晶得到球霰石CaCO3 （V型）颗粒；
（3）碳固化：将球霰石CaCO3 （V型）颗粒完全或部分替代轻质装饰板材材料配方中的水泥或其他起胶凝作用的材料，制造轻质装饰板材。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述所述步骤（1）中，对于CO2含量高、其他废气源少的工业烟气直接进行碳捕捉处理，对于SO2、NOx 较高的烟气，先对工业烟气进行脱硫、脱硝预处理，达到大气排放要求再进行碳捕捉收集。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，用吸收剂对含有二氧化碳的气体喷淋至溶液PH值降低至6-7，再将得到二氧化碳储集材料进行碳胶凝剂的制备步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，吸收剂为乙二胺与1,3-丁二醇按照摩尔比20:1-40:1混合得到的体系。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，将结晶后得到的吸收剂溶液回收，重新用于二氧化碳捕捉。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，CO2SM 与 Ca（OH）2或CaO的质量比为10-50，水与 Ca（OH）2或CaO的质量比为5:1到20:1。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，反应温度20-40℃，反应时间20-60min，反应时使用超声波辅助反应。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，含CaO或Ca（OH）2碱性矿物材料的固体废弃物为熟石灰、石灰、电石渣等中的一种或几种。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，轻质装饰板材的制备方法为抄取法、流浆法、铺浆法、模压法中的一种。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，轻质装饰板材为纤维增强碳板或纤维增强硅酸钙碳板。
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