用Na?CO?溶液对钢渣进行水碳化处理：制备非晶硅胶并提升碳化钢渣混合水泥浆的性能

《Sustainable Materials and Technologies》：Aqueous carbonation of steel slag with Na 2CO 3 solution: Synthesis of amorphous silica gel and performance enhancement of carbonated steel slag blended cement paste

两步碳化法高效转化钢渣为高纯度纳米二氧化硅和钙富集残渣，优化碳化参数后钢渣碳化度达78.6%，通过硝酸洗涤去除杂质，纯度达98.8%。研究证实碳化钢渣与Meta-硅灰复合可有效改善水泥基材料性能，抑制有害物质影响，并实现工业级碳减排与资源循环利用。

　　钢渣是钢铁工业生产过程中产生的副产品，具有较高的碱性特征，其主要化学成分包括氧化钙（CaO）、二氧化硅（SiO?）和氧化铁（Fe?O?）。这些成分与水泥中的矿物组成相似，如C?S、C?S和C?AF，因此钢 slag 可以被视为一种潜在的骨料或水泥掺合料。然而，目前钢渣在工业应用中存在一定的限制，如反应活性较低和体积膨胀问题，这使得其在建筑行业中的利用率不足30%。此外，钢渣的大量堆积也对土地资源造成浪费，并对环境产生威胁。因此，提高钢渣的综合利用率以及减少钢铁行业中的碳排放成为亟待解决的问题。

为了应对这些挑战，近年来研究人员提出了一系列技术手段，如加速碳化。加速碳化已被证明是一种有效的方法，能够提高钢渣的反应活性，并减少碳排放。该过程利用钢渣中的游离CaO和MgO与二氧化碳（CO?）反应，生成稳定的碳酸盐，从而改善钢渣基材料的体积稳定性。此外，形成的碳酸盐还能填充材料中的孔隙，提高水泥基材料的机械性能和耐久性。然而，现有的碳化方法在碳化效率方面仍存在局限，主要受到CO?渗透率和碳化环境的影响。例如，半干法碳化依赖于CO?的扩散过程，而干法碳化则由于碳酸盐层的形成，导致碳化程度受限。相比之下，湿法碳化在控制CO?流速、反应温度、液固比和碳化时间方面具有更大的灵活性，从而能够提高碳化效率。

尽管如此，湿法碳化过程中仍面临一些问题，如高能耗和高成本。一些干预措施，如高温、压模和高CO?压力，虽然能够显著提高碳化速率，但同时也增加了能源消耗。此外，碳化钢渣在水泥基体系中的应用仍然受到较低替代比例和较差机械性能的限制，这使得其在高附加值产品中的应用受到阻碍。因此，开发新的钢渣再利用技术成为推动该领域发展的关键。

针对这一问题，研究团队提出了一种两步碳化方法，利用碳酸钠（Na?CO?）溶液对钢渣粉末进行处理，从而实现钙富集残渣和二氧化硅凝胶的分离。该方法首先通过湿法碳化，使钢渣与可溶性碳酸根离子（CO?2?）发生反应，生成钙富集残渣、二氧化硅凝胶和碱性物质的混合物。随后，通过气液碳化进一步处理钙富集残渣，使其形成高纯度的二氧化硅凝胶。该方法不仅能够提高钢渣的利用率，还能够实现高附加值的二氧化硅凝胶的合成，同时还能回收反应溶液，展现出良好的工业应用前景。

为了验证该方法的有效性，研究人员对钢渣进行了系统的实验研究。实验过程中，钢渣被粉碎成粒径小于200微米的粉末，并通过75微米筛网筛选，以提高其比表面积，从而增强碳化效率。通过调整碳酸钠溶液的浓度（2.5 mol/L）、反应温度（40°C）、液固比（20 ml/g）和碳化时间（20小时），研究人员获得了最佳的碳化效果。实验结果表明，在上述条件下，钢渣的碳化程度达到了78.6%，并且成功合成了纯度高达98.8%的二氧化硅凝胶。这一过程避免了钢渣在碳化过程中形成明显的产物层，从而保证了反应的均匀性。

进一步地，研究团队探讨了不同碳化程度的碳化钢渣对水泥浆体性能的影响。实验结果显示，碳化钢渣的加入显著改善了水泥浆体的机械性能，同时增强了其微观结构的稳定性。具体而言，碳化钢渣的高反应活性使其能够与水泥中的成分发生反应，形成新的矿物相，如碳酸铝酸盐（carboaluminate）和石膏（ettringite）。这些矿物相不仅能够稳定水泥浆体的结构，还能消除碳化钢渣可能带来的负面影响，如体积膨胀和有害物质的释放。此外，碳化钢渣的加入还提高了水泥浆体的强度和耐久性，使其在建筑行业中具有更广泛的应用前景。

从环境和经济角度来看，该两步碳化方法为减少碳排放提供了新的思路。通过将钢渣中的CaO和MgO转化为稳定的碳酸盐，不仅能够提高钢渣的利用率，还能实现二氧化碳的固存。同时，该方法在碳化过程中能够回收反应溶液，从而降低整体成本。实验数据显示，每1克钢渣可以生成1.06克的钙碳酸盐和0.104克的高纯度二氧化硅凝胶，显示出该方法在资源回收和环境治理方面的巨大潜力。

此外，研究团队还对碳化钢渣和二氧化硅凝胶的物理和化学性质进行了系统的表征。通过X射线荧光（XRF）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等技术，研究人员分析了碳化钢渣的成分变化和微观结构演变。实验结果表明，碳化钢渣的颗粒结构发生了显著变化，形成了更加致密的结构，从而提高了其在水泥基材料中的适用性。同时，二氧化硅凝胶的纯度和结构稳定性也得到了验证，显示出其在高附加值产品中的应用潜力。

该研究不仅为钢渣的高效利用提供了新的方法，还为水泥行业的碳排放控制提供了可行的解决方案。通过两步碳化方法，研究人员成功实现了钢渣的再利用，并将其转化为高附加值的材料。这一成果在工业应用中具有重要意义，能够有效缓解钢铁行业对环境的影响，同时提高资源的利用率。此外，该方法在技术上也具有一定的可行性，能够满足大规模生产的需求。

从长远来看，该研究为钢渣的综合利用提供了新的思路。通过将钢渣转化为高附加值的材料，不仅能够减少其对环境的负担，还能提高其经济价值。同时，该方法在碳排放控制方面的潜力也值得关注，能够为实现“双碳”目标提供技术支持。此外，该方法在资源回收和再利用方面的应用前景也十分广阔，能够为钢铁行业和建筑行业带来新的发展机遇。

综上所述，该研究提出了一种创新的两步碳化方法，能够有效提高钢渣的利用率，并将其转化为高附加值的材料。该方法不仅在技术上具有可行性，还在环境和经济方面展现出良好的前景。通过进一步的研究和优化，该方法有望在实际应用中发挥更大的作用，为钢铁行业和建筑行业提供可持续发展的解决方案。