CN115724633B - 一种碳矿化结构灌浆板材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于二氧化碳矿化技术领域，尤其是涉及一种碳矿化结构灌浆板材及其制备方法。本发明提供的碳矿化结构灌浆板材由多孔基体材料与水混合团聚后，再经压制成型、一次碳矿化处理、灌硅酸盐浆和二次碳矿化处理后制成。本发明将可以吸附并固化CO2的多孔基体材料作为主要原料，将其形成的团聚颗粒经压制成型后进行碳矿化处理得到的结构作为碳矿化结构体，应用于制备板材产品，该碳矿化结构经硅酸盐材料灌浆处理后会在碳矿化后期的板材内部实现水分的释放和转移，从而对板材产品进行内部养护，提高板材产品的性能。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳矿化技术领域，尤其是涉及一种碳矿化结构灌浆板材及其制备方法。
背景技术
近年来，由于人类活动(如化石燃料燃烧)影响，大气中二氧化碳含量猛增，相较于空气，二氧化碳密度更大，当二氧化碳少时对人体无危害，但超过特定量会影响人、动物的呼吸，主要是因为血液中的碳酸浓度增大，酸性增强，产生酸中毒。并且温室效应与二氧化碳的大量排放有直接关系，故如何利用过多排放的二氧化碳逐渐成为研究热点。近年来，碳矿化技术不断发展，通过将二氧化碳固定于载碳物质中，达到高效封存二氧化碳的目的，因此，碳矿化技术被认为是最具大规模碳封存潜力及应用前景的封存技术。
然而，碳矿化反应具有由外部向内部扩散碳矿化的特点，随着碳矿化反应的进行，材料表面致密度增加，阻止了二氧化碳向材料内部的继续扩散，从而影响固碳效果和碳矿化制品的性能。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种碳矿化结构灌浆板材及其制备方法，本发明提供的技术方案可以有效提高碳矿化板材内部的碳矿化程度，保证板材制品具备优良的力学性能。
本发明提供了一种碳矿化结构灌浆板材，由多孔基体材料与水混合团聚后，再经压制成型、一次碳矿化处理、灌硅酸盐浆和二次碳矿化处理后制成。
优选的，所述多孔基体材料包括炉渣、沸石粉、电石渣和煤矸石渣中的一种或多种。
优选的，所述多孔基体材料与水的质量比为(12～20)：100。
优选的，所述多孔基体材料与水混合团聚后形成的颗粒粒径为2～20mm。
优选的，所述硅酸盐浆由含硅酸盐固料与水混合制成；所述含硅酸盐固料包括硅酸盐水泥、含硅酸盐工业固废和硅酸盐类矿物中的一种或多种。
优选的，所述硅酸盐浆中含硅酸盐固料与水的质量比为1：(5～8)。
本发明提供了一种上述技术方案所述碳矿化结构灌浆板材的制备方法，包括以下步骤：
a)将多孔基体材料与水混合，得到团聚颗粒；
b)将所述颗粒压制成型，得到坯体；
c)将所述坯体进行一次碳矿化处理，得到碳矿化结构体；
d)对所述碳矿化结构体灌硅酸盐浆，得到板材坯料；
e)将所述板材坯料进行二次碳矿化处理，得到碳矿化结构灌浆板材。
优选的，步骤b)中，所述压制成型的压力为2～12MPa。
优选的，步骤c)中，所述一次碳矿化处理的二氧化碳体体积浓度为3～99.8％，压力为0.01～0.5MPa，温度为20～100℃，时间为1～72h。
优选的，步骤e)中，所述二次碳矿化处理的二氧化碳体体积浓度为3～99.8％，压力为0.01～0.5MPa，温度为20～100℃，时间为1～72h。
与现有技术相比，本发明提供了一种碳矿化结构灌浆板材及其制备方法。本发明提供的碳矿化结构灌浆板材由多孔基体材料与水混合团聚后，再经压制成型、一次碳矿化处理、灌硅酸盐浆和二次碳矿化处理后制成。本发明将可以吸附并固化CO2的多孔基体材料作为主要原料，将其形成的团聚颗粒经压制成型后进行碳矿化处理得到的结构作为碳矿化结构体，应用于制备板材产品，该碳矿化结构经硅酸盐材料灌浆处理后会在碳矿化后期的板材内部实现水分的释放和转移，从而对板材产品进行内部养护，提高板材产品的性能。本发明通过引入碳矿化结构解决碳矿化制品碳矿化程度和碳矿化深度不够的问题，该技术方案不仅能显著提高碳矿化制品的固碳能力和整体碳矿化程度，而且能够缩短碳矿化时间从而降低生产耗能。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种碳矿化结构灌浆板材，由多孔基体材料与水混合团聚后，再经压制成型、一次碳矿化处理、灌硅酸盐浆和二次碳矿化处理后制成。
在本发明提供的碳矿化结构灌浆板材中，所述多孔基体材料优选包括炉渣、沸石粉、电石渣和煤矸石渣中的一种或多种，更优选包括炉渣和沸石粉；所述炉渣和沸石粉的质量比优选为1：(2～8)，具体可为1:2、1:3、1:4、1:5、1:6、1:7、1:8；所述炉渣的CaO含量优选为3～20wt％，更优选为5～15wt％；所述炉渣的SiO2含量优选为30～70wt％，更优选为40～60wt％；所述炉渣的粒径优选为30～100目，更优选为60目；所述沸石粉优选为工业级沸石粉，CAS码为1327-44-2；所述沸石粉的粒径优选为60～150目，具体可为80目、90目或120目。
在本发明提供的碳矿化结构灌浆板材中，进行混合团聚时，所述多孔基体材料与水的质量比优选为(12～20)：100，具体可为12:100、13:100、14:100、15:100、16:100、17:100、18:100、19:100或20:100。
在本发明提供的碳矿化结构灌浆板材中，所述多孔基体材料与水混合团聚后形成的颗粒粒径优选为2～20mm，具体可为2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm或20mm。
在本发明提供的碳矿化结构灌浆板材中，所述压制成型的压力优选为2～12MPa，具体可为2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、10MPa、11MPa、12MPa；所述压制成型的时间优选为0.5～5min，具体可为0.5min、1min、1.5min、2min、2.5min、3min、3.5min、4min、4.5min或5min。
在本发明提供的碳矿化结构灌浆板材中，所述一次碳矿化处理的二氧化碳体体积浓度优选为3～99.8％，具体可为3％、5％、10％、15％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、99.8％；所述一次碳矿化处理的压力优选为0.01～0.5MPa，具体可为0.01MPa、0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa或0.5MPa；所述一次碳矿化处理的温度优选为20～100℃，具体可为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃；所述一次碳矿化处理的时间优选为1～72h，具体可为1h、6h、12h、18h、24h、30h、36h、42h、48h、54h、60h、66h或72h。
在本发明提供的碳矿化结构灌浆板材中，所述硅酸盐浆由含硅酸盐固料与水混合制成。其中，所述含硅酸盐固料包括硅酸盐水泥、含硅酸盐工业固废和硅酸盐类矿物中的一种或多种；所述硅酸盐水泥优选为普通硅酸盐水泥，更优选为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥(PO 42.5)；所述含硅酸盐工业固废优选为钢渣粉和/或镁渣粉；所述含硅酸盐固料与水的质量比优选为1：(5～8)，具体可为1:5、1:5.5、1:6、1:6.5、1:7、1:7.5或1:8。
在本发明提供的碳矿化结构灌浆板材中，灌所述硅酸盐浆的方式优选为先向碳矿化结构体的内部灌浆，再向碳矿化结构体的外部灌浆，即由内而外进行灌浆。
在本发明提供的碳矿化结构灌浆板材中，所述二次碳矿化处理的二氧化碳体体积浓度优选为3～99.8％，具体可为3％、5％、10％、15％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、99.8％；所述二次碳矿化处理的压力优选为0.01～0.5MPa，具体可为0.01MPa、0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa或0.5MPa；所述二次碳矿化处理的温度优选为20～100℃，具体可为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃；所述二次碳矿化处理的时间优选为1～72h，具体可为1h、6h、12h、18h、24h、30h、36h、42h、48h、54h、60h、66h或72h。
本发明还提供了一种碳矿化结构灌浆板材的制备方法，包括以下步骤：
a)将多孔基体材料与水混合，得到团聚颗粒；
b)将所述颗粒压制成型，得到坯体；
c)将所述坯体进行一次碳矿化处理，得到碳矿化结构体；
d)对所述碳矿化结构体灌硅酸盐浆，得到板材坯料；
e)将所述板材坯料进行二次碳矿化处理，得到碳矿化结构灌浆板材。
在本发明提供的制备方法中，步骤a)中，所述多孔基体材料优选包括炉渣、沸石粉、电石渣和煤矸石渣中的一种或多种；所述炉渣的CaO含量优选为3～20wt％，更优选为5～15wt％；所述炉渣的SiO2含量优选为30～70wt％，更优选为40～60wt％；所述炉渣的粒径优选为30～100目，更优选为60目；所述沸石粉优选为工业级沸石粉，CAS码为1327-44-2；所述沸石粉的粒径优选为60～150目，具体可为80目、90目或120目；所述多孔基体材料与水的质量比优选为(12～20)：100，具体可为12:100、13:100、14:100、15:100、16:100、17:100、18:100、19:100或20:100；所述团聚颗粒的粒径优选为2～20mm，具体可为2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm或20mm。在本发明中，所述团聚颗粒的大小由水固比进行控制，水固比越大形成的团聚颗粒越大，得到的坯体孔隙越大。
在本发明提供的制备方法中，步骤b)中，所述压制成型的压力优选为2～12MPa，具体可为2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa、10MPa、11MPa、12MPa；所述压制成型的时间优选为0.5～5min，具体可为0.5min、1min、1.5min、2min、2.5min、3min、3.5min、4min、4.5min或5min。在本发明中，所述压制成型的压力主要根据团聚颗粒的水固比而定，应尽量保证坯体能够被压制成型且没有较多质量损失，当压强过大时，不利于坯体气孔的形成。
在本发明提供的制备方法中，步骤c)中，所述一次碳矿化处理的二氧化碳体体积浓度优选为3～99.8％，具体可为3％、5％、10％、15％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、99.8％；所述一次碳矿化处理的压力优选为0.01～0.5MPa，具体可为0.01MPa、0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa或0.5MPa；所述一次碳矿化处理的温度优选为20～100℃，具体可为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃；所述一次碳矿化处理的时间优选为1～72h，具体可为1h、6h、12h、18h、24h、30h、36h、42h、48h、54h、60h、66h或72h。
在本发明提供的制备方法中，步骤d)中，所述硅酸盐浆由含硅酸盐固料与水混合制成；其中，所述含硅酸盐固料包括硅酸盐水泥、含硅酸盐工业固废和硅酸盐类矿物中的一种或多种；所述硅酸盐水泥优选为普通硅酸盐水泥，更优选为强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥(PO 42.5)；所述含硅酸盐工业固废优选为钢渣粉和/或镁渣粉；所述含硅酸盐固料与水的质量比优选为1：(5～8)，具体可为1:5、1:5.5、1:6、1:6.5、1:7、1:7.5或1:8。
在本发明提供的制备方法中，步骤d)中，所述灌硅酸盐浆的方式优选为先向碳矿化结构体的内部灌浆，再向碳矿化结构体的外部灌浆，即由内而外进行灌浆。
在本发明提供的制备方法中，步骤e)中，所述二次碳矿化处理的二氧化碳体体积浓度优选为3～99.8％，具体可为3％、5％、10％、15％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、99.8％；所述二次碳矿化处理的压力优选为0.01～0.5MPa，具体可为0.01MPa、0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa或0.5MPa；所述二次碳矿化处理的温度优选为20～100℃，具体可为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃或100℃；所述二次碳矿化处理的时间优选为1～72h，具体可为1h、6h、12h、18h、24h、30h、36h、42h、48h、54h、60h、66h或72h。
本发明提供的技术方案将可以吸附并固化CO2的多孔基体材料作为主要原料，将其形成的团聚颗粒经压制成型后进行碳矿化处理得到的结构作为碳矿化结构体，随后再对该碳矿化结构体进行灌硅酸盐浆和二次碳矿化处理得到板材产品。该技术方案至少具备以下有益效果：
(1)多孔基体材料不仅可以建立水分与CO2的交换通道，而且可以作为碳矿化结构骨架促进坯体碳矿化反应后期的内部养护；
(2)可以根据需要，对碳矿化结构体的尺寸、厚度、层数等参数进行调节，以实现碳矿化结构体的完全碳矿化；
(3)通过灌硅酸盐浆，不仅可以提高板材坯体的密度而且较高的水固比可以在碳矿化后期在板材内部提供水分，从而促进碳矿化反应在板材内部继续进行，实现二氧化碳对碳矿化制品的内部养护，提高材料匀质性，避免碳矿化制品内部出现碳矿化程度较低或根本不能碳矿化的情况；另外，硅酸盐浆能够通过化学反应实现CO2的永久封存。
为更清楚起见，下面通过以下实施例和对比例进行详细说明。
实施例1
一种碳矿化结构灌浆板材，其制备过程为：将75质量份水与500质量份80目的沸石粉(CAS：1327-44-2)进行混合搅拌，待沸石粉团聚成一定数量且均匀的10mm左右粒径的颗粒后取出；采用压制工艺，成型压力分别为2MPa、4MPa、6MPa、8MPa、10MPa、12MPa，成型时间为2min；将成型后的坯体在20％二氧化碳体体积浓度、碳矿化压力0.1MPa、温度60℃条件下碳矿化24h，得到碳矿化结体；将50质量份水与10质量份普通硅酸盐水泥(PO 42.5)进行混合搅拌得到浆体，采取由内而外的灌浆方式对碳矿化结构体进行灌浆处理，待浆体稳定后再次进行上述碳矿化处理后得到板材产品。
实施例2
一种碳矿化结构灌浆板材，其制备过程为：将100质量份60目的炉渣(CaO含量5～15％、SiO2含量40～60％)与400质量份90目的沸石粉(CAS：1327-44-2)进行混合搅拌，按照水与多孔基体材料质量比为12:100的比例与水进行混合，待沸石粉和炉渣团聚成一定数量且均匀的15mm左右粒径的颗粒后取出；采用压制工艺，成型压力8MPa、成型时间为2min；将成型后的坯体在20％二氧化碳体体积浓度、碳矿化压力0.1MPa、温度60℃条件下碳矿化24h，得到碳矿化结构体；将水与普通硅酸盐水泥(PO 42.5)质量比分别按8:1、7:1、6:1、5:1混合搅拌得到浆体，采取由内而外的灌浆方式对碳矿化结构体进行灌浆处理，待浆体稳定后再次进行上述碳矿化处理后得到板材产品。
实施例3
一种碳矿化结构灌浆板材，其制备过程为：将100质量份60目的炉渣(CaO含量5～15％、SiO2含量40～60％)与400质量份120目的沸石粉(CAS：1327-44-2)进行混合搅拌，按照水与多孔基体材料质量比为12:100的比例与水进行混合，待沸石粉和炉渣团聚成一定数量且均匀的5mm左右粒径的颗粒后取出；采用压制工艺，成型压力8MPa、成型时间为2min；将成型后的坯体在20％二氧化碳体体积浓度、碳矿化压力0.1MPa、温度80℃条件下进行时间梯度碳矿化，时间节点为1h、12h、24h、36h、48h、72h，得到碳矿化结构体；将60质量份水与10质量份普通硅酸盐水泥(PO 42.5)进行混合搅拌得到浆体，采取由内而外的灌浆方式对碳矿化结构体进行灌浆处理，待浆体稳定后再次进行上述碳矿化处理后得到板材产品。
对比例1
将100质量份60目的炉渣(CaO含量5～15％、SiO2含量40～60％)、10质量份普通硅酸盐水泥(PO 42.5)与400质量份120目的沸石粉(CAS：1327-44-2)进行混合搅拌，按照水与多孔基体材料(炉渣+沸石粉)质量比为12:100的比例与水进行混合；采用压制工艺，成型压力8MPa、成型时间为2min；将成型后的坯体在20％二氧化碳体体积浓度、碳矿化压力0.1MPa、温度80℃条件下进行时间梯度碳矿化，时间节点为1h、12h、24h、36h、48h、72h，得到板材产品。
性能检测
(1)对实施例1制备成的产品进行检测，实施例1中不同成型压力下碳矿化结构灌浆板材产品的固碳率如表1所示，其中固碳率的计算方法为：
固碳率＝(碳矿化后板材产品绝干质量-碳矿化前板材产品绝干质量)÷碳矿化前板材产品绝干质量。
表1实施例1板材产品的固碳率
| 成型压力(MPa) | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 |
| 固碳率(％) | 20 | 28 | 35 | 40 | 45 | 48 |
(2)取实施例2中的板材产品，采用烧失法进行内外部碳矿化程度测试，测试结果如表2所示，其中碳矿化程度计算方法为：
表2实施例2板材产品的内外部碳矿化程度差
| 水与硅酸盐材料质量比 | 8:1 | 7:1 | 6:1 | 5:1 |
| 碳矿化板材产品表面与内部碳矿化程度差(％) | 5 | 7 | 10 | 15 |
注：碳矿化产品表面是指深度0～2cm区间内，内部是指深度为5～7cm区间内。
(3)取实施例3和对比例1中不同碳矿化时间下制备板材产品进行抗折强度测试，结果如表3所示。
表3实施例3和对比例1板材产品的抗折强度
| 碳矿化时间(h) | 1 | 12 | 24 | 36 | 48 | 72 |
| 实施例3板材抗折强度(MPa) | 3 | 5.8 | 8.2 | 10.3 | 12.6 | 15.4 |
| 对比例1板材抗折强度(MPa) | 1.8 | 3.2 | 4.5 | 6.7 | 8.6 | 10.9 |
从上述测试结果可知，本发明实施例制备的碳矿化结构灌浆板材能够有效提高产品的碳矿化深度和程度，保证了产品具备足够的抗折强度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种碳矿化结构灌浆板材的制备方法，包括以下步骤：
a）将多孔基体材料与水混合，得到团聚颗粒；
步骤a）中，所述团聚颗粒的粒径为2~20mm；
b）将所述颗粒压制成型，得到坯体；
c）将所述坯体进行一次碳矿化处理，得到碳矿化结构体；
d）对所述碳矿化结构体灌硅酸盐浆，得到板材坯料；
步骤d）中，所述硅酸盐浆由含硅酸盐固料与水混合制成，所述含硅酸盐固料为硅酸盐水泥，所述含硅酸盐固料与水的质量比为1：（5~8）；
e）将所述板材坯料进行二次碳矿化处理，得到碳矿化结构灌浆板材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a）中，所述多孔基体材料包括炉渣、沸石粉、电石渣和煤矸石渣中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤a）中，所述多孔基体材料与水的质量比为（12~20）：100。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤b）中，所述压制成型的压力为2~12MPa。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤c）中，所述一次碳矿化处理的二氧化碳体体积浓度为3~99.8%，压力为0.01~0.5MPa，温度为20~100℃，时间为1~72h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤e）中，所述二次碳矿化处理的二氧化碳体体积浓度为3~99.8%，压力为0.01~0.5MPa，温度为20~100℃，时间为1~72h。
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| 何志军等."钢铁冶金过程环保新技术".冶金工业出版社,2017,(第1版),第186页. * |
| 潘宝巨."钢铁工艺岩相".冶金工业出版社,1977,(第1版),第81页. * |
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