CN114988749B - 一种捕集二氧化碳的资源化利用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及涉及一种捕集二氧化碳的资源化利用方法，具体涉及一种直接将吸收二氧化碳的吸收剂加入水泥基材料实现二氧化碳的利用及矿化封存方法。吸收剂吸收二氧化碳后加入至水泥基材料中，部分吸收的二氧化碳在水泥基材料的水化环境中解吸，与溶液中的Ca2+反应生成碳酸钙，实现二氧化碳的矿化封存。对吸收二氧化碳的吸收剂直接利用，避免了常规吸收剂解吸过程中造成的能源消耗，实现了过程中二氧化碳的“零排放”甚至“负排放”。

Description

一种捕集二氧化碳的资源化利用方法
技术领域
本发明涉及水泥基材料领域，尤其是涉及一种捕集二氧化碳的资源化利用方法。
背景技术
面临全球变暖的问题，世界各国都积极展开二氧化碳的减排和利用、封存研究。碳捕集、封存与利用技术（CCUS）对我国实现“碳中和、碳达峰”目标起关键性作用。在电力、钢铁、水泥等排碳量大、减排任务重的行业采用碳捕集技术是目前CCUS技术工作的重点。CCUS技术大多采用有机胺吸收剂，但此类吸收剂在二氧化碳捕集封存工艺过程中，吸收剂再生设备、二氧化碳精制设备、吸收剂再生能耗等占设备总成本和运行总成本达80%，目前对此处理的主要方式是采用新工艺、新型吸收液来达到降低能耗目的，但作用效果仍不显著。
二氧化碳捕集后的矿化利用主要采用钙和镁的碱金属矿物进行反应，生成不溶性的碱金属盐，对此碳酸盐产物进行利用。专利CN 113813767 A提出利用吸收剂吸收二氧化碳制备球霰石CaCO3（V型），为吸收二氧化碳吸收剂的矿化提供了范例，但产物仍需过滤和结晶。专利CN 111085101 A提出二氧化碳矿化飞灰，但需对二氧化碳升温加压处于超临界状态，能耗较大。
水泥基材料水泥基材料在水化过程中的孔隙液含有大量Ca2+、Al3+、Mg2+、Fe3+等碱金属离子。二氧化碳溶于孔溶液后会与这些离子或其反应物发生进一步反应，生成碳酸盐，从而加速水泥矿物溶解，并且碳酸盐的形成也会填充水泥基材料的内部孔隙，增强水泥基材料性能。有机胺类有机物如二乙醇胺（DEA）、三乙醇胺（MEA）、三异丙醇胺（TIPA）等，能对水泥产生促凝早强的作用，在水泥基材料中的应用广泛。其作用主要体现在促进水泥矿物的溶解和加速钙矾石（AFt）等早期水化产物的形成。但此类有机胺的引入会在水泥基材料搅拌过程中引气，造成水泥基材料的含气量增加，因此加入磷酸三丁酯消泡剂，能够减弱搅拌过程中的引气作用，避免因孔隙率提高产生的强度下降。
目前，利用吸收二氧化碳的有机胺类吸收剂在水泥基材料中的利用几乎处于空白，目前仅有湖南大学史才军老师课题组进行研究，并发表专利专利，CN 114290511 A将预吸收二氧化碳醇胺吸收剂加入具有碳化活性材料中，以提高后期二氧化碳化养护过程中试件的碳化程度，但在试件成型过程中需加压成型且后期需在一定压力、一定浓度的二氧化碳气氛中进行养护，增加了成本并限制了应用场景，仅限于预制砌块、构件方面，仍然存在一定局限性。
发明内容
本发明提供了一种直接将吸收二氧化碳的吸收剂加入水泥基材料实现二氧化碳的利用及矿化封存方法。吸收剂吸收二氧化碳后加入至水泥基材料中，部分吸收的二氧化碳在水泥基材料的水化环境中解吸，与溶液中的Ca2+反应生成碳酸钙，实现二氧化碳的矿化封存。对吸收二氧化碳的吸收剂直接利用，避免了常规吸收剂解吸过程中造成的能源消耗，实现了过程中二氧化碳的“零排放”甚至“负排放”。
本发明提供的技术方案在于：
一种捕集二氧化碳的资源化利用方法，包括如下步骤：
1）利用有机胺溶液对二氧化碳进行捕集，制备吸收剂；
2）将吸收剂、碳酸盐、磷酸三丁酯混合均匀后，加入水泥基材料混合均匀，实现对二氧化碳的利用与矿化封存；
所述吸收剂的掺量以有机胺占胶凝材料质量的0.05-2%计算；
所述碳酸盐掺量为水泥质量的0.1-10%；
所述磷酸三丁酯掺量为水泥质量的0.01%-1%。
本发明采用吸收二氧化碳的有机胺作为吸收剂，采用碳酸盐、磷酸三丁酯作为重要组分，将吸收二氧化碳的有机胺溶液与碳酸盐、磷酸三丁酯混合后的溶液，加入水泥基材料中，实现对二氧化碳的利用与矿化封存，提高水泥基材料的性能。本发明经过实验发现，单独使用吸收二氧化碳的有机胺对水泥基材料早期力学性能的提高并不明显，并且会造成水泥基浆料和易性变差，容易泌浆，凝结时间变长的问题，本发明经大量实验，添加部分碳酸盐和磷酸三丁酯可提高浆料和易性，改善凝结时间，吸收二氧化碳醇胺与碳酸盐发生协同作用，有助于水泥基材料早期强度和后期强度提高。
优选的，所述有机胺为单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）、三乙醇胺（TEA）、2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）、哌嗪（PZ）、 N-甲基二乙醇胺（MDEA）、羟乙基乙二胺（AEEA）、苯甲胺（BZA）、二甲基乙醇胺（DMEA）、二乙烯三胺（DETA）、三乙烯四胺（TETA）中的一种或几种。
优选的，所述碳酸盐为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或几种。
优选的，所述有机胺溶液为摩尔浓度0.2-5.0mol/L，二氧化碳的吸收量为饱和吸收量。
优选的，所述水泥基材料为干粉或浆料。
优选的，所述水泥基材料为水泥净浆、水泥砂浆、或水泥混凝土。
本发明还涉及一种水泥组合物，其由前述资源化利用方法制得。
本发明还涉及水泥组合物在制备建材制品中的应用。
优选的，上述应用包括将水泥组合物进行成型。
优选的，上述应用包括将水泥组合物进行养护。
与现有技术相比，本发明有效利用吸收二氧化碳有机胺作为水泥基材料的性能提升外加剂，对二氧化碳进行了矿化封存。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，实施例和对比例所使用的原料或化学试剂均为常规商业渠道获得。
采用水泥砂浆作为实验样本进行实验，有机胺采用二乙醇胺DEA，其浓度为5mol/L，二氧化碳的吸收量为饱和吸收量，原料添加量均以占水泥质量的百分比计算。
实验过程中按原料按水、水泥、砂的顺序依次加入搅拌机中，其中有机胺、吸附二氧化碳的有机胺、碳酸盐和磷酸三丁酯按比例先加入拌合水中。搅拌、成型、养护和测试均根据《GB/T 17671-1999 水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行，实施例和对比例配比列于表1，对其进行性能测试的结果见表2。
表1 砂浆配合比
Figure 713757DEST_PATH_IMAGE001
表2 性能测试
Figure 801536DEST_PATH_IMAGE002
由表2可知，由于本方法采用吸收二氧化碳的有机胺与碳酸盐协同作用，并辅以磷酸三丁酯，可提高水泥砂浆早期和后期力学性能，而单独采用吸收二氧化碳的有机胺由于产生泌浆，反而会影响力学性能。经计算采用实施例1~2中0.5%掺量的DEA-CO2，每吨水泥的负碳量为1.1Kg。综上表明本方法具有良好的负碳能力和力学性能。
最后应说明的是：以上各实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种捕集二氧化碳的资源化利用方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）利用有机胺溶液对二氧化碳进行捕集，制备吸收剂；
2）将吸收剂、碳酸盐、磷酸三丁酯混合均匀后，加入水泥基材料混合均匀，实现对二氧化碳的利用与矿化封存；
所述吸收剂的掺量以有机胺占胶凝材料质量的0.05-2%计算，所述碳酸盐掺量为水泥质量的0.1-10%，所述磷酸三丁酯掺量为水泥质量的0.01%-1%；
所述有机胺溶液为摩尔浓度0.2-5.0mol/L，二氧化碳的吸收量为饱和吸收量。
2.根据权利要求1所述的资源化利用方法，其特征在于，所述有机胺为单乙醇胺、二乙醇胺、三乙醇胺、2-氨基-2-甲基-1-丙醇、哌嗪、N-甲基二乙醇胺、羟乙基乙二胺、苯甲胺、二甲基乙醇胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的资源化利用方法，其特征在于，所述碳酸盐为碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的资源化利用方法，其特征在于，所述水泥基材料为干粉或浆料。
5.根据权利要求4所述的资源化利用方法，其特征在于，所述水泥基材料为水泥净浆、水泥砂浆、或水泥混凝土。
6.一种水泥组合物，其特征在于，由权利要求1-5任一项资源化利用方法制得。
7.根据权利要求6所述的水泥组合物在制备建材制品中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，包括将水泥组合物进行成型。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，包括将水泥组合物进行养护。
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