氯硅钙石基可碳化胶凝材料：通过一种新型处理将组成适宜的废物制能飞灰转化——氯硅钙石的关键作用

《Carbon Capture Science & Technology》：Transforming Compositionally Suitable Waste-to-Energy Fly Ashes into Carbonatable Binders via a Novel Treatment: The Enabling Role of Chlorellestadite

　　

废物制能（Waste-to-Energy, WTE）飞灰是废物焚烧的副产品，由于存在氯化物和有害重金属，其掺入传统胶凝体系受到限制。研究人员展示了一条路径：利用组成适宜的WTE飞灰固有的Ca–Cl–S–Si化学，通过一种基于加热的处理工艺，制备用于可碳化胶凝材料（carbonatable binder）应用的、对CO2有反应性的富氯硅钙石（chlorellestadite）矿物体系。在该工艺中，1000°C热处理使氯硅钙石形成最大化，所得处理灰含30–42 wt%氯硅钙石。对于所研究的五种组成适宜WTE飞灰，由40:60处理灰与IL型水泥（Type IL cement）制成的CO2固化砂浆样品抗压强度为25–50 MPa，CO2含量为23–31%。强度差异由处理灰粒径差异解释，Dv90与强度强相关（R2 = 0.97，RMSE = 1.7 MPa）。这些发现建立了将富氯废物流转化为氯硅钙石基可碳化胶凝材料的路线。

《Carbon Capture Science》刊发的该论文以组成适宜的废物制能（Waste-to-Energy, WTE）飞灰高值化利用为对象。研究背景方面，WTE设施可替代填埋处理城市固体废物，但焚烧后约20%为飞灰、约80%为底灰；WTE飞灰因含氯化物相与重金属，在普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement, OPC）熟料中掺量通常低于1%，作为辅助胶凝材料（Supplementary Cementitious Materials, SCMs）会扰动水化动力学并带来Cd、Pb等浸出风险，即便作骨料也受长期浸出与监管不确定性限制。既有策略多追求完全脱氯，而完全脱氯并不现实。因此，研究人员不再把氯仅视为污染物，而是利用其Ca–Cl–S–Si体系形成氯硅钙石（Ca₁₀(SiO₄)₃(SO₄)₃Cl₂，chlorellestadite）；该矿物虽水硬惰性，但可与CO₂反应生成碳酸钙多晶、石膏与硅胶，具备可碳化胶凝材料潜力。此前氯硅钙石多与贝利特（belite）共生且需超1100°C，而本研究旨在优化低温处理协议，把富氯WTE飞灰转化为氯硅钙石富集、可CO₂反应的材料，并回收盐与硫酸盐副产物。

主要关键技术方法上，研究人员从美国五州七座WTE厂采集66个WTE飞灰样，经X射线荧光（X-ray Fluorescence, XRF）按Ca–Cl–S–Si化学初筛，选出5个估计氯硅钙石形成能力23–45 g/100 g灰的样；以试剂级CaO、CaSO₄、CaCl₂、无定形SiO₂在900°C固相反应合成纯氯硅钙石作参照。分析上用粉末X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）结合Rietveld精修定量矿物组成，用湿式激光衍射测粒径分布，用元素分析仪测CO₂含量，用US EPA Method 1311毒性特征浸出程序评估重金属浸出，用ASTM C1910配制60% IL型水泥+40%处理灰的5 cm砂浆立方，在65°C、70±3%相对湿度、1 atm CO₂下固化72 h后测抗压强度。

研究结果如下。半定量估算氯硅钙石浓度：研究人员通过XRF获得66个灰样的Ca、Cl、S、Si含量，按反应R1化学计量估算热处理后可形成5–50 g/100 g灰的氯硅钙石；考虑5% Cl/S挥发后分布基本不变，65个样受Si限制，据此选Ash 1–Ash 5进入处理与砂浆试验。样本与合成：66个WTE飞灰来自五州七厂、日处理90–2700吨，5个入选灰估计氯硅钙石23–45 g/100 g；纯氯硅钙石由试剂级原料900°C固相反应制得。pH测量：Step 1水溶液在CO₂鼓泡前后用银/氯化银电极测pH，支撑液路副产物回收逻辑。XRF：25次测量覆盖灰、处理灰、沉淀与盐，NIST SRM 1633b重复测量元素组成变异系数小于2%。XRD与Rietveld：Bragg–Brentano配置、Cu Kα、10–70° 2θ采集，用DIFFRAC.EVA定性、GSAS-II精修；处理灰加20% Al₂O₃内标估无定形相，氯硅钙石用八阶球谐首选取向校正；1000°C处理灰含30–42 wt%氯硅钙石及无定形与少量结晶相。湿式激光衍射：Malvern Mastersizer 3000测D_v10、D_v50、D_v90，细粒径处理灰强度更高。CHN测量：钻取固化砂浆粉末，元素分析仪燃烧测碳，反推CO₂含量23–31%。毒性特征浸出程序：提取液1用于盐、提取液2用于灰；处理灰中Pb浸出由>5 mg/L降至<0.5 mg/L，碳化后浸出仍评估。抗压强度：40%处理灰+60% Type IL水泥的CO₂固化砂浆为25–50 MPa，细样接近50%纯氯硅钙石体系的约50 MPa；D_v90与强度R²=0.97、RMSE=1.7 MPa。CO₂固化装置：真空烘箱抽至低于大气压0.96 atm后充CO₂至1 atm，KCl溶液控湿70±3%，72 h后80°C烘24 h再测强。

讨论部分总结：研究人员指出，既往处理以最大脱氯为目标，而可碳化胶凝材料无钢筋、不需最大脱氯，故协议可简化、减废水量。1000°C比早前700°C协议更利于氯硅钙石形成，且不像贝利特体系需>1100°C；WTE飞灰的Ca–Cl–S–Si可被“矿物工程”导向氯硅钙石平台。粒径比化学微调更决定强度，说明处理灰粉磨或分级可替代复杂化学改性。重金属在热处理与碳酸化后被稳定，盐/硫酸盐可回收，整体把“废物属性”转为“CO₂封存+建材”协同。

结论部分译文：在本研究中，研究人员通过报告其先前灰处理协议的优化版本，解决了上述研究空白；该协议将富氯WTE飞灰转化为对CO₂有反应性的富氯硅钙石胶凝材料，同时回收富盐与富硫酸盐副产物。结果表明，1000°C热处理使氯硅钙石形成最大化，所得处理WTE飞灰含30–42 wt%氯硅钙石及无定形与少量结晶相；当与IL型水泥以40%处理灰∶60%水泥配合时，粒径分布更细的处理WTE飞灰在CO₂固化后抗压强度可与50 wt%纯氯硅钙石体系相比（约50 MPa）。这些发现建立了把难处理的富氯废物流转化为对CO₂有反应性建筑材料的一条路线，并说明通过对复杂废物流的矿物学工程，可催生新的可碳化胶凝材料平台。