粉煤灰水合二氧化碳矿化的气泡尺寸效应机理

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Mechanisms of Bubble-Size Effects on Aqueous CO 2 Mineralization of Fly Ash

　　

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  微气泡被引入作为介于普通气泡（OB）与微纳气泡（MNB）之间的中间尺度。
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  MNB系统在0.50 L/min时实现了40.43%的峰值矿化效率。
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  OB沉积物粗大，MB沉积物局部聚集，MNB沉积物分散。
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  更小的气泡细化了孔结构并增加了介孔的贡献。
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  更小的气泡加快了浆液酸化并提高了后期Ca²⁺和Si的水平。

引言

面对日益增长的碳减排需求和工业固体废弃物的大规模利用需求，使用含有活性Ca、Mg、Al、Si组分的工业副产物进行CO₂矿化引起了越来越多的关注[1]、[2]。该技术具有碳减排和固废利用的双重效益[3]、[4]、[5]。粉煤灰是燃煤电厂产生的主要固体废弃物之一[6]。它广泛可得、成本低廉，但伴随着相当大的处置压力。其矿物组成通常含有可参与碳化反应的碱土金属组分。因此，粉煤灰被认为是CO₂矿化的有前景的材料[7]、[8]、[9]。与高温、高压或多步间接矿化相比，直接水相矿化过程相对简单，操作条件温和[10]、[11]。然而，实际应用仍受限于矿化效率低、反应时间长以及CO₂利用率不足。这些局限性在低钙粉煤灰体系中尤为突出[12]、[13]、[14]。

粉煤灰的水相矿化涉及三个主要过程。它们包括CO₂溶解与酸化、Ca和Mg等活性组分的浸出，以及碳酸盐沉淀[15]。反应介质、液固比和反应时间可以共同影响粉煤灰的直接碳化行为[16]、[17]。为提高矿化效率，大量研究聚焦于反应介质调控、预处理改性和间接碳化[18]、[19]。Ding等人[20]研究了低钙粉煤灰在常压条件下海水中的直接CO₂矿化。通过改变溶液化学，促进了钙浸出和碳酸盐沉淀。结果，碳化效率显著提升。He等人[21]通过间接碳化路线处理粉煤灰。Ca²⁺通过酸浸被有效提取。然而，需要额外的浸出剂和多重分离步骤，导致工艺复杂性增加。Bui等人[22]研究了低温下混凝土细料的湿法碳化。CO₂碳化促进了Ca向液相的释放，进一步影响碳酸盐的形成。然而，这些策略通常依赖于额外的化学品、复杂的介质或特殊的操作条件。因此，其经济和环保优势相对有限[23]、[24]。因此，在不显著增加工艺复杂性的情况下提高矿化效率，仍然是粉煤灰直接水相矿化的关键挑战。

微米和纳米气泡（MNB）以尺寸小、浓度高、在液相中停留时间长为特征。这些特性为气液传质和界面反应调控提供了独特优势[25]、[26]、[27]、[28]。因此，这为应对上述局限性提供了一种新途径。近年来，CO₂ MNB已被应用于水泥基材料和碱性固体废弃物的碳化。Jiang等人[29]将CO₂ MNB应用于再生水泥浆的水相碳化。发现碳化时间显著缩短。Zhang等人[30]使用烟气MNB进行城市垃圾焚烧飞灰的碳化和脱氯预处理。碳化和脱氯性能均得到提升。该方法为碱性固体废弃物低碳预处理提供了新途径。Suzuki等人[31]将超细气泡应用于城市垃圾焚烧飞灰的直接水相碳化。灰样中的CO₂含量提高了26%至62%。然而，现有研究主要关注MNB对碳化性能的整体提升作用，而对不同气泡尺度的系统比较仍然有限。普通气泡与MNB的直接比较可能同时涉及微尺度气泡行为和纳米尺度界面性质的变化。引入MB作为介于普通气泡与MNB之间的中间尺度，有助于阐明不同气泡尺寸下控制粉煤灰矿化的机制。

因此，本研究通过调控气泡尺寸来解决低钙粉煤灰直接水相矿化过程中矿化效率低的问题。使用普通气泡（OB）、MB以及MNB构建了三个气泡体系。在不同CO₂流速下进行CO₂水相矿化实验。系统比较了气泡尺寸对矿化效率、孔结构、表面沉积形貌、液相演化以及Ca和Si释放行为的影响。阐明了CO₂矿化过程中与不同气泡尺寸相关的调控机制。研究结果为实现粉煤灰水相CO₂矿化的强化和优化提供了依据。

章节片段

材料与试剂

选用河南大唐电厂的粉煤灰作为原材料。使用前，将原始粉煤灰在60°C下干燥6小时，然后储存以备后续实验使用。高纯度CO₂用作实验气体，去离子水用作液体介质。盐酸用于液样酸化。CaCl₂和NaCl用于调节Zeta电位测量过程中的离子环境，所有试剂均为分析纯。

主要氧化物组成

不同尺度气泡体系的特征

为阐明三种气泡体系的固有差异，测量了OB、MB和MNB的尺寸分布和数量浓度。结果如图3所示。

对于OB体系，图3(A)显示，当CO₂流速从0.25升至1.00 L/min时，平均气泡尺寸和气泡浓度均增加。在此体系中，CO₂直接通过扩散器孔进入液相。气泡脱离尺寸主要受浮力与

结论

使用OB、MB和MNB构建了三个气泡体系。在不同CO₂流速下，系统研究了粉煤灰的水相矿化行为以及产物沉积结构的演化。主要结论如下：

• 1)
  三种气泡体系对CO₂流速表现出不同的响应。在OB体系中，随着CO₂流速增加，矿化效率从20.11%逐渐升至27.38%。MB体系实现了相对较高的效率

CRediT作者贡献声明

吴宇发：撰写——初稿、方法论、形式化分析。刘旭：方法论、形式化分析、数据管理。蒋晓峰：资源、方法论、资金获取、概念设计。苗振永：撰写——审阅与编辑、验证、监督。许恩乐：验证、方法论、概念设计。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的、可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了煤炭重大项目（2026ZD1703500）的支持。

吴宇发|刘旭|蒋晓峰|苗振永|许恩乐