催化剂在再生水泥浆体粉末湿法碳化过程中的作用机制及性能提升研究

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Effect of catalyst in wet carbonation process for recycled cement paste powder

本文针对再生水泥浆体粉末（RCP）湿法碳化效率低的问题，系统研究了五种催化剂（三乙醇胺TEA、乙醇、甘油、乙二胺EDA、1,3-二氨基丙烷DAP）对碳化过程的影响。研究发现，烷醇胺类催化剂TEA能通过螯合Ca2+和Al3+形成稳定络合物，显著促进富硅凝胶生成（提升175.16-201.91%），并揭示SiO2/Al2O3摩尔比约为3:1的共沉淀机制，为RCP高值化利用提供新策略。

　　

混凝土，作为全球消耗量仅次于水的建筑材料，在塑造现代文明图景的同时，也带来了巨大的环境负担——资源枯竭、土地占用以及温室气体排放。其中，建筑垃圾占固体废弃物总量的30-40%，年产生量估计超过100亿吨。从这些废弃混凝土中回收的再生混凝土骨料（RCA），因其较差的性能限制了其在新建混凝土中的应用，尤其是细粉部分，由于附着砂浆含量高、化学活性低，其循环利用更是步履维艰。

面对这一挑战，加速碳化技术被视为提升RCA性能的有效且经济的方法。然而，传统的干法碳化（气相-固相碳化）容易因颗粒表面快速致密化而效果有限。于是，学者们将目光投向了湿法碳化（液相-固相碳化），它通过可溶性CO₃^2-与水泥水化产物反应，生成方解石（CC）、硅凝胶和铝凝胶等碳化产物，效率可比干法碳化提升高达300%。这些产物具有火山灰活性，可作为有价值的补充性胶凝材料（SCMs）。但湿法碳化的效率高度依赖于催化剂。尽管已有研究认识到催化剂的重要性，但系统比较不同类型催化剂效果的研究尚属空白。

为此，发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上的这项研究，深入探究了五种代表不同官能团（羟基、氨基、烷醇胺基）的催化剂对再生水泥浆体粉末（RCP）湿法碳化过程的影响机理与增效作用。研究人员通过一系列精细实验揭示，烷醇胺类化合物三乙醇胺（TEA）凭借其独特的分子结构，能够最有效地螯合钙、铝离子，打破反应平衡，从而大幅提升碳化效率与高价值产物的产出，为建筑废弃物的高附加值资源化利用开辟了新路径。

为开展研究，团队主要运用了几项关键技术。他们利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团和化学键变化；采用X射线荧光光谱（XRF）进行元素组成分析；通过X射线粉末衍射（XRD）鉴定物相组成；并利用热重分析（TGA）定量碳化产物（如碳酸钙）的含量。研究所用的RCP样本来源于实验室制备的充分水化水泥净浆，经破碎、研磨、筛分后获得。

再生水泥浆体粉末（RCP）

研究采用的RCP来自水灰比为0.4的充分水化水泥净浆，模拟再生细骨料中的活性成分。该水泥净浆使用I型普通波特兰水泥制备，养护28天后经破碎、行星式研磨机研磨，过筛得到粒径小于150微米的粉末备用。

官能团的影响

实验结果显示，催化剂的适宜添加量在0.1-1 wt%之间。不同催化剂在各自最佳掺量下（如0.5 wt% TEA, 0.1 wt% 乙醇, 1 wt% 甘油, 0.5 wt% EDA, 0.1 wt% DAP）获得的富硅凝胶产量均高于未加催化剂的对照组（0.1506 g），证明催化剂普遍提升了碳化效率。其中，同时含有羟基和氨基的烷醇胺类化合物TEA表现最优，其促进富硅凝胶生成的效果显著优于仅含羟基（乙醇、甘油）或仅含氨基（EDA、DAP）的催化剂。这表明TEA的协同效应优于单官能团催化剂。

催化机理

研究基于硬软酸碱理论（HSAB）解释了催化机理。TEA作为硬碱，易于与硬酸离子（Ca²⁺, Al³⁺）形成稳定的硬酸-硬碱化合物（TEA-Ca²⁺络合物和TEA-Al³⁺络合物）。这种螯合作用促进了水泥水化产物中钙和铝的溶出，破坏了原有体系的平衡，加速了碳化反应的进行。研究还发现，共沉淀凝胶中SiO₂与Al₂O₃的摩尔比约为3:1，铝凝胶的存在是富硅凝胶沉淀的关键因素。

结论

本研究通过系统比较不同官能团催化剂在RCP湿法碳化中的作用，得出以下核心结论：烷醇胺类催化剂TEA因其独特的分子结构和强大的螯合能力，能最有效地促进碳化反应，显著提高富硅凝胶等有价值产物的产量。其催化机理符合硬软酸碱理论，主要通过螯合Ca²⁺和Al³⁺离子实现。共沉淀过程中，铝凝胶对富硅凝胶的形成起着至关重要的作用。这项研究不仅深化了对湿法碳化催化剂作用机理的理解，而且为RCP的高效资源化利用和CO₂的固定提供了重要的理论依据和技术选择，对推动建筑废弃物处理技术的进步和建材行业的低碳化发展具有重要意义。