《Results in Chemistry》：Comparative assessment of thermal methods for quantifying CO
2 sequestration in alkaline industrial residues
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对灰烬和炉渣等工业副产物的强化碳化，已成为二氧化碳（CO?）封存和可持续废物管理的一种有前景的策略。这些碱性材料含有能够将CO?化学结合为稳定碳酸盐矿物的活性钙镁相，从而实现固体形态的永久碳储存。然而，由于废料衍生材料组成不均一且存在多种活性矿物相，可靠地
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对灰烬和炉渣等工业副产物的强化碳化，已成为二氧化碳（CO?）封存和可持续废物管理的一种有前景的策略。这些碱性材料含有能够将CO?化学结合为稳定碳酸盐矿物的活性钙镁相，从而实现固体形态的永久碳储存。然而，由于废料衍生材料组成不均一且存在多种活性矿物相，可靠地定量CO?封存量仍具挑战性。本研究对灼烧减量（LOI）、热重分析（TGA）、热重-质谱联用（TGA-MS）和压力煅烧测定法在定量异质碱性工业残渣（包括共燃灰（CCA）、钢渣（SS）和岩棉（SW））中CO?封存能力方面的表现进行了比较评估。研究结果显示，CCA在所有研究残渣中表现出最高的CO?封存能力。TGA-MS比单独TGA提供了更全面的CO?释放识别，检测到500°C以下碳酸盐的分解，而传统TGA未能检测到。储存期间的自然碳化显著影响了测得的CO?吸收量。将TGA-MS、定量X射线衍射（QXRD）、差示扫描量热法（DSC）和煅烧测定法相结合，可互补性地完善碳化评估。该研究强调了采用多种互补分析方法对复杂矿物废料中CO?进行可靠定量评估的必要性。
论文解读
一、研究背景与问题
随着全球对温室气体减排需求的日益迫切，工业副产物（如灰烬和炉渣）的强化碳化技术受到广泛关注。这些碱性工业残渣中含有活性钙镁相，能够与CO?发生化学反应，将其固定为稳定的碳酸盐矿物，从而实现CO?的永久封存。这一策略不仅能减少温室气体排放，还能改善材料性能，促进其在建筑领域的循环利用。然而，尽管矿化碳化技术日益受到重视，CO?封存量的可靠定量仍面临重大挑战。废料衍生材料组成高度异质，含有多种活性矿物相，导致热反应和化学反应相互重叠，使得碳酸盐含量和碳化效率的准确测定变得复杂。目前，尽管大量研究聚焦于提升碳化性能，但对CO?定量分析方法的系统比较仍较为有限。随着未来碳认证框架的建立，准确且可比较的分析方法将变得至关重要。因此，本研究旨在系统比较LOI、TGA、TGA-MS和煅烧测定法在定量碱性工业残渣CO?封存能力方面的表现，为复杂矿物废料中CO?的可靠定量提供方法学参考。
二、研究内容与结论
研究人员选取了三种工业残渣作为研究对象：共燃灰（CCA）、钢渣（SS，由电弧炉不锈钢渣和钢包渣混合物组成）以及岩棉（SW，作为低碳化敏感性的参考材料）。所有样品在分析前均在105°C下干燥至恒重，并筛分至125μm以下。样品在相对湿度80±3.2%、温度40±0.5°C、CO?浓度4±0.1vol%的受控气氛中暴露14天进行完全碳化。研究采用LOI、TGA、TGA-MS和压力煅烧测定法四种方法定量CO?含量，并结合X射线荧光光谱（XRF）、X射线衍射（XRD）和差示扫描量热法（DSC）对样品进行全面表征。研究结果表明，CCA表现出最高的CO?封存能力，而SW因活性钙相含量低，碳化潜力可忽略不计。TGA-MS比单独TGA提供了更全面的CO?释放识别，能够检测到500°C以下碳酸盐的分解，而传统TGA未能检测到。储存期间的自然碳化显著影响了测得的CO?吸收量，因此所有样品在分析前均进行了完全碳化处理。将TGA-MS、QXRD、DSC和煅烧测定法相结合，可互补性地完善碳化评估，提高CO?定量的准确性。
三、关键技术方法
本研究主要采用了以下几种关键技术方法：灼烧减量（LOI）法，依据EN 196-2:2013标准在550°C、750°C和950°C下加热测定质量损失；热重分析（TGA），使用TA Instruments TGA Q5000IR分析仪，在氮气气氛下从25°C加热至950°C，通过碳酸盐分解区间的质量损失定量CO?含量；热重-质谱联用（TGA-MS），使用Mettler Toledo TGA/DSC1仪器耦合Pfeiffer Vacuum ThermoStar质谱仪，通过m/z=44离子电流识别CO?释放；压力煅烧测定法，基于碳酸盐矿物与盐酸反应释放CO?的压力增加进行定量；定量X射线衍射（QXRD），通过Rietveld精修进行物相定量分析；差示扫描量热法（DSC），辅助解释热分解反应。
四、研究结果
CCA表现出最高的CO?封存能力：通过多种方法测定，共燃灰在所有研究残渣中展现出最高的CO?封存能力，表明其含有丰富的活性钙镁相，能够有效结合CO?。
TGA-MS提供了更全面的CO?释放识别：与单独TGA相比，TGA-MS能够同时识别热分解过程中释放的气体，直接确认CO?的释放，减少了重叠热反应带来的不确定性。
TGA-MS检测到500°C以下碳酸盐分解：与传统TGA不同，TGA-MS检测到500°C以下碳酸盐的分解，这表明在复杂废料基质中，碳酸盐分解可能发生在更低的温度区间，传统TGA可能低估CO?含量。
储存期间自然碳化显著影响CO?吸收量：材料在储存和处理过程中可能发生自发碳化，导致在不同时间分析的样品CO?含量出现显著差异，因此所有样品在分析前均进行了完全碳化处理。
多种方法互补评估碳化效果：将TGA-MS、QXRD、DSC和煅烧测定法相结合，能够互补性地完善碳化评估，提高CO?定量的准确性和可靠性。
五、讨论与结论
讨论部分指出，LOI作为一种简单的整体分析方法，虽然成本低、操作简便，适合快速筛选，但质量损失可能不仅来自碳酸盐分解，还包括脱水、未燃碳氧化和碳酸盐煅烧，可能导致CO?封存量高估。TGA是广泛使用的热分析方法，但在碳酸盐分解峰与其他热事件重叠时，解释可能具有挑战性，需要仔细选择温度区间并辅以QXRD、煅烧测定法或FTIR等互补表征技术。TGA-MS通过同时识别释放气体，减少了重叠热反应的不确定性，但由于仪器成本高、可用性有限，在常规分析中较少使用。煅烧测定法作为独立的化学方法，提供了与热分析比较的碳酸盐含量评估，但可能受样品组成、异质性、粒径和非碳酸盐相的影响。研究结论指出，可靠的CO?定量对于未来认证框架至关重要，建议在复杂矿物废料中采用多种互补分析方法以提高CO?定量的准确性。CCA表现出最高的CO?封存能力，TGA-MS提供了更全面的CO?释放识别，多种方法结合可互补性地完善碳化评估。
