碳封存方法在增强疏浚黄河沉积物保水能力中的作用：生物炭与CO2利用

《Frontiers in Materials》：Role of carbon sequestration methods in enhancing water holding capacity of dredged Yellow River sediment: biochar and CO2 utilization

　　

疏浚黄河沉积物（DYRS）在自然界中广泛存在，但由于颗粒级配不良和缺乏粘土矿物，通常具有较低的保水能力。低保水能力会阻碍其在跨学科工程和生态场景中的应用，例如生态护坡基质和矿区生态修复。本研究探讨了碳封存方法在DYRS保水能力及微观机理中的作用。研究人员通过两种碳封存方法，即生物炭添加剂和以活性氧化镁（rMgO）为试剂的CO₂固化，对DYRS进行改良。结果表明，生物炭添加剂和CO₂固化分别使保水能力提高了49.5%和180%。经生物炭处理的DYRS具有最佳保水能力，该最佳保水能力对应生物炭的最佳粒径组分。然而，对于CO₂固化的情况，DYRS的这一最佳保水能力并不成立。增加rMgO剂量和延长CO₂固化时间均有利于提高DYRS的保水能力，这归因于化学反应产生的结合产物。处理后DYRS的保水性能与碳封存方法改变的孔隙结构密切相关。生物炭导致未经处理的DYRS中的三峰孔隙结构转变为处理后DYRS中的双峰孔隙结构。然而，CO₂固化重塑了三峰孔隙结构，并促进了处理后DYRS中新的更小孔隙尺寸的形成。研究结果对于疏浚河土和碳封存方法在未来工程实践中的应用具有基础性意义。

**论文解读：碳封存方法对疏浚黄河沉积物保水能力的影响机制研究**

**研究背景与意义**

疏浚黄河沉积物（DYRS）作为一种广泛存在的固体废弃物，因其颗粒级配不良、缺乏粘土矿物而普遍具有较低的保水能力。这一特性限制了其在生态护坡基质、矿区生态修复等跨学科工程与生态场景中的应用。因此，开发提升DYRS水力特性的有效方法，对于解锁其在路基填筑、地基回填、生态护坡等土木工程领域的应用潜力至关重要。碳封存方法，如生物炭改良和二氧化碳（CO₂）固化，因兼具改善沉积物质量和实现碳中和目标的双重优势而备受关注。然而，目前关于生物炭改良DYRS水力特性的研究多集中于养分保持、盐度等方面，缺乏对孔隙结构演化的深入探讨；同时，CO₂固化结合活性氧化镁（rMgO）在改善DYRS保水能力方面的潜力尚未得到充分揭示。现有研究存在一些局限性，例如部分研究仅分析了生物炭改性土的力学性能，而未定量揭示生物炭粒径组分与沉积物持水能力之间的关系；另一些研究虽证实了有机质会抑制rMgO碳化并改变土壤孔隙结构，但未能解释碳化形成的亚微米储水孔的微观机制，也未比较物理掺混生物炭与化学MgO碳化两种方法在孔隙演化上的差异。因此，本研究旨在系统探究这两种碳封存方法在提升DYRS保水能力及改变其微观特性方面的作用，为疏浚河土的资源化利用和碳封存策略选择提供科学依据。该论文发表在《Frontiers in Materials》。

**主要技术方法**

研究人员主要采用了以下关键技术方法：1）**材料制备与碳封存处理**：研究对象为取自中国内蒙古乌海市红星村黄河上游的疏浚黄河沉积物。处理方式包括两种：一是将粒径范围为0.05 mm至4.0 mm的竹基生物炭以4%的固定掺量混入DYRS中；二是将不同比例（10%、15%、20%、25%）的活性氧化镁（rMgO）与DYRS混合，并进行不同时长（15 min、30 min、45 min、60 min）的CO₂固化处理。2）**保水能力测试**：采用布氏漏斗装置，通过静态排水法测定并比较未处理与处理后DYRS的保水能力。3）**微观结构表征**：利用扫描电子显微镜（SEM）观察处理后沉积物的微观形貌；采用压汞法（MIP）定量分析处理前后沉积物的孔隙尺寸分布（PSD）及其演化特征。

**研究结果**

**3.1 生物炭处理DYRS的保水能力**：研究发现，添加生物炭可提高DYRS的保水能力，且存在一个最佳的生物炭粒径组分（0.18 mm），其对应的DYRS保水能力提升幅度最大（49.5%）。过小或过大的生物炭粒径均会导致保水能力下降，其中4.0 mm的生物炭提升效果最弱（10.46%），因其在土壤颗粒中形成孤立块体，不利于持水。

**3.2 CO₂固化下的碳封存与保水能力**：研究表明，增加rMgO剂量和延长CO₂固化时间均能促进CO₂的吸收。CO₂固化处理使DYRS的保水能力最高提升达180%。rMgO剂量与CO₂吸收量呈线性关系，但与处理后DYRS的保水能力呈非线性关系（与对数剂量线性相关）；而固化时长与保水能力呈线性正相关。CO₂固化触发的化学反应生成了新的结合材料，并重组了孔隙结构，这是保水能力提升的关键。

**4 孔隙结构演化**：MIP测试结果显示，未处理的DYRS呈现**三峰**孔隙分布。生物炭处理将孔隙结构转变为**双峰**分布，并增加了孔隙体积，其中0.18 mm生物炭处理在主导孔隙尺寸处具有最大的累积孔隙体积，为最佳保水能力提供了微观证据。CO₂固化则重塑了DYRS的孔隙结构，将原来的三峰分布重组为包含0.1 μm–0.5 μm新尺寸孔的三峰分布。增加rMgO剂量和延长固化时间均会增加主导孔隙间的非均匀性，这种非均匀性有利于提升保水能力。此外，累积孔隙体积对rMgO剂量敏感，但受固化时长影响有限。

**5 讨论与结论**

**讨论部分总结**：研究对比发现，两种碳封存方法对DYRS孔隙结构的调控机制存在本质差异。生物炭主要通过物理颗粒填充效应，将初始的三峰孔隙结构转变为双峰结构，但未能形成微米级以下的毛细储水孔。而rMgO碳化则通过化学反应生成胶结沉淀物，大量微储水孔被创造出来，并重建了新的三峰孔隙框架，这是其保水提升效果显著优于生物炭（4%生物炭提升效果弱于2.5%的CO₂封存量）的根本原因。此外，生物炭处理存在一个最佳粒径，这与其表面官能团、电荷和微孔等复杂表面特性有关；而CO₂固化中，增加rMgO剂量和延长固化时间均有利于提高保水能力，这归因于生成了更多新的碳酸盐产物。

**研究结论翻译**：本研究评估了碳封存方法对提高DYRS保水能力的效果。分别使用了生物炭和采用rMgO的CO₂固化两种处理方法对DYRS进行改良，并揭示了处理后DYRS的细观和微观特性。主要结论如下：
- 碳封存方法（包括生物炭和CO₂固化）均能有效提高DYRS的保水能力。不同粒径的生物炭使保水能力提升10.46%–49.5%，而CO₂固化带来的保水能力提升率高达180%。
- 生物炭的粒径显著影响DYRS的保水能力，且存在一个最佳粒径组分以实现最佳的保水性能。最大保水能力出现在该最佳粒径组分处，对应最大的增量孔隙体积和累积孔隙体积，表明改良效果存在上限。
- rMgO的剂量和CO₂固化的时间均有利于提高DYRS的保水能力。CO₂固化时间与DYRS保水能力呈线性相关。然而，rMgO剂量与CO₂处理后的DYRS保水能力呈非线性相关，但与未处理DYRS的保水能力呈线性相关。此外，CO₂固化的存在使保水能力对rMgO剂量更敏感。值得注意的是，CO₂固化导致DYRS的保水能力显著高于未进行CO₂固化的DYRS，提升率可达180%。
- 生物炭导致DYRS的孔隙结构从三峰分布转变为双峰分布；然而，CO₂固化重塑了DYRS孔隙结构的三峰分布。未处理的DYRS具有三峰孔隙结构，主导孔隙尺寸分别为1–10 μm、10–100 μm和100 μm–1 mm。生物炭在DYRS与rMgO的混合物中导致主导孔隙结构呈双峰分布，尺寸分别为1–10 μm和100 μm–1 mm。CO₂固化的发生重塑了rMgO与DYRS混合物的孔隙结构，导致重组后的三峰孔隙分布，分别为0.1–0.5 μm、1–10 μm和100 μm–1 mm，从而形成了比未处理DYRS中更小的新孔隙尺寸（0.1–0.5 μm）。
- 孔隙的非均匀性通常有利于提高DYRS的保水能力。小于3.00 mm的生物炭增加了孔隙的非均匀性，从而增强了DYRS的保水能力。对于生物炭处理的DYRS，其保水能力存在一个最佳的孔隙非均匀性。rMgO和CO₂固化时间增加了孔隙的非均匀性，这始终有利于DYRS的保水能力。

这些发现从孔隙演化机制的角度加深了对不同负碳技术水文效应的理解。研究结果适用于黄河粉质疏浚沉积物作为生态基质和路基填筑的资源化利用，并可为类似河相沉积物的改良方案提供指导。因此，它为疏浚河砂及其他土木工程材料碳封存与改良策略的选择提供了科学依据。