利用HMDA在水泥中实现选择性二氧化碳封存：在增强碳化作用的同时保持结构完整性

《Journal of Molecular Liquids》：Selective CO? sequestration in cement using HMDA: preserving structural integrity while enhancing carbonation

本研究采用1,6-己二胺（HMDA）作为水溶性添加剂，显著提升水泥中CO?吸收效率，同时优化其力学性能和微观结构。实验表明，添加0.6% HMDA的水泥试件28天抗压强度达113.8 MPa，孔隙率降低，XRD和FTIR证实碳酸盐形成比例提高。该技术通过化学吸收促进碳化，保持pH碱性环境，实现CO?捕获与水泥性能提升的双重效益，为低碳建材开发提供新路径。

　　这项研究提出了一种创新的方法，用于通过在水泥体系中引入1,6-六亚甲基二胺（HMDA）作为水溶性添加剂，提高二氧化碳（CO?）的吸收能力。传统上，CO?固化方法受限于水泥中CO?的溶解度较低以及对水泥碱性环境的不利影响。在本研究中，HMDA被引入到CO?饱和水中，以促进碳酸盐的形成，从而增强CO?的化学吸收，同时维持有利于水泥水化的pH条件。通过使用四种不同的混合溶液（W1、W2、W3、W4）制备水泥浆体，研究人员对材料进行了全面的分析，包括总无机碳（TIC）、pH值、X射线衍射（XRD）、微计算机断层扫描（μCT）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、机械测试以及孔隙结构表征。结果显示，HMDA显著提高了CO?的吸收量，从W2中的0.74 g/L增加到W4中的8.2 g/L（在水灰比为0.5时测定）。尽管HMDA处理后的样品在早期强度上有所降低，但其28天抗压强度表现优异，其中W3在水灰比为0.3时达到了最高的113.8 MPa。XRD和FTIR分析证实了碳酸钙形成量的增加以及波特兰石含量的减少，表明碳化程度更深入。μCT和孔隙度分布（PSD）分析揭示了孔隙率的降低和孔隙结构的细化，尤其是在W3和W4中表现更为明显。机械测试进一步表明，尽管早期强度有所下降，但HMDA处理后的样品在28天后的抗压强度、刚度和弹性模量上均优于对照组。W3达到的最高强度（113.8 MPa）验证了在控制内部碳化过程中长期增强水泥性能的潜力。HMDA方法不仅提供了更高的CO?捕集能力，还提升了水泥性能，为水泥生产中的碳利用提供了可扩展且经济有效的途径，支持高绩效、低碳的建筑材料的发展。

水泥和混凝土工业是现代基础设施建设的核心，它们在建筑领域具有不可替代的作用。水泥作为混凝土的关键粘结剂，其生产过程需要高温处理石灰石转化为熟料，这一过程消耗大量能源并排放大量CO?。这使得水泥工业成为全球CO?排放的主要来源之一，也是导致气候变化的重要因素之一。据相关数据，建筑和建筑行业占据了全球碳排放的大约39%，因此迫切需要创新的解决方案来减少其碳足迹。解决这一问题的方法包括开发可持续材料、采用碳捕集与利用技术以及推广节能实践。许多研究已经探讨了将各种废弃物材料纳入水泥中以改善其性能并减少CO?排放的可能性。例如，回收的废混凝土粉末已被证明可以改善硫铝酸盐水泥的性能，有助于实现循环经济的目标。诸如二氧化硅、生物炭、粉煤灰、游离石灰和矿渣等材料也被研究其对水泥性能的积极影响。例如，生物炭可以改善水泥的孔隙结构，加速碳化过程，提高保温性能，并减少加热和冷却所需的能源，因为它具有化学稳定性和低热导率。一种新的、有前景的方法是直接在水泥生产过程中利用CO?，这种方法不仅可以捕集二氧化碳，还可能提高水泥的性能，如强度和耐久性。通过将CO?整合到水泥基体中，可以生产更加可持续的建筑材料，从而减少整体温室气体排放。这种碳捕集与材料性能提升的双重优势使得CO?在水泥中的利用成为研究和开发的重要方向。

然而，在水泥生产中使用CO?面临的主要挑战是其在水中的溶解度有限，尤其是在低压和低温条件下。这种低溶解度对于需要大量CO?吸收的过程构成了显著障碍。CO?在水中的溶解度受到多种因素的影响，包括温度、压力以及其他溶解物质的存在。在较高温度和较低压力下，CO?的溶解度下降，限制了其在水中的溶解量。这对于依赖溶解CO?来捕集和储存二氧化碳的过程尤其具有挑战性。例如，在25°C和55巴压力下，CO?在盐水中的溶解度约为0.75 g/L，但这一数值在较高温度和较低压力下会显著下降。这种行为与CO?与岩石相互作用的研究结果一致，这些研究突出了在类似条件下矿物溶解和沉淀的反应动力学。此外，使用纯碳酸水（CO?溶解在水中）进行水泥生产可能会对水泥的强度产生负面影响。碳化作用会降低水泥的碱性，从而影响其耐久性并可能导致结构弱点。这种碱性的减少损害了水泥的机械性能，使其在建筑应用中不够理想。文献报告指出，碳化作用会对水泥强度产生不利影响，强调了需要创新方法来将CO?整合到水泥中，同时不损害其性能。

另一个策略是在混凝土固化过程中直接向混凝土中注入CO?，以增强矿物化并提高大规模应用的可行性。此外，使用诸如煅烧黏土和替代材料等附加的水泥性材料（SCMs）也可以帮助减少CO?排放并改善水泥性能。最近的一项研究显示，通过钠掺杂的硅酸钙压块的CO?固化可以进一步通过钙碳酸盐和C–S–H相的协同形成来增强水化和机械强度。同时，改性氟石膏已被证明具有更高的反应性和与水泥体系的兼容性，显示出其作为CO?反应性粘结剂的潜力。微波固化也作为一种节能的方法，用于加速水泥–粉煤灰混合物的水化和强度发展。同样，氟石膏和KH?PO?的协同使用已被证明可以增强铝酸盐水泥体系的早期强度并改变水化机制。这些方法旨在通过增加CO?捕集量和维持或增强水泥的机械性能，创造更可持续的建筑材料。通过克服CO?溶解度低以及其对水泥强度影响的限制，这些方法展现出推动可持续建筑领域发展的潜力。因此，提高CO?在水中的溶解度同时不损害水泥的机械性能是有效利用CO?的关键。

为了应对CO?在水中的溶解度低这一挑战，研究人员正在探索各种方法来增强CO?的吸收能力并促使其在水泥中的整合。一种方法是使用胺类化合物，如二乙胺（DMA）、二甲胺（DEA）和异丙胺（IPA），这些化合物已被广泛研究其形成碳酸盐和碳酸氢盐的能力，从而提高CO?捕集效率。除了胺类化合物，其他化学策略也被用于改善水泥浆体中CO?的水化过程。例如，氨基酸如谷氨酸和丝氨酸已被证明可以显著提高反应性氧化镁体系中CO?的溶解度和矿化程度，通过调节pH和促进离子溶解。这些氨基酸与Mg2?离子相互作用，增加氧化镁的溶解度，并促进水合镁碳酸盐的形成，从而提高水化和碳化的效率。此外，弱酸和盐类如碳酸氢钠和六偏磷酸钠也被用于改变碳酸盐平衡，使其向碳酸氢盐和碳酸盐离子方向转移，从而增强CO?在浆体溶液中的保留能力。这些添加剂还提高了CO?的扩散速率，并改善了水泥体系的水化程度。这些化学增强措施通常与物理方法相结合，例如在碳化过程中控制温度和压力，这些因素影响CO?的溶解度和反应动力学。总体而言，这些技术为早期水化阶段的内部碳化提供了更有利的环境，支持了耐用、低碳水泥体系的开发。

本研究的目标是通过使用成本效益高的添加剂，显著提高水中的CO?吸收能力，同时不影响水泥的机械强度。这种方法为CO?利用提供了一种有前景且有效的途径，旨在通过在水泥材料中引入添加剂来提高CO?的溶解度。这种方法不仅解决了CO?溶解度低的挑战，还确保了水泥的机械性能得以维持甚至提升。例如，硫酸钠和石膏等化学添加剂已被发现显著影响铝基灌浆材料的膨胀和凝结行为。使用这类添加剂可以促进更可持续的建筑实践，减少水泥和混凝土行业整体的碳足迹，同时提供耐用且高性能的建筑材料。在本研究中，我们选择了1,6-六亚甲基二胺（HMDA）作为成本效益高的添加剂。HMDA，也称为己烷-1,6-二胺，是一种有机化合物，广泛用于聚氨酯（特别是尼龙66）的生产，通过与己二酸进行缩聚反应。HMDA具有较高的水溶性，其溶解度可达490 g/L，熔点范围为39至42°C，沸点为204.6°C，密度为0.84 g/mL。HMDA的这些特性使其在水泥体系中具有良好的应用前景。

其他基于胺的添加剂也显示出增强CO?在水和水泥体系中溶解度和反应性的能力。例如，DMA作为一种二级胺，已显示出快速的CO?吸收动力学和增加的碳酸钙形成，尽管其对长期强度和孔隙细化的影响相对有限。DEA作为一种二级醇胺，因其高溶解度和低腐蚀性而被广泛用于工业CO?捕集。然而，其较慢的反应动力学和降低pH的倾向可能会抑制水泥的早期水化，从而影响早期强度。相比之下，HMDA由于其双功能的一级胺结构，具有独特的优势，能够实现双位点的CO?结合并形成稳定的碳酸盐。在相对较低的添加量（0.1–0.6 wt%）下，HMDA可以提高CO?的吸收量，同时维持一个适度的碱性pH值（约6），这有利于水泥的水化过程。这种较高的pH值对水泥的制备具有积极作用，因为它有助于维持水化所需的碱性环境。HMDA在提高CO?溶解度方面的能力以及其在水中的高溶解性，使其成为碳捕集和储存过程中的有效材料。通过将HMDA整合到水泥基体中，可以生产更加可持续的建筑材料，从而减少整体温室气体排放。这种碳捕集与材料性能提升的双重优势使得HMDA在水泥中的利用成为研究和开发的重要方向。

本研究探索了一种新的策略，以提高CO?在水中的溶解度，并促进其在水泥中的整合，同时不损害水泥的机械性能。与传统的将固化水泥暴露于气体CO?的方法不同，该方法直接将CO?引入到混合水中，使CO?在早期水化阶段实现均匀的体积碳化。为了提高CO?在水中的溶解度和稳定性，HMDA被选为添加剂，因为它具有适中的碱性，并且能够通过弱可逆键与溶解的CO?相互作用。与高度碱性的添加剂相比，HMDA提供了适度的碱性环境，支持CO?的保留和与水泥化学的兼容性。这种内部碳化机制有助于更均匀的微观结构发展和密实化，从而提高长期强度和耐久性。

为了评估HMDA增强的CO?溶液对水泥性能的影响，研究人员使用不同浓度的HMDA和水灰比制备了水泥浆体。这些材料随后通过X射线衍射（XRD）、微计算机断层扫描（μCT）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术进行评估，包括抗压强度、波速、吸水率和微观结构变化。这种综合方法为提高碳捕集效率和建筑材料的结构性能提供了一条有前景的途径，支持更可持续的水泥生产实践。通过这些方法，水泥行业可以在实现碳捕集的同时，提升材料的性能，从而在建设领域推动更加环保的解决方案。

研究结果表明，HMDA的引入显著提高了CO?的吸收能力，并对水泥的化学稳定性产生了积极影响。在W4中，CO?的吸收量达到8.2 g/L，显示出HMDA在促进CO?溶解方面的高效性。此外，HMDA的添加还对水泥的微观结构和孔隙度产生了积极影响，有助于形成更加密实和均匀的结构。这不仅提升了水泥的长期强度，还增强了其耐久性。HMDA的使用还显示出对水泥早期强度的适度影响，但随着水化过程的进行，其对28天后的强度提升具有明显优势。这些结果表明，HMDA在水泥体系中的应用可以有效提高CO?的吸收和材料的性能，为实现低碳建筑提供可行的技术路径。

研究进一步表明，HMDA的加入不仅提高了CO?的吸收能力，还改善了水泥浆体的化学稳定性。HMDA能够与CO?发生反应，形成稳定的碳酸盐，从而在水溶液中保持较高的CO?浓度。这种反应不仅提高了CO?的溶解度，还对水泥的微观结构产生了积极影响。HMDA的使用有助于在早期水化阶段形成更加均匀的微观结构，从而提升材料的长期性能。此外，HMDA的加入还显示出对水泥体系中碱性环境的维护作用，使其在碳化过程中保持适度的pH值，从而有利于水泥的水化反应。这些特性使得HMDA成为一种在水泥体系中实现高效碳捕集和材料性能提升的优良添加剂。

通过本研究，HMDA的应用展示了其在水泥体系中实现高效CO?捕集和提升材料性能的潜力。其双功能的一级胺结构使其能够实现双位点的CO?结合，从而在水溶液中形成稳定的碳酸盐。这种反应不仅提高了CO?的吸收能力，还对水泥的微观结构产生了积极影响，有助于形成更加密实和均匀的结构。HMDA的加入还对水泥的早期强度有所影响，但随着水化过程的进行，其对28天后的强度提升具有明显优势。这些结果表明，HMDA在水泥体系中的应用不仅能够有效提高CO?的吸收能力，还能提升水泥的性能，为实现低碳建筑提供可行的技术路径。

研究还表明，HMDA的加入可以显著改善水泥浆体的孔隙结构，从而提高其密实度和强度。通过μCT和PSD分析，研究人员发现HMDA处理后的样品孔隙率较低，孔隙结构更加精细，这表明其对水泥体系的碳化和水化过程具有积极影响。这些改进不仅提高了水泥的强度，还增强了其耐久性。此外，HMDA的加入还显示出对水泥体系中碱性环境的维护作用，使其在碳化过程中保持适度的pH值，从而有利于水泥的水化反应。这些特性使得HMDA成为一种在水泥体系中实现高效碳捕集和材料性能提升的优良添加剂。

研究还探讨了HMDA对水泥水化过程的促进作用。HMDA的加入可以加速水泥的水化反应，从而提高早期强度。这种加速作用使得水泥能够在更短的时间内达到较高的强度，有助于更快地进行后续的施工阶段。此外，HMDA的加入还能够改善水泥的微观结构，使其更加密实，从而提高其耐久性和长期性能。HMDA的这些特性使其在水泥体系中具有良好的应用前景，为实现低碳建筑提供可行的技术路径。

通过本研究，HMDA的应用展示了其在水泥体系中实现高效CO?捕集和提升材料性能的潜力。其双功能的一级胺结构使其能够实现双位点的CO?结合，从而在水溶液中形成稳定的碳酸盐。这种反应不仅提高了CO?的吸收能力，还对水泥的微观结构产生了积极影响，有助于形成更加密实和均匀的结构。HMDA的加入还显示出对水泥体系中碱性环境的维护作用，使其在碳化过程中保持适度的pH值，从而有利于水泥的水化反应。这些特性使得HMDA成为一种在水泥体系中实现高效碳捕集和材料性能提升的优良添加剂。

研究还表明，HMDA的加入可以显著改善水泥浆体的孔隙结构，从而提高其密实度和强度。通过μCT和PSD分析，研究人员发现HMDA处理后的样品孔隙率较低，孔隙结构更加精细，这表明其对水泥体系的碳化和水化过程具有积极影响。这些改进不仅提高了水泥的强度，还增强了其耐久性。此外，HMDA的加入还显示出对水泥体系中碱性环境的维护作用，使其在碳化过程中保持适度的pH值，从而有利于水泥的水化反应。这些特性使得HMDA成为一种在水泥体系中实现高效碳捕集和材料性能提升的优良添加剂。

综上所述，HMDA作为一种新型的水溶性添加剂，为提高CO?在水泥体系中的吸收能力提供了有效途径。其独特的双功能结构不仅提高了CO?的吸收效率，还改善了水泥的性能，包括强度和耐久性。通过HMDA的使用，水泥行业可以在实现碳捕集的同时，提升材料的性能，从而在建设领域推动更加环保的解决方案。这些研究成果表明，HMDA在水泥体系中的应用具有重要的实际意义，为实现低碳建筑提供了可行的技术路径。