碱性活化煤基固体废弃物在矿物碳酸化过程中的碳封存性能与微观结构演变

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Carbon sequestration performance and microstructural evolution of alkali-activated coal-based solid waste during mineral carbonation

　　

摘要

碱活化显著增强了基于煤炭的固体废物（CBSW）与CO₂的碳化反应性，探索其碳封存特性、微观结构和反应机制对于提高碳化效率至关重要。本研究使用生石灰作为碱活化剂，从煤矸石和粉煤灰制备了泡沫CBSW样品。通过NMR、FTIR、XRD、SEM-EDS和TGA等方法研究了在不同活化剂剂量下微观孔结构的变化、碳固定组分的改变、碳化吸收特性以及碳封存性能，并总结了其背后的微观机制。结果表明，碱活化有效改变了CBSW的性状：碳化固化过程形成了更复杂的孔结构，减少了T₂分布、孔隙率和大孔径。较高的活化剂剂量增强了O–C–O和C–S–H吸收峰，增强了CaCO₃的特征峰，减弱了Ca(OH)₂的特征峰。样品的热重分解分为三个阶段，第三阶段对应于碳化产物的分解。值得注意的是，在测试范围内，30%的活化剂剂量表现出最高的碳封存能力：CO₂质量分数为19.73%，CO₂吸收容量为245.87 g/kg，碳封存率为18.36%。主要的碳封存产物是CaCO₃和C–S–H凝胶，方解石是主要的结晶矿物，还含有少量的 Dawsonite和Siderite。本研究为CBSW的大量利用和高效CO₂封存提供了宝贵的参考，支持了双碳目标。

引言

随着全球化工业化的持续推进，全球碳排放量逐年增加，使得碳捕获（West等人，2013年）、利用和存储（CCUS）技术成为工业部门实现低碳转型的核心途径（Chen等人，2022年；Yao等人，2023年）。煤矸石是在煤炭开采和洗选过程中不断产生的固体废物（Li等人，2021年），每年占煤炭总产量的10%?15%（Li和王，2019年），而粉煤灰的排放量高达6亿吨（Mathapati等人，2022年）。作为典型的CBSW，其主要化学成分包括CaO、MgO、Al₂O₃和SiO₂（Qiu等人，2021年），使其具有与CO₂发生碳化反应进行碳封存的潜在能力（Zhang等人，2025年）。这为将实现双碳目标与固体废物的资源利用结合起来提供了重要机会。

为了促进煤炭行业实现双碳目标，CO₂矿物碳化和存储技术因其高效率和长期稳定性而受到了广泛的学术关注（Hills等人，2020年）。 recent研究通过各种途径深入探讨了CBSW的CO₂封存潜力（Dananjayan等人，2016年），包括固体废物回填材料的预测建模（Yan等人，2024年）、改性MgO基材料（Zhu等人，2025年）或多固体废物复合回填系统（Fang等人，2023年；Jia等人，2025年），以及在不同的水热（Wu等人，2019年）或机械活化条件下直接矿化（Ji等人，2017年）。尽管CBSW具有CO₂矿化的潜在能力（Jiang等人，2023年），但其原始状态下的碳封存效率相对较低。为了解决这一问题，研究人员开发了各种改性技术——如碱活化（Kaliyavaradhan和Unnikrishnan，2024年）、碳化活化（Wang等人，2019年）、水固化（He等人，2016年）和蒸汽固化（Kim等人，2021年）——旨在提高固体废物的水化反应性。例如，最近的研究证实，碱改性可以有效地激活粉煤灰的矿化潜力，并显著提高碳存储效率（Qin等人，2025年；Xu等人，2025年）。

然而，尽管碱改性的潜力已经得到证实，现有研究主要依赖于昂贵的活化剂（如氢氧化钠或碳酸钠），并且通常关注密度较大的固体材料，其中有限的CO₂扩散深度严重限制了整体碳化效率。此外，虽然宏观上的CO₂吸收现象已被广泛报道，但一个关键的科学问题尚未解决：低成本的碱活化剂（如生石灰）如何调控竞争性和协同性的水化-碳化反应，以及由此产生的矿物化产物如何动态重构高度多孔的泡沫CBSW系统中的微孔网络？缺乏对孔结构演变与碳固定组分变化之间内在联系的理解，阻碍了CCUS在煤炭行业中的经济高效的大规模应用。

为了填补这一知识空白，本研究提出了一种新颖且经济高效的方法，使用生石灰作为唯一的碱活化剂来制备泡沫CBSW混凝土试样。该工作的实质性创新在于将低成本的生石灰活化与发泡技术相结合，人工构建CO₂扩散通道，从而打破了传统上在致密材料中观察到的碳化深度受限的问题。基于这种结构设计，本研究创新性地使用了NMR、FTIR和TGA来可视化动态微观结构响应，特别强调了由水化-碳化协同作用驱动的孔隙填充效应和孔隙喉部的细化。

通过全面的实验研究，本研究提供了几个关键的研究贡献。具体来说，它定量确定了最大化CO₂质量分数（19.73%）和整体碳封存率（18.36%）所需的最佳生石灰剂量（30%）。此外，该研究阐明了微观尺度的动态机制，展示了碳酸钙和C–S–H凝胶如何协同生成以固定固体颗粒，并系统地细化了宏观孔隙喉部。最终，这些发现为煤矸石和粉煤灰的大规模资源利用与高效CO₂地质存储提供了一个可靠的理论框架和高度实用的低成本材料设计策略。

章节摘要

实验样品和参数

基础实验样品主要由煤矸石、粉煤灰、水泥、动物蛋白发泡剂、泡沫稳定剂和水组成。生石灰以氧化钙CaO为主要成分，作为碱活化剂。煤矸石骨料来源于山西省昔顺市的天池煤矿。粉煤灰来自河北省石家庄市的西八坡发电厂。使用的是Conch品牌P·O 42.5高强普通硅酸盐水泥。

为了研究碱活化的效果，通过改变碱活化剂的剂量来修改煤基固体废物的化学组成。利用FTIR光谱分析吸收峰的位置和强度与相应化学官能团之间的关系，从而评估碱活化调节所达到的改性效果。图2展示了

通过研究在不同碱活化剂剂量下试样的孔结构演变，可以阐明固化过程中的孔结构演变机制，从而进一步揭示煤基固体废物的碳封存机制。

如图4所示，T₂松弛分布曲线呈现出三峰模式，第二和第三峰更为明显，其中第二峰的幅度最大。

• 随着碱活化剂剂量的增加，试样的pH值逐渐升高，FTIR光谱中归因于Ca(OH)₂的–OH键吸收峰的强度增加，XRD图谱中Ca(OH)₂的特征峰数量也随之增加。这些发现表明碱活化有效地调节了碳化性能。在评估的混合物中，30%的生石灰剂量显示出最高的碳封存效率。未来的研究应进一步评估

Lei Qin：写作——审稿与编辑、项目管理、资金获取、数据管理、概念构思。Han Wang：写作——初稿撰写、数据管理。Pengfei Liu：方法论研究、实验调查。Jiawei Li：数据可视化、软件开发。Chengang Sun：监督。Dantong Li：正式分析。Chao Qu：验证。

Lei Qin|Han Wang|Pengfei Liu|Jiawei Li|Chengang Sun|Dantong Li|Chao Qu

西安科技大学安全科学与工程学院，中国陕西省西安市，710054