钠基脱硫灰和苏打渣的增值利用：基于全固废的粘结剂的协同双碱活化技术

《Process Safety and Environmental Protection》：Valorization of sodium-based desulfurization ash and soda residue: Synergistic dual-alkali activation of all-solid-waste-based binders

　　

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  SDA和SR共同用于构建了一种全固废激活系统。
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  SDA为水化反应提供了碱激活和硫酸盐供应。
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  SDA–SR系统促进了AFt和C-(A)-S-H凝胶的协调形成。
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  所提出的途径提供了一种比液体碱激活更安全和低碳的替代方案。
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  这种固废激活方法避免了外部添加浓液体碱溶液的需要。

引言

波特兰水泥（PC）由于其高碳制造过程，对环境造成了严重的影响。根据《2025年全球碳预算》（Friedlingstein等人，2025年），PC的生产每年导致大约24亿吨的二氧化碳排放，占全球人为碳排放的重要份额（Chen等人，2025年；Li等人，2025a）。鉴于灌浆在岩土工程中的广泛应用——从路基加固到土地复垦——这些粘合剂的脱碳对于减轻建筑行业的环境足迹至关重要（Li等人，2025b；Li等人，2025a）。因此，开发可持续的替代性水泥材料是过程工程中的紧迫优先事项。这种转变不仅是一个技术要求，也是提高环境安全性和实现全球可持续发展目标所必需的战略措施（Feng等人，2025年）。

利用富含活性CaO、SiO₂和Al₂O₃的工业固体废物开发低碳水泥基材料（LCCMs）为建筑行业提供了可持续的路径（Yang等人，2024年；Zhang等人，2024a；Ahmad等人，2024年）。在这些替代品中，碱激活材料（AAMs）和过硫酸钙水泥（SSC）显示出最大的潜力。然而，它们的广泛采用仍然困难：AAMs受到昂贵工业碱和复杂双组分混合过程的限制（Turkoglu等人，2023年；Cai和Liu，2024年；Zhang等人，2021年；Wang等人，2025a；Guo等人，2022年），而SSC虽然具有抗硫酸盐性和简化混合的优势（Nguyen等人，2019年；Cabrera-Luna等人，2021年；Masoudi和Hooton，2019年；Juenger等人，2019年；Wang等人，2025b），但严重依赖于高质量的矿渣和熟料。为了克服AAMs对外部碱的依赖以及SSC的原材料限制，研究转向了新型LCCMs。主要策略是使用碱性固体废物作为内部激活剂——类似于单组分SSC——同时多样化铝硅酸盐来源以提高废物利用率（Bai等人，2023年；Li等人，2025b；Tong等人，2016年）。这种方法至关重要，因为标准单组分系统仍然面临性能瓶颈。这些问题包括单碱矿渣系统的体积不稳定性和自收缩（Gao等人，2025年），低温下低钙前体的不完全解聚（Yuan等人，2026年），以及通常需要高能耗CO?固化的微观结构缺陷（Li等人，2025c；Guo等人，2025年）。最近的研究进一步表明，多固废水泥系统的性能受到激活剂类型及其与前体成分兼容性的显著影响。例如，Zhang等人（2025b）报告称，不同的激活剂显著影响了含锂渣和钢渣的复合水泥材料的工作性、抗压强度、水化特性和微观结构。在碱性工业副产物中，基于钠的脱硫灰（SDA）和钠残留物（SR）作为潜在的固体激活组分受到了越来越多的关注。SDA是在基于钠的干法烟气脱硫过程中产生的，通常富含易溶的钠和硫酸盐相。最近的研究表明，SDA可以促进铝硅酸盐前体的反应，并在单独使用或与富含钙的工业废物结合使用时提高强度（Li等人，2025d；Hu等人，2025）。SR是在氨-钠工艺生产钠灰过程中产生的富含钙的副产物，通常含有钙、氯和硫酸盐相。先前的研究表明，SR可以参与磨细高炉矿渣的激活以及多固废粘合剂的制备（Wang等人，2025b；Chen等人，2024年；Guo等人，2021年；Wang等人，2022年；Wang等人，2023年；Xu等人，2021年）。然而，以往的研究主要分别研究了SDA和SR，或者将它们与其他辅助废物结合使用。在磨细高炉矿渣（GGBFS）-硅灰（SF）粘合剂中，富含钠和硫酸盐的SDA与富含钙和氯的SR的互补效应尚未得到充分理解。因此，需要进一步研究SDA/SR比例对强度发展、水化产物和微观结构演变的影响。基于上述考虑，开发了一种由SDA、SR、GGBFS和富含铝的SF组成的全固废粘合剂。采用了一个逐步的单因素实验程序：首先研究了SDA/SR比例，然后使用选定的混合物作为评估SF含量、水灰比和HRWR剂量的共同参考。通过抗压强度测试结合定性XRD、FTIR、SEM和EDS分析来研究混合物组成、反应产物和微观结构特性之间的关系。本研究的贡献在于确定了一个实用的SDA/SR组成范围，并评估了SDA和SR作为这种特定GGBFS–SF粘合剂中固体激活组分的互补使用效果。

章节片段

材料

使用荷兰制造的PANalytical Axios X射线荧光光谱仪测定了SR、SDA、GGBFS和SF的化学组成，结果总结在表1中。

SR是在氨-钠工艺生产钠灰过程中产生的工业副产物。如表1所示，它含有51.22 wt%的CaO、18.87 wt%的Cl?和7.91 wt%的SO?。该材料呈现为灰白色、松散团聚的粉末，表面粗糙且有孔隙。

3.1 宏观力学性能分析

图6中的实验结果表明，双碱协同激活系统的力学性能对混合比例参数非常敏感。

图6(a)清楚地显示，当SDA含量从0%逐渐增加到6%时，28天抗压强度呈现出先增加后减少的非线性趋势。在J-4（SDA:SR = 3:17）的混合比例下，抗压强度达到了27.05 MPa的峰值，比6.20 MPa增加了336%

结论

1. 使用SDA和SR作为互补的固体激活组分，制备了一种含有SDA、SR、GGBFS和富含铝的SF的全固废粘合剂。在总SDA + SR含量为40 wt%的固定条件下，将SDA含量从0增加到6 wt%使28天抗压强度从6.20 MPa增加到27.05 MPa，而进一步增加到10 wt%则使强度降低到21.65 MPa。在研究的J系列中，最佳的SDA/SR质量比为3:17。

2. 选择J-4作为

伦理批准

对于这类研究（关于材料的实验和/或计算研究），不需要正式的伦理批准。本研究不涉及：

人类参与者或人体组织。

动物实验对象或动物来源的组织。

任何需要机构或国家伦理委员会监督的程序。

所有使用的材料均来自商业渠道或在实验室合成。所有实验均符合标准安全协议和实验室规定

数据和代码可用性

支持本研究结果的数据可根据合理要求向相应作者索取。

(Jiang等人，2024年；Kuo等人，2014年；Rahman等人，2023年，2021年；欧洲标准化委员会。水泥测试方法，2016年；Xu等人，2019年)

CRediT作者贡献声明

Xinyu Dong：方法论。Yong Cao：方法论。Shiyan Zhao：撰写——初稿，方法论，调查，正式分析，数据管理。Yingliang Tan：撰写——审阅与编辑，资金获取。Yannian Zhang：撰写——审阅与编辑，资源管理，项目协调，资金获取。Nehdi Moncef L：方法论。Mingheng He：方法论。Anxu Zhang：方法论。Qiyue Ren：方法论。

在准备本手稿期间，作者使用了[ChatGPT-4 / Grammarly / Deepseek]来协助完成以下任务：

润色和校对语言、语法和标点符号，以提高可读性；

组织和整理部分文献综述，以帮助作者整合信息。

作者声明，所有AI工具的使用均在作者的全面监督和手动审核下进行。作者已完全验证

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

资金支持：这项工作得到了中国国家自然科学基金关键项目（编号52234004）、辽宁振兴人才计划（XLYC2502042）、辽宁省科技计划重点研发项目（工业技术创新类别，编号2024JH2/102400016）、辽宁省教育厅基础研究项目（LJ212510150005）以及该部门科技计划项目的支持

Yannian Zhang|Shiyan Zhao|Yingliang Tan|Xinyu Dong|Yong Cao|Anxu Zhang|Qiyue Ren|Moncef L. Nehdid|Mingheng He