混合工业残渣的矿物碳酸化用于增强CO2封存与环境稳定化：炉渣组成与工业共生的作用

《Advanced Energy and Sustainability Research》：Mineral Carbonation of Mixed Industrial Residues for Enhanced CO2 Sequestration and Environmental Stabilization: The Role of Slag Composition and Industrial Symbiosis

　　

温室气体（GHGs）的增加，特别是二氧化碳（CO₂），是近几十年来的主要环境挑战之一。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术对于深度脱碳至关重要，尤其是在难以减排的行业。其中，利用碱性工业废弃物进行CO₂矿化是一种有前景的方法，可在循环经济框架内实现碳封存和废弃物资源化利用。本研究评估了矿物碳酸化作为一种综合策略的效率，用于燃烧残渣中CO₂的永久封存和有害组分的稳定化。飞灰（FA）、底灰（BA）和炉渣因其对碳酸化的强反应活性而得到研究。该过程促进稳定碳酸盐相的形成，确保在环境条件下长期碳储存。此外，碳酸化增强了Pb和Zn等重金属的固定化，同时通过Friedel盐的形成促进氯的稳定化。系统分析了工业废弃物和副产品对CO₂捕集能力的影响，强调了BA在改善稳定化机制中的作用。此外，碳酸化飞灰被用作高密度聚乙烯基复合材料中的填料。结果表明，矿物碳酸化是同时实现CO₂封存和废弃物管理的有效可持续解决方案，有助于环境保护和资源效率提升。

**矿物碳酸化协同工业共生：混合工业残渣的CO₂封存与环境稳定化研究解读**

**一、研究背景与问题提出**

近年来，温室气体排放持续增加已成为全球性重大环境挑战。二氧化碳（CO₂）约占温室气体总排放量的72%，其大气浓度在2025年11月已达到426.48 ppm，导致全球平均温度上升约0.8°C，气候变化的严峻形势日益凸显。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术被视为深度脱碳的关键路径，尤其是在水泥、钢铁和化工等难以减排的行业中。国际能源署指出，到2050年CCUS技术有望避免80亿吨CO₂的排放，约占当前能源部门年排放量的四分之一。

在众多CCUS技术路线中，利用碱性固体废弃物进行CO₂矿化被认为是一种颇具前景的方法。该方法模拟自然界岩石的化学风化过程，即溶解的CO₂形成碳酸后与碱性矿物反应生成稳定的碳酸盐相。这不仅实现了碳的永久封存，还同时推动了固体废弃物的稳定化处理。然而，既有研究大多通过化学萃取或pH调控等途径来增强Ca²⁺和Mg²⁺的可利用性，以提高碳酸化效率，但这些方法通常需要额外化学试剂、多步处理或热处理，增加了工艺复杂度和能耗。此外，垃圾焚烧产生的飞灰（FA）富含重金属和氯盐，被归类为危险废物，其在环境中的潜在迁移风险亟待解决。

本研究的创新之处在于：在固定操作条件下，通过设计不同工业残渣的混合配方，直接利用残渣固有的碱度进行碳酸化，从而在不引入额外工艺变量的前提下，系统考察废弃物组成和矿物学反应活性对CO₂封存效率及污染物稳定化的影响。该策略契合工业共生理念——将源自不同工业过程的FA、底灰（BA）和多种钢铁炉渣进行战略性组合，利用其互补的化学与矿物学特性，以期同时实现CO₂封存效率与环境性能的优化。

**二、主要关键技术与方法**

研究人员采用多种分析手段开展了系统研究。原料包括来自布雷西亚垃圾焚烧发电厂（A2A）的飞灰和底灰、脱硫飞灰（FDG），以及高炉渣（BF）、钢包炉渣（LF）、氩氧脱碳炉渣（AOD）和电弧炉渣（EAF）等四种钢铁炉渣（部分炉渣含两个批次）。主要技术方法包括：加速碳酸化试验（在Berghof高压反应釜中进行，35°C、15 bar初始压力、24 h反应时间）；浸出试验结合全反射X射线荧光光谱（TXRF）分析重金属固定化效果；X射线衍射（XRD）分析表征原料及碳酸化产物的物相组成；高密度聚乙烯（HDPE）复合材料的熔融共混制备与拉伸力学性能测试。

**三、研究结果与讨论**

**1. 加速碳酸化试验结果**

研究发现，不同混合配方的CO₂吸收量存在显著差异。含AOD炉渣的混合物（MIX AOD）表现出最高的CO₂吸收量（4.04 ± 0.24 g CO₂），较纯飞灰（FA）提高约35%；而含EAF.2炉渣的混合物（MIX EAF.2）吸收量最低（2.49 ± 0.62 g CO₂），较FA低约17%。由于所有MIX配方中FA（65 wt%）和BA（9 wt%）比例相同，仅炉渣类型（26 wt%）不同，因此碳酸化行为的差异主要归因于所添加炉渣的化学组成和矿物学特征。通过单一组分的加权平均预测，MIX AOD的预期CO₂吸收量为3.70 ± 0.26 g CO₂，而实验实测值略高，暗示可能存在超出加权贡献的正向协同效应。

**2. XRD物相分析结果**

XRD分析揭示了碳酸化过程中的物相转化机制。纯FA碳酸化后，CaClOH、portlandite（Ca(OH）₂)和tobermorite等活性含钙相消失，转化为calcite（CaCO₃)和vaterite（CaCO₃)等稳定的碳酸盐相。对于AOD炉渣，bredigite（Ca₇Mg(SiO₄)₄)显示出最高的碳酸盐转化率，主要生成monohydrocalcite（CaCO₃·H₂O)和无定形硅质产物；periclase（MgO）转化为白云石和水合碳酸镁；mayenite（Ca₁₂Al₁₄O₃₃)完全转化为CaCO₃；而spinel（MgAl₂O₄)几乎不参与碳酸化反应。MIX AOD中calcite和vaterite成为优势相，表明钙的大规模碳酸盐转化。相比之下，含BF炉渣的混合物碳酸化效果最差，这归因于BF炉渣中高含量的无定形组分限制了活性含钙相的可及性。

**3. TXRF浸出分析结果**

TXRF分析证实了碳酸化对重金属的显著稳定化效果。FA中铅（Pb）浓度在碳酸化后从70 ppm降至8 ppm，锌（Zn）从4.1 ppm降至1 ppm，表明其可浸出性大幅降低。同时，钙浓度从6800 ppm降至2800 ppm，氯从12,800 ppm降至4200 ppm。氯的降低与Friedel盐（hydrocalumite, [Ca₂Al(OH)₆]Cl·2H₂O)的形成有关——铝的存在促进钙与氯化物反应生成稳定的氯铝酸盐相，将Cl^?离子结构性地结合进入晶格。在MIX AOD和MIX EAF.2中，Zn和Pb浓度均低于检测限，这得益于BA的添加——BA提供无定形二氧化硅和氧化铝，在高碱性条件和钙离子存在下促进火山灰反应，生成水化硅酸钙（C–S–H)和水化铝酸钙（C–A–H)等胶凝相，这些相能将重金属结合或吸附于其结构中，显著降低其可浸出性。

**4. HDPE复合材料性能验证**

将碳酸化后的MIX AOD作为功能填料用于高密度聚乙烯（HDPE）复合材料，进行了概念验证。拉伸测试结果显示：填料的加入普遍提高了复合材料的弹性模量（30 wt%添加量下提高约70%），表现出明显的刚化效应，但粒径的影响较小；含有较细颗粒（30–100 μm）的复合材料在30 wt%添加量下最大拉伸应力提高约17%，归因于细小颗粒在聚合物基体中更好的分散性和更有效的应力传递；而粗颗粒（100–600 μm）的增强效果不显著，可能与颗粒团聚和较弱的填料/基体界面相互作用有关。值得注意的是，含10 wt%细颗粒的复合材料保持了与纯HDPE相当的延展性，表明在该添加量下可在不牺牲力学性能的前提下替代部分聚合物。所有复合材料的断裂伸长率均随填料含量增加而显著下降，但细颗粒5 wt%时与纯HDPE无显著差异。整体而言，复合材料在刚度与延展性之间存在权衡，适用于刚性建筑构件等对尺寸稳定性要求较高的应用场景。

**四、总结与结论**

研究结果表明，CO₂吸收量受化学组成、矿物相分布和相反应活性的共同控制，而非仅由体相成分决定。AOD炉渣因富含CaO和MgO且Fe₂O₃含量极低，具有高（CaO + MgO）/Fe₂O₃比，加之其晶体相高度活泼，实现了最优的碳酸化效率。相反，高Fe₂O₃含量的EAF炉渣和富含无定形相的BF炉渣均表现出较低的碳酸化性能。

本研究证实，混合工业残渣的矿物碳酸化是同时实现CO₂封存和环境稳定化的有效综合策略。FA、BA和钢铁炉渣的组合利用充分发挥了其互补的化学和矿物学特性，在循环经济框架内同时提升了碳酸化效率和污染物固定化能力。碳酸化过程还诱导了矿物学转变，形成的碳酸盐相和无定形硅质产物有助于提高聚合物复合材料的刚度和拉伸强度，为CO₂封存材料提供了潜在的应用出路。该策略完全符合清洁生产和工业共生的原则，将FA、BA和炉渣从独立的废物流整合为单一的资源化路径，减少填埋处置的同时提高了资源效率。未来研究应聚焦于工艺放大、连续反应器运行、经济可行性评估和全生命周期评价，以全面量化碳足迹并验证其碳负性材料的分类潜力。