基于酸消解法的全无机碳测量技术在碳酸盐水泥基材料中的应用

《Journal of CO2 Utilization》：Application of acid digestion-based total inorganic carbon measurement for carbonated cement-based materials

CO?固化量测定方法比较研究：通过酸溶解结合红外传感器（AD-TIC）和高温热分解（HT-TIC）与传统热重分析（TGA）方法，系统评估了不同湿度条件下碳化水泥基材料中CO?的定量精度。实验表明AD-TIC与HT-TIC结果高度一致（误差<2%），而TGA方法受C-S-H脱水及CH分解重叠影响显著（误差达15-30%），尤其切线法低估CO?含量。研究提出AD-TIC在低有机质样品中具有操作简便、线性良好（R2>0.997）的优势，推荐作为混凝土碳化CO?固定量化的首选方法，并建立20-150 mg的样品量程优化标准。

　　本文探讨了在水泥基材料中固定二氧化碳（CO?）的量化方法，重点分析了四种不同的测量技术，并比较了它们在不同湿度条件下对CO?含量的测量结果。研究团队通过实验，探讨了在水泥固化过程中，二氧化碳如何被固定在材料中，并评估了各种方法在实际应用中的可行性和准确性。研究的背景在于全球范围内对实现碳中和目标的迫切需求，尤其是水泥和混凝土行业，其碳排放占全球人为CO?排放的5%至8%。因此，对水泥基材料中CO?的准确测量成为实现碳排放减少和碳中和目标的重要环节。

研究采用了两种主要的分析方法：一种是基于热重分析（TGA）的红外吸收光谱法（红外传感器法），另一种是基于酸溶解和红外传感器的总无机碳（TIC）测量方法。这两种方法在原理上有所不同，前者通过加热使样品中的碳酸盐分解并释放CO?，后者则通过酸性溶液溶解碳酸盐，同时利用红外传感器检测释放的CO?气体。此外，研究还涉及两种其他技术，如X射线衍射和同位素测量，这些技术在土壤科学和相关领域中广泛应用。

在实验部分，研究人员制备了硬化水泥浆（HCP），并将其在不同湿度条件下进行碳化处理。这些样品在200天的固化期后被细磨至小于75微米的粒径，然后在自然或加速碳化条件下暴露。自然碳化模拟了实际环境中的CO?浓度和湿度，而加速碳化则通过特定的条件（如95%湿度和5% CO?浓度）加快碳化过程。为了确保测量的准确性，研究人员还特别注意了样品的均匀性和酸溶解的条件，包括样品的研磨程度、酸的浓度以及搅拌时间。

在测量过程中，研究人员发现，热重分析中的CO?释放峰可能与其他物质（如有机物或水合产物）的分解峰重叠，这会影响定量结果的准确性。尤其是在较低湿度条件下，热重分析的“步进法”相较于“切线法”更准确，这表明在实际应用中，需要考虑不同碳化条件对测量结果的影响。此外，酸溶解法虽然在某些情况下可能受到硅胶等物质的干扰，但通过适当的实验条件（如样品研磨程度、酸的用量和搅拌时间），可以有效减少这些干扰，从而提高测量的准确性。

研究还讨论了基于高温度分解的红外传感器总无机碳测量法（HT-TIC）和基于酸溶解的红外传感器总无机碳测量法（AD-TIC）之间的比较。HT-TIC方法依据德国标准DIN 19539:2016–12，而AD-TIC方法则是通过酸溶解结合红外传感器进行测量。研究结果显示，这两种方法在大多数情况下给出了相近的CO?含量，表明它们在定量方面具有良好的一致性。然而，在某些情况下，如低碳化程度或高有机物含量的样品中，两种方法的测量结果可能存在差异，这需要进一步研究以确定最佳的实验参数。

此外，研究还发现，硅胶和碳酸盐之间的相互作用可能会影响热重分析的准确性。当硅胶和碳酸盐接触时，CO?可能在较低温度下释放，这与有机物的分解温度范围重叠，导致难以准确区分不同来源的CO?释放。因此，在热重分析中，尤其是在有机物含量较高的样品中，必须特别注意这一问题。然而，当样品中的有机物含量较低时，热重分析仍然能够提供较为准确的定量结果。

在酸溶解法中，硅胶可能影响碳酸盐的溶解过程。为了克服这一问题，研究团队通过控制样品的研磨程度、酸的用量以及测量时间，确保了碳酸盐的充分溶解。此外，研究还指出，在酸溶解过程中，可能会留下一些不溶残渣，这些残渣主要由硅胶组成。因此，在实验设计时，需要合理选择样品的量和酸的浓度，以避免这些不溶残渣对测量结果的干扰。

研究还探讨了不同湿度条件下碳化过程对CO?释放的影响。例如，在自然碳化条件下，CO?释放的速率可能较慢，而加速碳化则能更快地增加CO?的含量。通过分析不同碳化时间下的测量结果，研究团队发现，在自然碳化条件下，CO?的释放量随着碳化时间的延长而增加，而在加速碳化条件下，这种趋势更加明显。此外，不同湿度条件下，CO?的释放行为也有所不同，这表明湿度是影响碳化过程和CO?释放的重要因素。

为了验证测量方法的准确性，研究团队使用了标准样品（如高纯度的碳酸钙）进行校准，并通过比较不同测量时间下的信号强度，确认了酸溶解法和红外传感器法的有效性。结果显示，在测量时间超过10分钟时，信号趋于稳定，表明CO?的释放过程基本完成。因此，在实际测量中，测量时间应设定为至少10分钟，以确保结果的准确性。

研究还发现，在某些情况下，TOC（总有机碳）的测量结果可能与CO?的释放无关，而是由于硅胶与碳酸盐之间的相互作用（即Hedvall效应）引起的。这种效应可能导致在热重分析中出现额外的CO?释放峰，从而影响测量结果的准确性。因此，在进行热重分析时，需要特别注意这种效应，并通过适当的实验条件加以控制。

此外，研究还讨论了不同测量方法的优缺点。热重分析虽然在某些情况下能够提供较为准确的CO?含量，但其操作复杂，且容易受到其他物质分解峰的干扰。相比之下，酸溶解法更为简单，且在大多数情况下能够提供较为准确的CO?含量，尤其是在有机物含量较低的情况下。然而，在某些情况下，如样品中存在大量有机物或硅胶，酸溶解法可能会受到干扰，需要进一步优化实验条件。

综上所述，本文通过实验分析和比较，探讨了在水泥基材料中固定CO?的多种方法，并评估了它们在不同碳化条件下的适用性和准确性。研究结果表明，酸溶解法和红外传感器法在大多数情况下能够提供较为准确的CO?含量，而热重分析则需要特别注意分解峰的重叠问题。此外，湿度和碳化时间对CO?的释放量和测量结果具有重要影响，因此在实际应用中，应根据具体条件选择合适的测量方法。研究还强调了在实验设计中控制样品质量和测量条件的重要性，以确保测量结果的可靠性和一致性。