通过碳矿化技术实现磷渣的资源化利用：其机械性能、微观结构特征及碳封存效果

《Journal of Cleaner Production》：Resource utilization of phosphorus slag through carbon mineralization: Mechanical, microstructural, and carbon sequestration performance

磷石膏碳矿化行为研究及其对力学性能的影响。通过优化水灰比0.15、压实压力75MPa、CO?分压0.3MPa和碳化时间24h，碳化磷石膏抗压强度达120MPa以上，总碳化产物占比提升35%，孔隙率降低30%，验证了碳矿化对材料性能的改善作用，并证实每吨磷石膏可固定72kg CO?，为固废资源化提供技术路径。

　　

何航|黄黄黄|刘志超|唐吉|黄振宇|王发洲

中国湖北省襄阳市湖北龙中实验室，441000

摘要

本文研究了磷渣（PS）的碳矿化行为，以优化碳酸化磷渣的机械性能和微观结构。探讨了水与磷渣的比例、压实压力、二氧化碳分压以及碳化时间对碳化过程的影响。实验结果表明，在最佳碳化条件下（水与磷渣比例为0.15、压实压力为75 MPa、二氧化碳分压为0.3 MPa、碳化时间为24小时），碳酸化磷渣的抗压强度超过了120 MPa。适当的水与磷渣比例、压实压力、二氧化碳分压和碳化时间的选择有利于Ca²⁺的溶解、二氧化碳的扩散以及更多碳化产物的生成。这使得主要碳化产物（包括单水钙石、白云石和文石）的总比例增加了35%，同时碳酸化磷渣的孔隙率降低了30%，从而提高了其机械性能并使其微观结构更加致密。此外，磷渣的碳矿化过程具有显著的碳封存潜力，在最佳条件下每吨磷渣可吸收72公斤二氧化碳。本研究的结果为工业中磷渣的绿色高值处置提供了技术指导，具有重要的环境和社会意义。

引言

普通波特兰水泥的生产消耗大量能源并产生大量碳排放（Xie等人，2020年），每生产一吨水泥大约会排放0.63吨二氧化碳（Huang等人，2023年）。这不仅导致了大量不可再生资源的消耗，还对环境产生了不利影响（Lv等人，2024年；Wang等人，2023年）。碳捕获、利用和储存（CCUS）技术是一种捕获工业二氧化碳排放并将其用于资源利用或地质储存的技术体系（Wang等人，2025年），该技术有望减少二氧化碳排放并改善全球温室效应。碳矿化通过使二氧化碳与碱性金属氧化物和氢氧化物（如钙和镁）反应，可以实现二氧化碳的永久储存（Jiang等人，2023年；Zhong等人，2024年），从而生成稳定的碳酸盐矿物，这是CCUS技术的重要组成部分（Gu等人，2024年）。

在建筑材料领域（Guan等人，2018年，2024年；Miao和Mu，2025年），碳矿化材料指的是富含碳矿化反应成分的熟料或工业废弃物（Cheng等人，2025年；Li等人，2025年；Yang等人，2025年），这些材料可以被研磨并与二氧化碳气体反应，从而与其他材料结合形成具有一定机械强度的整体。碳矿化是一种新的可持续碳封存方法，可以利用工业固体废弃物生产负碳建筑材料（Chen等人，2025年；Yang等人，2025年）。

常见的工业废弃物（Jiang等人，2025年；Liu和Li，2020年；Xia等人，2024年），如钢渣、镁渣和磷渣，其成分通常包含SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO和MgO，这些成分具有火山灰活性（He等人，2023年；Wang等人，2023年）。因此，许多研究将工业固体废弃物作为补充胶凝材料来替代水泥（Liu等人，2025年；Liu等人，2025年；Zhang等人，2022年）。最新研究发现，一些工业废弃物（包括钢渣、镁渣和磷渣）的主要矿物相是三钙硅酸盐（C₃S）、二钙硅酸盐（C₂S）和钙硅酸盐（CS）（Du等人，2025年；He等人，2023年；Sun等人，2025年；Wei等人，2025年；Zhang等人，2023年；Zhang等人，2023年）。在生产过程中，这些废弃物长时间暴露在高温下会导致其水化活性降低（Liu等人，2022年），但碳化活性增强（Li等人，2024年）。

磷渣（PS）是在高温（约1350-1400°C）下通过电炉从磷酸盐矿石中生产黄磷过程中产生的固体废弃物（Liu等人，2024年）。据报道，每生产一吨黄磷大约会产生10-12吨磷渣（Liu等人，2017年；Yang等人，2025年）。作为世界上黄磷的主要生产和出口国，中国每年的黄磷产量约为800万吨（Mo和Panesar，2013年；Shan等人，2025年）。大量产生的磷渣往往被随意堆放，不仅占用土地，还可能因雨水冲刷导致磷、氟等物质渗出而造成环境污染。因此，对其生态处理和利用已成为亟待解决的问题。

磷渣的资源化利用主要体现在两个方面（Hou等人，2020年；Liu等人，2023年，2025年；Lu等人，2023年；Yang等人，2021年；Zhuang等人，2025年；Zhuang等人，2026年）。一是将磷渣作为原料部分替代水泥熟料煅烧中的传统矿物资源，从而降低生产成本和能源消耗（Liu等人，2025年；Zhuang等人，2025年）；二是将磷渣直接作为骨料或矿物掺合料引入混凝土中，以减少天然骨料或水泥的使用量（Lu等人，2023年；Yang等人，2021年）。然而，大量研究表明，磷渣中富集的F^?和P₂O₅会对水泥基材料的水化反应产生不利影响，尤其是在早期水化阶段，导致机械性能下降（Hou等人，2020年；Liu等人，2023年）。

根据不同的冷却方式，磷渣可分为自然冷却型和水冷型。其中，水冷法在工业中应用较为普遍（Jia等人，2022年；Zhuang等人，2026年），该方法可以迅速将高温熔融的磷渣冷却至室温。磷渣的主要化学成分是CaO和SiO₂（总量超过80%），以非晶态钙硅酸盐矿物（主要是α-CS）的形式存在（He等人，2024年）。这种碱性钙硅酸盐矿物可以与二氧化碳反应形成高强度结构，从而实现磷渣的低碳化和再利用（Liu等人，2021年）。需要注意的是，钙硅酸盐主要有两种晶体形式：α-CS和β-CS，其中α-CS的碳化活性高于β-CS。由于非晶态α-CS的结构缺陷更多，其碳化活性可能更高。本研究利用磷渣的碳矿化特性与二氧化碳反应，形成高强度的机械结构。这种方法既能利用工业固体废弃物，又能吸收二氧化碳，同时避免磷渣对水泥水化过程的不良影响。

先前的研究（Jiang等人，2023年；Li等人，2024年；Rong等人，2023年；Shen等人，2024年；Wei等人，2025年；Zhang等人，2022年，Zhang等人，2022年，Zhang等人，2022年）表明，包括C₃S、C₂S和CS在内的钙硅酸盐矿物的碳矿化反应机制是：溶解的Ca²⁺在水的存在下与CO₃^2?反应生成碳酸钙，而CO₃^2?是由二氧化碳扩散进入基质并在水中溶解产生的。因此，碳矿化反应受水与磷渣的比例、基质压实压力和二氧化碳分压等因素的影响。材料中的水分含量越高，钙硅酸盐的溶解程度越高，生成的Ca²⁺和CO₂越多，从而形成更多的CO₃^2?；但过多的水分会阻碍二氧化碳的扩散并产生更多孔隙。压实压力直接影响基质的密度，较高的压实压力可以提高基质的密度并降低初始孔隙率，从而改善碳酸化材料的机械性能。然而，高密度也会限制二氧化碳的扩散，从而影响碳化反应的进行。同样，较高的二氧化碳分压有利于二氧化碳向材料内部的扩散，但过高的压力会导致材料表面迅速形成致密的碳酸钙壳层，阻碍进一步的碳化。

因此，这些碳化条件的变化会显著影响磷渣的碳化过程，进而影响其微观结构和机械性能以及再利用效果。通过调整这些不同的碳化条件，实现最佳状态对于确保碳酸化磷渣的最佳整体性能至关重要。本文研究了水与磷渣的比例、压实压力、二氧化碳分压和碳化时间对磷渣机械性能和微观结构的影响。

尽管过去几十年里C₃S、C₂S和CS的碳矿化反应已经得到了广泛研究，但由于磷渣以非晶相为主，其碳矿化特性尚未得到充分理解（Chen等人，2023年）。因此，有必要在不同外部条件下研究磷渣的碳化过程。本文探讨了水与磷渣的比例、压实压力、二氧化碳分压以及碳化时间对磷渣机械性能和微观结构的影响，通过调整这些条件找到了能够实现碳酸化磷渣最佳整体性能的最佳碳化条件。这项研究对于深入理解磷渣的碳矿化机制具有重要意义，为工业中磷渣的绿色高值处置提供了技术指导，具有重要的环境和社会价值。

部分内容

原材料和混合比设计

所使用的磷渣来自湖北省襄阳市的尧志和化工有限公司。磷渣在振动磨中研磨5分钟，得到细粉。研磨后的磷渣粒径分布和微观结构如图1、图2所示。磷渣的平均粒径为26.1微米。磷渣的化学成分见表1，主要成分是CaO和SiO₂，占总质量的约80%。

碳酸化磷渣的机械性能

图5显示了水与磷渣的比例、压实压力、二氧化碳分压和碳化时间对磷渣抗压强度的影响。研究发现，水与磷渣的比例从0.05增加到0.15时，磷渣的抗压强度提高了三倍。这种提升归因于水的使用增加了Ca²⁺的溶解度，促进了与二氧化碳的碳化反应，生成了更多的CaCO₃（Wang等人，2019年）。然而，水的使用过量会导致……

结论

本研究探讨了磷渣（PS）的碳矿化特性，以实现碳酸化磷渣的最佳整体性能并促进其再利用。研究了不同碳化条件（包括水与磷渣的比例、压实压力、二氧化碳分压和碳化时间）对碳酸化磷渣机械性能和微观结构的影响。根据实验结果，可以得出以下结论：

1.

最佳碳化

作者贡献声明

何航：撰写——初稿撰写、验证、软件使用、方法论设计、数据整理。黄黄黄：撰写——审稿与编辑、监督、方法论设计、资金申请。刘志超：撰写——审稿与编辑、监督、方法论设计、数据整理、概念构思。唐吉：撰写——初稿撰写、方法论设计、数据整理。黄振宇：验证、软件使用、方法论设计、数据整理。王发洲：撰写——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

感谢国家重点研发计划（项目编号：2024YFF0508300）、湖北省自然科学基金（项目编号：2025AFD056）、教育部基础学科交叉创新计划（项目编号：JYB2025XDXM408）以及湖北省青年科技人才资助项目（项目编号：2025CG001）的财政支持。