合成FAU型沸石对CO?养护的波特兰水泥的影响：碳酸化过程、水化作用及其微观结构演变

《Journal of Building Engineering》：Influence of synthesized FAU-type zeolite on CO 2-cured Portland cement: carbonation, hydration, and microstructural evolution

　　

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  合成了FAU型沸石，并将其作为功能性添加剂加入到CO₂固化的水泥浆（OPC）中。
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  沸石改变了水泥基体中的CO₂传输和碳酸化相关相变过程。
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  沸石进一步促进了碳酸化诱导的相变。
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  沸石在潮湿固化条件下促进了硅酸盐聚合，并在CO₂固化条件下改善了孔结构。
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  含有5 wt%沸石的混合物在28天时达到了105 MPa的强度，比CO₂固化的对照组提高了31.2%。

引言

燃烧化石燃料和快速的 industrial development 大幅增加了CO₂排放，加速了全球变暖并破坏了生态系统。工业革命之前，大气中的CO₂浓度约为280 ppm，但根据Mauna Loa天文台的数据，这一数值现已超过400 ppm，在2024年底达到了425.4 ppm [1]。世界气象组织表示，2024年的全球气温创下了新纪录，比工业化前的水平高出约1.55 °C [2]。2015年的《巴黎协定》强调了减少人为CO₂排放的紧迫性，特别是来自化石燃料燃烧的排放 [3]。在各个行业中，水泥行业是主要的排放源，占全球CO₂排放量的近7%。这凸显了需要为该行业制定有效的碳减排策略。

传统的水泥生产涉及高温煅烧过程，这一过程消耗大量能源并产生大量CO₂排放。作为对此的响应，将捕获的CO₂掺入水泥生产过程中的方法受到了越来越多的关注。碳捕获与封存（CCS）以及碳捕获、利用与封存（CCUS）等技术被开发出来，用于捕获来自工业排放和发电厂的CO₂。这些技术通常依赖于化学、物理或固相吸附机制。

沸石是一种结晶性的铝硅酸盐，具有由SiO₄和AlO₄四面体构成的三维框架，形成了高度有序的微孔结构，提供了较大的比表面积以及出色的热稳定性和化学稳定性。根据孔径大小，沸石通常被分为小孔（< 4 ?）、中孔（5 – 6 ?）和大孔（> 7 ?）三类。孔径尺寸显著影响了它们的吸附行为、离子交换特性以及对客体分子的可及性。特别是大孔沸石作为CO₂吸附剂具有明显优势，因为它们宽敞且相互连接的通道促进了分子扩散，并在低CO₂分压下也能提供多个吸附位点。其中，FAU型沸石（框架类型为FAU）因其三维骨架中较大的超大笼子（直径约11.4 ?）以及通过12元氧环相互连接而受到广泛关注。这种独特的拓扑结构，加上其高的阳离子交换能力和较大的比表面积，使FAU沸石在CO₂吸附性能上优于许多其他类型的沸石。先前的研究表明，沸石可以在水泥基材料中发挥多种功能作用。根据其矿物学特性和掺入方法，沸石可以促进火山灰反应、内部水分保持、离子交换以及水泥水化动力学的变化 [4], [5], [6], [7], [8], [9]。在适当的条件下，这些效应可以提高水泥基材料的机械性能和耐久性。此外，FAU型沸石还被研究作为碱性活化粘合系统的功能性添加剂 [10]。尽管有这些进展，但合成FAU型沸石对波特兰水泥系统中碳酸化相关相变、微观结构发展以及机械性能的影响仍不完全清楚。

水泥基材料的碳酸化固化应被视为CO₂的利用和矿化过程，而不仅仅是一种单独的CO₂捕获技术。在此过程中，外部提供的CO₂与水泥基体中的含钙相反应生成碳酸钙。因此，本研究中的沸石作用不是从工业烟气中捕获CO₂（如传统的胺基或吸附剂基捕获系统），而是改变水泥基体在碳酸化固化过程中的CO₂传输、局部吸附和反应行为。水泥系统中的钙硅酸盐成分（如CS、β-C₂S、γ-C₂S和C₃S₂）容易与CO₂反应生成碳酸钙，从而增强强度并部分封存CO₂。尽管发生了这些矿物学变化，但总的CO₂吸收量往往有限。这主要是因为碳酸钙在表面迅速形成，堵塞了孔隙，阻止了CO₂深入水泥基体。硬化水泥浆的致密微观结构进一步减慢了气体扩散，导致碳酸化深度较浅，CO₂储存效率低下。

本研究探讨了专门为适应CO₂固化条件合成的FAU型沸石对普通波特兰水泥（OPC）水化和碳酸化行为的影响。将沸石以0%、1%、3%和5%的不同剂量掺入OPC中，以探索其增强CO₂反应性和改变水化过程的潜力。为了分析其背后的机制，采用了一系列分析技术，包括X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、²⁹Si和²⁷Al固态魔角旋转核磁共振（MAS-NMR）、抗压强度和汞侵入孔隙率测量（MIP）。通过这种方法，本研究旨在评估合成沸石的添加如何影响固化过程中的孔结构、矿物形成和总体CO₂吸收。

章节片段

实验

图1展示了本研究中FAU型沸石用于响应CO₂的OPC碳酸化固化的合成和功能作用示意图。有关样品制备、固化、沸石合成及材料表征结果的更多详细信息，请参见第2.1–2.4节。

合成的Na-FAU沸石的结构和理化表征

先前的研究表明，通过将组成为xNaOH•1.0Al₂O₃•10SiO₂•220H₂O的合成凝胶在100 °C下旋转（60 rpm）3天，可以结晶出Na-FAU和Na-GIS沸石的混合物，其中x的取值介于8到14之间 [15]。为了确定形成纯Na-FAU沸石相的最佳合成条件，通过精确控制这种钠铝硅酸盐凝胶的碱度进行了系统研究，同时保持固定的SiO₂/Al₂O₃比例

讨论

虽然合成FAU型沸石提高了碳酸化固化水泥浆的机械性能，但其整体环境和经济可行性仍需进一步研究。特别是应考虑与前体生产、水热合成、洗涤和干燥相关的能源消耗和环境负担，以及CO₂固化所需的额外能源。

结论

本研究探讨了合成FAU型沸石对波特兰水泥浆在潮湿和CO₂固化条件下的机械性能、碳酸化相关相变和微观结构特性的影响。基于实验结果，可以得出以下结论：1.

通过水热处理成功合成了FAU型沸石，其在25 °C下的比表面积为588.5 m²/g，CO₂吸附能力为5.4 mmol/g

CRediT作者贡献声明

Otim Kelvin Kennedy:撰写 – 初始草稿，资源准备，正式分析。Yerim Byun:验证，方法论，数据管理。Jayakodyge Thilini Madushani Jayakody:可视化，资源准备，研究。Jung Gi Min:软件开发，方法论，数据管理。Dongho Jeon:撰写 – 初始草稿，监督，正式分析，概念化。Aris Aryanto:撰写 – 审稿与编辑，正式分析，数据管理。Kodikara Arachchige Buddhi Kaumadi Kodikara:资源准备，正式分析，数据管理。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本论文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府提供资金，项目编号为NRF-2022R1C1C2003944 (D.H.J.) 和 NRF-2021R1C1C2013556 (H.J.C.)）。此外，该研究还得到了韩国教育部的RIES（区域创新教育战略）计划的支持。这项研究还得到了韩国环境产业与技术部的颗粒物管理专项研究生项目的支持。

Dongho Jeon|Yerim Byun|Otim Kelvin Kennedy|Jung Gi Min|Jayakodyge Thilini Madushani Jayakody|Kodikara Arachchige Buddhi Kaumadi Kodikara|Aris Aryanto|Hyun June Choi