聚羧酸醚与氯化镁协同增强胶结充填材料CO2碳化封存效能研究

《Results in Engineering》：CO 2 carbonation process of cemented paste backfill material using polycarboxylate ether (PCE) and MgCl 2

本研究针对地下采矿胶结充填材料(CPBFm)存在的CO2封存效率低、浆体流动性差及力学强度不足等问题，创新性地采用聚羧酸醚(PCE)和氯化镁(MgCl2)协同调控技术。研究结果表明，PCE(0.5-2.0%)与MgCl2(0.2-0.8%)的复合使用显著改善了浆体流变性能，使无侧限抗压强度(UCS)提升约80%，CO2吸收量从4.60 mg-CO2/g增至7.89 mg-CO2/g。该技术为矿业固废资源化利用和碳减排提供了新途径，对实现绿色矿山建设具有重要意义。

　　

随着全球气候变暖问题日益严峻，碳捕集、利用与封存(CCUS)技术成为应对气候变化的关键途径。在矿业领域，胶结充填材料(CPBFm)作为地下采矿的重要支护手段，其制备过程却因大量使用波特兰水泥而成为碳足迹的主要贡献者之一。与此同时，燃煤产生的粉煤灰和煤底灰等危险废弃物大量堆积，预计到2030年全球飞灰产量将达到10.4亿吨，给环境带来巨大压力。如何将这些废弃物转化为有价值的建筑材料，并在此过程中实现CO₂的高效封存，成为矿业可持续发展面临的重要挑战。

传统胶结充填材料存在诸多技术瓶颈：浆体流动性差易导致管道堵塞，材料强度发展缓慢影响采矿安全，更重要的是其CO₂封存效率有限。虽然高压高温条件可提升碳化效果，但能耗高、设备成本大，难以在实际工程中推广应用。针对这些问题，中国矿业大学的研究团队在《Results in Engineering》上发表了一项创新性研究，开发了一种基于聚羧酸醚(PCE)和氯化镁(MgCl₂)的常温CO₂碳化技术，为矿业固废资源化利用和碳减排提供了新思路。

研究团队采用了一套系统的实验方法，主要包括材料制备与表征、流变性能测试、力学强度评估以及微观结构分析。实验材料选自典型的工业固废：粉煤灰、煤底灰和波特兰水泥，模拟真实矿山废弃物的组成。通过核磁共振(1H NMR)技术分析了PCE、MgCl₂与水之间的分子相互作用，采用旋转粘度计评估浆体的剪切稀化行为和粘度特性，并按照中国标准GB/T 17671-1999测试了无侧限抗压强度(UCS)。微观结构方面，研究人员运用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜-能谱仪(SEM-EDS)和低温N₂吸附等技术，全面揭示了材料在碳化过程中的结构演变规律。

材料表征结果显示，粉煤灰和煤底灰主要含硅酸盐和铝硅酸盐，水泥则以钙硅酸盐为主。傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析表明，PCE通过其羧酸根基团(-COO?)增强水分保持和颗粒分散，而MgCl₂则促进离子相互作用和早期结构重排。两者协同作用形成了更致密的水泥石基质，为CO₂的高效封存创造了有利条件。

流变性能分析揭示了PCE和MgCl₂对浆体流动性的显著改善作用。随着剪切速率增加，浆体表现出明显的剪切稀化特性，剪切应力从38帕斯卡增至60帕斯卡。这种改良的流变行为确保了浆体在输送过程中不易堵塞管道，提高了采矿作业的安全性。坍落度测试进一步证实，PCE和MgCl₂的复合使用有效控制了浆体的分散性，避免了过度流动导致的工程质量问题。

分散与凝结时间测试表明，PCE和MgCl₂的添加显著延长了浆体的凝结时间。未添加剂的样品BFMT-A初凝时间仅为135.4分钟，而添加PCE和MgCl₂的样品BFMT-04凝结时间延长至2582.7分钟。这种可控的凝结特性为CO₂碳化反应提供了充足时间，确保了碳化过程的充分进行。

力学强度测试结果令人鼓舞。经过56天养护后，添加PCE和MgCl₂的样品无侧限抗压强度(UCS)达到20.52兆帕，比未处理的样品提高了约80%。这种强度提升主要归因于PCE和MgCl₂协同作用形成的更致密微观结构，以及碳化过程中生成的碳酸钙(CaCO₃)和钙矾石等新物相对材料强度的增强作用。

微观结构分析揭示了材料内部的复杂孔隙系统。扫描电镜(SEM)观察显示，材料中主要存在圆柱形、楔形和通道状孔隙。低温N₂吸附分析表明，经过PCE和MgCl₂处理的样品具有更高的比表面积和更优化的孔径分布，这为CO₂分子的吸附和扩散提供了更多活性位点。

热重分析(TGA)结果证实了PCE和MgCl₂对CO₂封存效率的显著提升作用。未经处理的样品CO₂吸收量平均为2.28 mg-CO₂/g，而经过PCE和MgCl₂处理并碳化的样品CO₂吸收量平均达到7.89 mg-CO₂/g，提升了近2.5倍。这种提升主要归因于PCE和MgCl₂协同作用形成的更发达孔隙结构和更高的比表面积，为CO₂的化学吸附和矿物碳化反应提供了更有利的条件。

机理分析表明，PCE的羧酸根基团(-COO?)与Mg2?之间的静电相互作用是提升材料性能的关键。这种相互作用不仅改善了浆体的分散性，还通过形成镁聚羧酸盐络合物，增强了颗粒间的机械互锁作用。同时，MgCl₂的添加促进了镁方解石(Mg_xCa_1-xCO₃)的形成，进一步增强了材料的碳化封存能力。

该研究的创新之处在于首次将PCE和MgCl₂协同用于胶结充填材料的CO₂碳化过程，开发了一种在常温常压下实现高效碳封存的新方法。与传统的高温高压碳化技术相比，这种方法能耗更低、设备要求更简单，更适合在矿山现场推广应用。研究不仅解决了胶结充填材料强度发展慢、CO₂封存效率低的技术难题，还为大规模利用工业固废实现碳减排提供了新思路。

这项研究的成功实施对推动矿业可持续发展具有重要意义。一方面，它提供了一种将危险废弃物转化为有价值建筑材料的有效途径，实现了"以废治废"的目标；另一方面，它开发了一种低能耗、高效率的碳封存技术，为矿业碳减排提供了可行方案。随着全球对碳中和目标的持续推进，这种将固废资源化与碳封存相结合的技术路线，有望在矿业领域获得广泛应用，为绿色矿山建设和循环经济发展做出重要贡献。