CN114656185B - 一种可用于co2资源化利用的气泡水及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种可用于CO2资源化利用的气泡水及其制备方法。该制备方法具体包括：在0.3～2MPa压力下向醇胺水溶液中充入二氧化碳，制得二氧化碳水溶液；在降低所述压力后通过高速旋转对所述二氧化碳水溶液施加剪切力；在所述醇胺水溶液中，醇胺与水的质量比为(0.1～1):100。本发明的技术方案能够较大程度地将工业二氧化碳应用于混凝土制备，提高混凝土的抗压强度。同时，实现了二氧化碳的资源化利用，经济节约且绿色环保，具有较高的经济效益和社会效益。

Description

一种可用于CO2资源化利用的气泡水及其制备方法
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种可用于CO2资源化利用的气泡水及其制备方法。
背景技术
温室气体二氧化碳(CO2)的排放导致的全球变暖成为广泛关注的话题。全球气候变化是当今世界面临的严峻挑战，人为温室气体排放是全球气候变暖的主要原因。以CO2为主的人为温室气体减排迫在眉睫，化石燃料燃烧是目前最大的CO2排放源，二氧化碳捕集、利用和封存技术是现阶段实现大幅度CO2减排的必要手段。
对于建材行业水泥的制造过程是二氧化碳排放的“大户”，每生产1t水泥约产生0.815t二氧化碳。相比而言，混凝土本身算是低碳材料，每生产1t混凝土产生0.12～0.16t的碳排放。水泥行业现有的减碳手段主要是烧制低碳、低钙水泥，水泥窑烟气中二氧化碳捕集等。但由于技术和经济的原因，目前这些手段并没有在行业中推广开来。在混凝土中主要采用二氧化碳矿化养护混凝土，但由于气体在混凝土中的渗透过程较慢，大规模工业化生产还有一定的距离。
如果能将二氧碳直接在混凝土搅拌过程中加入，将大大加快混凝土对二氧化碳的吸收效率，但直接将二氧化碳通入到搅拌机中，有很大部分二氧化碳会在搅拌过程中逃逸出，造成二次碳排放。而且，现有技术中，采用二氧化碳矿化养护混凝土，一定程度上能够提高混凝土的综合性能，然而对于混凝土的抗压强度而言，仍然具有进一步改善的空间。
如何能够较大程度地将工业二氧化碳应用于混凝土制备，提高混凝土的抗压强度，一直是本领域技术人员所面对的技术难题。
发明内容
为了解决现有技术所具有的缺陷，本发明的第一目的是提供一种气泡水的制备方法，具体包括：在0.3～2MPa压力下向醇胺水溶液中充入二氧化碳，制得二氧化碳水溶液；在降低所述压力后通过高速旋转对所述二氧化碳水溶液施加剪切力；在所述醇胺水溶液中，醇胺与水的质量比为(0.1～1):100。
通过本发明的制备方法，能够较大程度地吸收二氧化碳，制得含有纳米级二氧化碳气泡的气泡水。将其作为拌合用水应用于混凝土制备中，能够显著提高混凝土的抗压强度。
本发明发现，在0.3～2MPa压力下将二氧化碳充入醇胺水溶液中，能够显著增加气体在水溶液中的溶解度，形成过饱和的气液混合物。而后气压降低后二氧化碳溢出为微气泡，通过高速旋转对所述二氧化碳水溶液施加剪切力，能够进一步减小二氧化碳气泡的尺寸。而且，产生的纳米级气泡可以有效保证气泡在溶液中存在的时间，在混凝土的搅拌过程中稳定发挥作用。根据斯托克斯公式，气泡的粒径越小，气泡在溶液中的上升速度越小。本发明的实施方案所制备的纳米级气泡可以在水中存在15天以上。
而且本发明发现，采用醇胺水溶液可以提高二氧化碳在溶液中的稳定性，有利于形成稳定性较高的纳米气泡。
将上述气泡水作为混凝土拌合用水应用于混凝土的制备中时，本发明还发现当醇胺水溶液在1％的浓度范围内可以增加混凝土的强度，大于1％后反而降低混凝土强度，甚至影响混凝土的凝结时间。
本领域技术人员可以采用旋回逆流与多相涡流气液剪切原理的设备进行高速剪切。比如，可以采用纳米气泡发生器设备进行。在该设备中，通过在进气口增加气体压力，可以增加气体在液体中的溶解度，形成过饱和的气液混合物。当气液混合物进入到旋流腔后，气压快速减少到大气压力，气体大量逃逸出。旋流腔高速旋转，气体在外部流入的液体和内部高速旋转的液体的缝隙之间被剪切撕裂成为微气泡；微气泡再次经过分散腔体的不同管道直径的分散器，速度和压力剧烈变化，最终形成纳米气泡，增加二氧化碳在水中的溶解度。
本领域技术人员也可以采用包括旋回逆流与多相涡流气液剪切原理在内的其它任意高速剪切技术，经过与其它优选的实施方案组合获得较优的实施方案，均属于本发明的保护范围。
作为一种更优选的实施方案，在0.5～1.5MPa压力下向醇胺水溶液中充入二氧化碳，制得二氧化碳水溶液。
当在0.5～1.5MPa压力下充入二氧化碳时，产生的气泡数量较多，且小尺寸气泡(直径小于50nm)占据比例较大。
作为一种更优选的实施方案，在所述醇胺水溶液中，醇胺与水的质量比为(0.3～0.8):100。
在上述浓度的醇胺水溶液中，醇胺对二氧化碳的吸收效果更好。
作为一种优选的实施方案，所述醇胺水溶液为乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、三异丙醇胺中任意一种或多种的水溶液。
作为一种优选的实施方案，所述二氧化碳的纯度在60％以上。
当二氧化碳的纯度在60％以上时，能够显著提升混凝土的抗压强度。上述二氧化碳可以源自工业中产生的二氧化碳，实现二氧化碳的回收利用。
作为一种优选的实施方案，所述醇胺水溶液中还包括引气剂；所述引气剂与水的质量比为(0.001～1):100；所述引气剂为聚醚类、松香类、皂甙类中的任意一种或多种。
微量引气剂的加入可以降低溶液的表面张力，使溶液产生的纳米气泡更加稳定。此外，加入引气剂后可以在液体上方形成稳定的少量泡沫(泡沫高度约5～30mm)，减少在充气过程中气体的逸出，使充气过程更高效。
当选用上述醇胺水溶液和引气剂，能够发挥协同作用，使得二氧化碳的充气效果达到最优。
进一步，本发明还提供了上述任一实施方案制得的气泡水。在气泡水中，含有粒径为100nm～400nm的二氧化碳气泡。
进一步，本发明还提供了上述任一实施方案制得的气泡水作为混凝土拌合用水所制备的混凝土。
在混凝土搅拌过程中，纳米级的二氧化碳能够与水化产物氢氧化钙反应，生成纳米级碳酸钙，增加混凝土的强度。同时，消耗了氢氧化钙进一步促进了水泥的水化，有利于提高混凝土的早期强度。
进一步，本发明还提供了上述气泡水或混凝土在建筑材料资源化利用中的应用。
本发明的有益效果在于：
本发明的技术方案能够较大程度地将工业二氧化碳应用于混凝土制备，提高混凝土的抗压强度。同时，实现了二氧化碳的资源化利用，经济节约且绿色环保，具有较高的经济效益和社会效益。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例中未注明具体技术或条件者，均为常规方法或者按照本领域的文献所描述的技术或条件进行，或者按照产品说明书进行。所用试剂和仪器等未注明生产厂商者，均为可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
下述实施例和对比例中混凝土的配方为：P.I 42.5水泥280kg/m3，粉煤灰80kg/m3，矿粉60kg/m3，灰150kg/m3，砂子745kg/m3，石子1120 kg/m3，实施例和对比例中的水168kg/m3，聚羧酸高性能减水剂3.14 kg/m3。
下述实施例和对比例中的百分比均指醇胺溶液或引气剂与水的质量比。
实施例1
本实施例提供了一种气泡水的制备方法。具体步骤如下：在0.5 MPa压力下，将纯度99％二氧化碳以2L/min的速度向含有0.5％乙醇胺的5L自来水供气5min，然后，将压力降低到常压后，将二氧化碳气体与含有0.5％乙醇胺的自来水采用旋回逆流与多相涡流气液剪切技术进行高速剪切，制备成气泡水NCC1W。
本实施例还提供了由上述气泡水作为拌合用水制得的混凝土。
实施例2
本实施例提供了一种气泡水的制备方法。具体步骤如下：在0.5 MPa压力下，将纯度99％二氧化碳以2L/min的速度向含有0.5％三乙醇胺的5L自来水供气5min，然后，将压力降低到常压后，将二氧化碳气体与含有0.5％三乙醇胺的自来水采用旋回逆流与多相涡流气液剪切技术进行高速剪切，制备成气泡水NCC3W。
本实施例还提供了由上述气泡水作为拌合用水制得的混凝土。
实施例3
本实施例提供了一种气泡水的制备方法。具体步骤如下：在0.5 MPa压力下，将纯度99％二氧化碳以2L/min的速度向含有0.5％乙醇胺和0.01％聚醚引气剂的5L自来水供气12.5min，然后，将压力降低到常压后，将二氧化碳气体与含有0.5％乙醇胺和0.01％聚醚引气剂的自来水采用旋回逆流与多相涡流气液剪切技术进行高速剪切制备成气泡水YNCC1W。
本实施例还提供了由上述气泡水作为拌合用水制得的混凝土。
实施例4
本实施例提供了一种气泡水的制备方法。具体步骤如下：在0.5 MPa压力下，将纯度99％二氧化碳以2L/min的速度向含有0.5％三乙醇胺和0.01％聚醚引气剂的5L自来水供气12.5min，然后，将压力降低到常压后，将二氧化碳气体与含有0.5％三乙醇胺和0.01％聚醚引气剂的自来水采用旋回逆流与多相涡流气液剪切技术进行高速剪切，制备成气泡水YNCC3W。
本实施例还提供了由上述气泡水作为拌合用水制得的混凝土。
实施例5
本实施例提供了一种气泡水的制备方法。具体步骤如下：在1MPa 压力下，将纯度99％二氧化碳以2L/min的速度向含有0.5％三乙醇胺和 0.01％聚醚引气剂的5L自来水供气12.5min，然后，将压力降低到常压后，将二氧化碳气体与含有0.5％三乙醇胺和0.01％聚醚引气剂的自来水采用旋回逆流与多相涡流气液剪切技术进行高速剪切，制备成气泡水YBNCC3W。
本实施例还提供了由上述气泡水作为拌合用水制得的混凝土。
实施例6
本实施例提供了一种气泡水的制备方法。具体步骤如下：在0.3 MPa压力下，将纯度99％二氧化碳以2L/min的速度向含有0.5％三异丙醇胺的5L自来水供气5min，然后，将压力降低到常压后，将二氧化碳气体与含有0.5％乙醇胺的自来水采用旋回逆流与多相涡流气液剪切技术进行高速剪切，制备成气泡水LNCC3W。
本实施例还提供了由上述气泡水作为拌合用水制得的混凝土。
对比例1
本对比例提供了一种气泡水的制备方法。具体步骤如下：在 0.5MPa压力下，将空气以2L/min的速度向含有0.5％乙醇胺的5L自来水供气5min，然后，将压力降低到常压后，将空气与含有0.5％乙醇胺的自来水采用旋回逆流与多相涡流气液剪切技术进行高速剪切，制备成气泡水NNW。
本对比例还提供了由上述气泡水作为拌合用水制得的混凝土。
对比例2
本对比例提供了一种气泡水的制备方法。具体步骤如下：在0.5 MPa压力下，将纯度99％二氧化碳以2L/min的速度向5L自来水中供气 5min，然后，将压力降低到常压后，将二氧化碳气体与自来水采用旋回逆流与多相涡流气液剪切技术进行高速剪切，制备成气泡水NCW。
本对比例还提供了由上述气泡水作为拌合用水制得的混凝土。
对比例3
本对比例提供了一种气泡水的制备方法。具体步骤如下：在0.5 MPa压力下，将纯度99％二氧化碳以2L/min的速度向含有1.5％乙醇胺的5L自来水供气5min，然后，将压力降低到常压后，将二氧化碳气体与含有1.5％乙醇胺的自来水采用旋回逆流与多相涡流气液剪切技术进行高速剪切，制备成气泡水NCC1BW。
本对比例还提供了由上述气泡水作为拌合用水制得的混凝土。
对比例4
本对比例提供了一种气泡水的制备方法。具体步骤如下：在0.5 MPa压力下，将纯度99％二氧化碳以2L/min的速度向含有1.5％三乙醇胺的5L自来水供气5min，然后，将压力降低到常压后，将二氧化碳气体与含有1.5％三乙醇胺的自来水采用旋回逆流与多相涡流气液剪切技术进行高速剪切，制备成气泡水NCC3BW。
本对比例还提供了由上述气泡水作为拌合用水制得的混凝土。
对比例5
本对比例提供了一种气泡水的制备方法。具体步骤如下：在0.1 MPa压力下，将纯度99％二氧化碳以2L/min的速度向含有0.5％乙醇胺的5L自来水供气5min，然后，将压力降低到常压后，将二氧化碳气体与含有0.5％乙醇胺的自来水采用旋回逆流与多相涡流气液剪切技术进行高速剪切，制备成气泡水LNCC1W。
本对比例还提供了由上述气泡水作为拌合用水制得的混凝土。
试验例1
对照组为采用自来水W作为拌合用水制得的混凝土。
按照GB50080和GB50081测试实施例和对比例中混凝土的流动性、28天抗压和抗折强度，结果如表1所示。
表1混凝土的性能
实验组 水的种类 坍落度/mm 7d抗压强度/MPa 28d抗压强度/MPa
对照组 W 210 32.1 53.2
对比例1 NNW 220 35.6 57.6
对比例2 NCW 210 38.7 60.8
对比例3 NCC1BW 215 33.1 54.5
对比例4 NCC3BW 215 34.2 55.1
对比例5 LNCC1W 210 35.1 57.9
实施例1 NCC1W 220 40.8 64.2
实施例2 NCC3W 220 42.6 65.8
实施例3 YNCC1W 220 41.9 65.3
实施例4 YNCC3W 220 43.5 67.2
实施例5 YBNCC3W 220 45.3 70.6
实施例6 LNCC3W 220 42.9 64.5
由表1可见，与对照组和对比例相比，实施例所制备的混凝土强度大幅增加。
根据实施例3、4和5计算，1L水中充入了5L二氧化碳。标准气压下，二氧化碳的密度为1.98g/L，因此水中二氧化碳的浓度约为1％，一方混凝土约能吸收1.68kg二氧化碳。
由此可见，采用本发明的制备方法，能够较大程度地利用工业二氧化碳；制得的气泡水作为混凝土拌合用水，相比现有技术，显著提高了混凝土的抗压强度。
试验例2
通过纳米粒径和ZETA电位测试仪，对实施例和对比例所制备的气泡水中的气泡粒径进行测试，结果如表2所示。
表2溶液中的气泡粒径
实验组 水的类型 平均粒径(nm) 峰值粒径(nm)
对照组 W 无 无
对比例1 NNW 227.9 218.1
对比例2 NCW 213.7 195.6
对比例3 NCC1BW 268.7 201.3
对比例4 NCC3BW 294.1 229.8
对比例5 LNCC1W 869.6 735.2
实施例1 NCC1W 255.3 184.9
实施例2 NCC3W 310.4 243.0
实施例3 YNCC1W 324.1 291.5
实施例4 YNCC3W 367.3 266.7
实施例5 YBNCC3W 122.1 108.3
实施例6 LNCC3W 399.5 389.6
所有气泡粒径均处于纳米级别，可以有效保证气泡在溶液中的存在时间，使纳米气泡可以在混凝土的搅拌过程中稳定发挥作用。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种气泡水的制备方法，其特征在于，在0.3～2MPa压力下向醇胺水溶液中充入二氧化碳，制得二氧化碳水溶液；在降低所述压力后通过高速旋转对所述二氧化碳水溶液施加剪切力；
在所述醇胺水溶液中，醇胺与水的质量比为(0.1～1):100；
所述醇胺水溶液为乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、三异丙醇胺中任意一种或多种的水溶液；
所述醇胺水溶液中还包括引气剂；所述引气剂与水的质量比为(0.001～1):100；所述引气剂为聚醚类、松香类、皂甙类中的任意一种或多种。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在0.5～1.5MPa压力下向醇胺水溶液中充入二氧化碳，制得二氧化碳水溶液。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在所述醇胺水溶液中，醇胺与水的质量比为(0.3～0.8):100。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述二氧化碳的纯度在60％以上。
5.一种气泡水，其特征在于，由权利要求1～4中任一项所述的制备方法制得。
6.根据权利要求5所述的气泡水，其特征在于，所述气泡水含有粒径为100nm～400nm的二氧化碳气泡。
7.一种混凝土，其特征在于，其由权利要求5或6所述的气泡水作为拌合用水制得。
8.权利要求5或6所述的气泡水、权利要求7所述的混凝土在建筑材料资源化利用中的应用。
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