《Separation and Purification Technology》：Promotion of durability and low-carbon performance via biochar-MgO synergistic activation in cementitious binders
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本研究开发了一种生物炭-MgO共磨活化剂，用于制备高性能、低碳的矿渣基胶凝材料。通过球磨法优化材料，显著提高了抗压强度（提升75%）和碳化抵抗性，孔隙率降低45%。生命周期评估表明碳排放减少63%，为碳中性建筑材料提供了新途径。
马青林|黄正|欢群|贾文强|赖家豪|宋成业|刘宗豪|曹贤|王少峰|严蓓|宋敏
中国东南大学能源与环境学院能源热转换与控制教育部重点实验室，南京210096。
摘要
普通波特兰水泥的生产仍然是人为二氧化碳排放的最大来源之一，这促使人们寻找负碳替代品。本文开发了一种生物炭-MgO共磨活化剂，用于制备具有增强水化和碳化抗性的生物炭耦合MgO活化渣体系。将MgO与玉米秸秆衍生生物炭进行球磨处理显著提高了MgO的活性，从而加速了硅酸钙水合物和层状双氢氧化物相的形成。所得的生物炭耦合MgO活化渣体系的抗压强度比传统MgO活化渣高75%，孔隙率低45%。在加速碳化条件下（20%体积分数的CO2），生物炭耦合MgO活化渣体系通过层状双氢氧化物相的吸附和缓冲作用减缓了脱钙过程，并将硅酸钙水合物转化为结晶良好的方解石，同时保持了基体的完整性。热力学建模进一步证实了生物炭在水化和碳化过程中的协同作用。生命周期评估表明，与传统波特兰水泥相比，该体系的从摇篮到大门（cradle-to-gate）二氧化碳排放量减少了63%，这归因于生物炭的负碳特性和更高的二氧化碳固定效率。本研究展示了一种利用生物炭-MgO协同效应通过控制水化和矿物碳化过程生产耐用、低碳粘合剂的策略，为开发碳中性建筑材料提供了可扩展的途径。
引言
波特兰水泥（PC）的生产是全球温室气体排放的主要来源之一，约占全球二氧化碳总排放量的7-8%[[1], [2], [3]]。近年来，为了减少与波特兰水泥生产和应用相关的碳排放，人们开发了许多替代性胶凝材料。碱活化材料（AAMs）由粉磨的高炉矿渣（GGBS）和碱性活化剂合成，因其减少固体废物、能耗和碳排放的潜力而受到越来越多的关注[4,5]。然而，由于常用的活化剂（如氢氧化钠（NaOH）和硅酸钠（水玻璃，WG）成本高昂且工作性能差，AAMs的大规模应用受到限制[6]。此外，AAMs的碳化敏感性常常导致碱度降低和含钙相（如硅酸钙水合物（C-S-H）的脱钙，进而导致强度损失和孔结构退化，最终影响材料的整体性能[7,8]。因此，开发成本低廉、活化效率高且具有显著碳减排效益的新活化剂对于AAMs的更广泛应用至关重要。
大量研究集中在使用碱性金属氧化物（特别是MgO）来活化GGBS并改善AAMs的机械性能和耐久性[9,10]。研究表明，掺入MgO活化渣（MAS）可以缩短凝固时间、提高工作性能，并促进C-S-H和层状双氢氧化物（LDH）相的形成，从而改善孔结构并减轻碳化引起的劣化[11,12]。然而，MgO的活性显著影响早期水化动力学，而LDH相在长期碳化过程中分解为碳酸镁会损害长期稳定性[13,14]。因此，需要进一步的优化策略来细化微观结构并平衡水化与碳化抗性。在这种背景下，从生物质热解中获得的生物炭这种负碳多孔材料作为一种有前景的功能添加剂出现[[15], [16], [17]]。其高度多孔的结构提供了内部固化效果和丰富的水化产物成核位点，加速了水化过程并致密了微观结构[18,19]。此外，生物炭吸附和封存二氧化碳的能力有助于缓解碳化引起的劣化[20,21]。最新研究还表明，生物炭可以改善孔结构并抵消过度碳化引起的固化不良影响[22]。同时，其低成本和可再生来源使其成为环境友好的改性剂。因此，将生物炭整合到MAS中可能为开发可持续的碱活化体系提供新的途径。
直接添加生物炭往往会导致团聚，从而增加孔隙率并降低机械性能[23,24]。因此，寻找其他绿色、无污染且高效的预处理方法来解决这些问题非常重要。球磨已被证明是一种有效的改性策略，因为它可以减小颗粒尺寸、增加比表面积并促进生物炭的均匀分散[25]。金属氧化物的球磨可以产生粒径均匀的纳米颗粒，并显著提高水化速率[26]。例如，通过球磨制备的MgO/生物炭复合材料表现出更好的分散性和增强的吸附性能[27]，生物炭对氧化镁颗粒的分散作用显著提高了其活性[28]。鉴于生物炭与金属氧化物在球磨过程中的物理化学相互作用会显著影响反应性和水化动力学，研究这种协同效应是否也适用于碱活化材料是很重要的。目前对生物炭耦合MAS（BMAS）的碳减排潜力和环境效益的理解仍然有限。因此，通过球磨制备MgO/生物炭复合活化剂是一种有前景的策略，可以增强水化性能、提高碳化抗性并促进碱活化材料的可持续性。
在本研究中，引入了一种生物炭-MgO共磨策略来合成GGBS的复合活化剂，形成了生物炭耦合MgO活化渣体系（BMAS）。选择玉米秸秆衍生生物炭作为可再生、负碳添加剂。研究目的是评估生物炭用量和共磨对MgO活性、水化行为和机械性能的影响。采用三维孔结构再现、化学形态表征和热力学分析来阐明控制碳化抗性的微观结构和热力学机制。此外，通过生命周期评估（LCA）量化了环境和经济影响。
节选内容
生物炭耦合MgO活化渣系统的原材料和制备
使用GGBS、MgO和生物炭（BC）作为原材料。GGBS来自河南杰威环保材料有限公司（中国）。MgO（活性：42.80%，文本S1；方程式S1）来自山东济南山海化学科技有限公司。生物炭是在受控实验室条件下通过玉米秸秆热解制备的（文本S2）。原材料的化学成分总结在表S1中。
复合材料的制备程序和命名法
生物炭-MgO活化剂的活性增强
MgO与生物炭的共球磨显著改变了活化剂的物理化学性质。MgO的活性提高了31.38%（图1a），在4%重量比的生物炭（BC-4%）球磨3小时后达到最大值56.09%。这种增强效果归因于颗粒细化、表面积增加以及机械化学处理过程中形成的Mg-O-C表面键的综合作用。MgO的比表面积从3.6 m2·g?1增加到53.4 m2·g?1（图1b）。
结论
本研究展示了一种生物炭-MgO共磨策略，通过协同增强水化和碳化过程，生产出了高性能、低碳的粘合剂。生物炭与MgO之间的机械化学耦合使MgO的活性提高了31%，促进了C-S-H和LDH相的快速形成和早期形成。所得的BMAS的抗压强度比传统MgO活化渣高75%，孔隙率低45%。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
作者贡献声明
马青林：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，正式分析。黄正：资源获取，数据管理。欢群：资源获取，数据管理。贾文强：撰写 – 审稿与编辑。赖家豪：正式分析。宋成业：方法学。刘宗豪：可视化。曹贤：监督。王少峰：正式分析。严蓓：正式分析。宋敏：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了ChatGPT来改进语言。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（2022YFC3702500）的支持。
