CN117923946A - 镁渣基轻质高强保温材料的制备及协同固定co2的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于烟气处理领域和工业固废资源化利用技术领域，具体涉及镁渣基轻质高强保温材料的制备及协同固定CO2的方法。本发明的方法是以镁渣为原料，添加水泥、发泡剂、稳泡剂，注浆成型后通入二氧化碳气体，在碳化反应釜中进行矿化反应，得到轻质高强保温材料。本发明通过对工艺参数的调控，制备的保温材料中含有丰富且较大长径比的纤维状文石型碳酸钙，对保温材料的强度起到了支撑作用，抗压强度最高可达11.89Mpa。本发明的方法涉及的工艺简单、条件温和、CO2矿化效率高，易于实现工业化。
Description
技术领域
本发明属于烟气处理领域和工业固废资源化利用技术领域，具体涉及镁渣基轻质高强保温材料的制备及协同固定CO2的方法。
背景技术
镁渣是金属镁生产过程中所产生的工业固体废弃物。目前，每生产一吨金属镁，就会产生约5.5～10吨的镁渣。由于镁的需求量大，每年大约产生800万吨镁渣。镁渣的pH值在12.45左右，处理方式主要以填埋和堆积为主，不仅占用土地资源，也造成土壤盐碱化的危害。有学者将镁渣用作钢铁的脱硫剂，或将其代替部分水泥孰料，虽然取得一定的效果，但是受限于反应条件和工艺成本，未能得到有效利用。作为一种富含氧化钙和氧化镁的碱性工业固体废弃物，镁渣具有较高的碱度和CO2反应活性，利用镁渣等固体废物进行矿化CO2具有较高的环境效益和经济优势。
碳捕集、存储和利用技术是一种有效捕集火电、钢铁、水泥、化工行业等固定源排放CO2的新兴技术。多孔材料因其具有比表面积大、粒径和孔道可调、表面可修饰等特点被认为是捕集CO2的最佳选择，目前众多研究者开发了一系列可用于CO2吸收或吸附的固体多孔材料，包括沸石材料、硅基吸附剂、炭基吸附剂、MOF材料、负载催化剂的多孔树脂或其他有机聚合物等。
镁渣等固废在二氧化碳固定方面已经有了一系列的研究，如专利CN116282116A公开了一种镁渣矿化二氧化碳的循环工艺，通过将镁渣粉碎后，加入氯化铵溶液水浴加热，得到浸出液和滤渣，再向浸出液中，通入含二氧化碳的气体搅拌反应，得到沉淀及反应溶液。这种方法是通过浸提镁渣中的可溶性碱性组分对CO2进行间接矿化，工艺中所用辅助试剂较多，复杂繁琐，且物耗高，限制了其应用。专利CN116265415A公开了一种利用硅钙基固废固定二氧化碳的方法，通过将钢渣等原料与水混合后在5～100MPa下压制成块，再放入反应釜与进行矿化反应，在原料的预处理上需要系统消解40分钟后再压制成饼状，该方法中前处理过程较为繁琐，制备出的试块对CO2的矿化效率较低。鉴于此，有必要开发一种工艺简单、能耗物耗低且矿化效率高的固废矿化固定CO2的方法。
发明内容
为解决现有固废矿化固定CO2技术中能耗物耗高、工艺复杂繁琐、矿化效率低的问题，本发明提出一种镁渣基轻质高强保温材料的制备及协同固定CO2的方法。通过控制不同反应条件，调控矿化反应性能，选择性生成纤维状文石型碳酸钙从而制备出高强保温材料，实现对镁渣的资源化利用，同时实现对二氧化碳的永久固定，达到“以废治废”的目的。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种镁渣基轻质高强保温材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将镁渣与水泥混合，加水搅拌，制成浆液；
步骤2：向浆液中加入发泡剂、稳泡剂，搅拌均匀，注模，养护成型；
步骤3：成型结束后，通入CO2气体，进行矿化反应，得到轻质高强保温材料；
进一步地，所述步骤1中水固质量比为0.35～0.80，优选0.35～0.65。
进一步地，所述步骤2中发泡剂为十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、乳化剂OP-10中的至少一种。
进一步地，所述步骤2中稳泡剂为茶皂素、植物蛋白、硬脂酸钙中的至少一种。
进一步地，所述步骤2中发泡剂用量占镁渣与水泥总质量的2％～10％，稳泡剂用量占镁渣与水泥总质量的0.010％～0.025％。
进一步地，所述步骤2中养护成型条件为：时间为24h，温度为60℃。
进一步地，所述步骤3中矿化反应条件为：CO2体积浓度≥40％，CO2压力为0.4～2.0MPa，温度为120～180℃、时间为1～4h。
采用如前所述制备方法制得的镁渣基轻质高强保温材料，所述镁渣基轻质高强保温材料中纤维状文石型碳酸钙的长径比为9.0:1～18.8:1。
进一步地，所述镁渣基轻质高强保温材料的孔隙率为4.14％～22.09％，平均孔径为80.6μm～128.4μm，体积密度为0.600g/cm3～1.500g/cm3，抗压强度为2.23MPa～11.89MPa，保温系数为0.15～0.29W/(m·K)。
如前所述的镁渣基轻质高强保温材料用于永久固定CO2和建筑保温材料。本发明制备的保温材料内部含有大量的孔道和孔隙，比表面积较大，使得镁渣能够充分与CO2接触并发生矿化反应，从而实现二氧化碳的永久固定，促进环境可持续发展和资源的有效利用。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明能耗和物耗较低，节约能源和原材料，有利于降低成本；矿化效率高，实现CO2的永久固定，有利于保护环境；工艺过程简单，易于实现工业化生产，有利于快速推广应用；可以实现固废的高值利用，有助于资源的循环利用和可持续发展；具有较好的环境效益和广阔的市场前景，是一种在未来发展中具有潜力的新型技术。因此，这项发明是一种具有广泛应用前景和显著社会经济效益的创新性技术。
附图说明
图1为镁渣基轻质高强保温材料的生产工艺流程图。
图2为实施例1制备的镁渣基轻质高强保温材料的实物图。
图3为实施例1制备的镁渣基轻质高强保温材料的SEM图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
下述实施例水泥选取P.O 42.5水泥，镁渣选取陕西某炼镁厂自然冷却镁渣，比表面积为324.7m2/kg，通过XRF分析，其化学成分如表1所示，
表1镁渣的元素组成(wt./％)
实施例1
将90g镁渣与10g水泥混合，加入65mL水，以500r/min的速度搅拌0.5min，加入2g10g/L十二烷基硫酸钠溶液和0.015g硬脂酸钙，以1500r/min的搅拌速度搅拌2min后，将浆液倒入模具中，在60℃下养护24h成型后脱模。脱模后送入碳化反应釜内，通入0.4MPa、浓度为40％的CO2，在120℃条件下矿化反应2h，得到保温材料。
保温材料的实物图如图2所示，SEM图如图3所示。
保温材料的体积密度为1295Kg/m3，文石型碳酸钙粒径长径比为9.6:1，抗压强度为11.89MPa，矿化效率为41.72％，CO2吸附量为375.5Kg/t，孔隙率为4.60％，平均孔径为84.5μm，保温系数为0.28W/(m·K)。
实施例2
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：稳泡剂替换0.015g的茶皂素。
本实施例制备的保温材料的体积密度为1423Kg/m3，文石型碳酸钙粒径长径比为9.0:1，抗压强度为10.06MPa，矿化效率为37.81％，CO2吸附量为340.3Kg/t，孔隙率为4.14％，平均孔径为80.6μm，保温系数为0.29W/(m·K)。
实施例3
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：稳泡剂替换为0.015g的植物蛋白。
本实施例制备的保温材料的体积密度为1390Kg/m3，文石型碳酸钙粒径长径比为9.4:1，抗压强度为11.25MPa，矿化效率为40.54％，CO2吸附量为364.9Kg/t，孔隙率为4.43％，平均孔径为82.6μm，保温系数为0.28W/(m·K)。
实施例4
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：发泡剂替换为4g 10g/L十二烷基硫酸钠。
本实施例制备的保温材料的体积密度为1023Kg/m3，文石型碳酸钙粒径长径比为10.8:1，抗压强度为8.56MPa，矿化效率为49.02％，CO2吸附量为441.1Kg/t，孔隙率为6.23％，平均孔径为87.6μm，保温系数为0.24W/(m·K)。
实施例5
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：发泡剂替换为6g 10g/L十二烷基硫酸钠。
本实施例制备的保温材料的体积密度为850Kg/m3，文石型碳酸钙粒径长径比为14.3:1，抗压强度为6.22MPa，矿化效率为55.93％，CO2吸附量为503.4Kg/t，孔隙率为12.63％，平均孔径为98.1μm，保温系数为0.20W/(m·K)。
实施例6
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：发泡剂替换为8g 10g/L十二烷基硫酸钠。
本实施例制备的保温材料的体积密度为822Kg/m3，文石型碳酸钙粒径长径比为17.2:1，抗压强度为4.04MPa，矿化效率为56.74％，CO2吸附量为510.7Kg/t，孔隙率为17.21％，平均孔径为108.4μm，保温系数为0.18W/(m·K)。
实施例7
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：发泡剂替换为10g10g/L十二烷基硫酸钠。
本实施例制备的保温材料的体积密度为661Kg/m3，文石型碳酸钙粒径长径比为18.3:1，抗压强度为2.73MPa，矿化效率为59.08％，CO2吸附量为531.7Kg/t，孔隙率为21.76％，平均孔径为122.4μm，保温系数为0.16W/(m·K)。
实施例8
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：发泡剂替换为10g10g/L十六烷基三甲基溴化铵。
本实施例制备的保温材料的体积密度为725Kg/m3，文石型碳酸钙粒径长径比为17.8:1，抗压强度为2.23MPa，矿化效率为57.72％，CO2吸附量为519.5Kg/t，孔隙率为19.76％，平均孔径为110.4μm，保温系数为0.17W/(m·K)。
实施例9
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：发泡剂替换为10g10g/L乳化剂OP-10。
本实施例制备的保温材料的体积密度为683Kg/m3，文石型碳酸钙粒径长径比为18.1:1，抗压强度为2.49MPa，矿化效率为58.71％，CO2吸附量为528.4Kg/t，
孔隙率为20.27％，平均孔径为118.5μm，保温系数为0.16W/(m·K)。
实施例10
本实施例的具体实施方式同实施例1，不同之处在于：发泡剂替换为10g10g/L十二烷基硫酸钠，稳泡剂采用0.010g的硬脂酸钙和0.005g的茶皂素。
本实施例制备的保温材料的体积密度为610Kg/m3，文石型碳酸钙粒径长径比为18.8:1，抗压强度为2.60MPa，矿化效率为60.40％，CO2吸附量为540.4Kg/t，孔隙率为22.09％，平均孔径为128.4μm，保温系数为0.15W/(m·K)。
上述实施例1～10制备的保温材料的物理化学性质如表2所示：
表2实施例1～10制备的保温材料的物理化学性质
以上所述仅为更好解释本发明的实施例，并非对其限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或同等替换，均属本发明所涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种镁渣基轻质高强保温材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将镁渣与水泥混合，加水搅拌，制成浆液；
步骤2：向浆液中加入发泡剂、稳泡剂，搅拌均匀，注模，养护成型；
步骤3：成型结束后，通入CO2气体，进行矿化反应，得到轻质高强保温材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中水固质量比为0.35～0.80。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中发泡剂为十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、乳化剂OP-10中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中稳泡剂为茶皂素、植物蛋白、硬脂酸钙中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中发泡剂用量占镁渣与水泥总质量的2％～10％，稳泡剂用量占镁渣与水泥总质量的0.010％～0.025％。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2中养护成型条件为：时间为24h，温度为60℃。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤3中矿化反应条件为：CO2体积浓度≥40％，CO2压力为0.4～2.0MPa，温度为120～180℃、时间为1～4h。
8.采用权利要求1～7任意一项所述制备方法制得的镁渣基轻质高强保温材料，其特征在于，所述镁渣基轻质高强保温材料中纤维状文石型碳酸钙的长径比为9.0:1～18.8:1。
9.根据权利要求8所述的镁渣基轻质高强保温材料，其特征在于，所述镁渣基轻质高强保温材料的孔隙率为4.14％～22.09％，平均孔径为80.6μm～128.4μm，体积密度为0.600g/cm3～1.500g/cm3，抗压强度为2.23MPa～11.89MPa，保温系数为0.15～0.29W/(m·K)。
10.权利要求1所述的镁渣基轻质高强保温材料的应用，其特征在于，用于永久固定CO2和建筑保温材料。
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