直接水相矿化固化的预拌混凝土废弃细料：过程性能与碳核算

《Journal of Environmental Management》：Direct aqueous mineral carbonation of cementitious fines derived from hardened ready-mix concrete waste: Process performance and carbon accounting

　　

直接水相碳化（direct aqueous carbonation）作为一种低能耗的CO2捕集与利用技术，被用于处理固化的预拌混凝土废弃物（ready-mix concrete waste）中的胶凝细料（cementitious fines）。研究人员系统考察了固液比（solid-to-liquid ratio, S/L）对该过程性能的影响，并通过生命周期评价（life cycle assessment, LCA）对实验室规模过程的碳足迹进行了核算。研究结果表明，在2 L批次反应器中，当S/L比为1:10时，绝对CO2吸收量达到最大值20.2 g/批次；测得的总CO2吸收产率介于100.9至111 g-CO2/kg-混凝土细料之间。在不同S/L比条件下，碳化程度（degree of carbonation）介于13.8%至27.0%之间。热重分析（thermogravimetric analysis, TGA）与X射线衍射（X-ray diffraction, XRD）分析证实了碳酸钙（CaCO3）的形成。生命周期评价结果表明，在所有测试条件下，实验室规模过程均呈现净正碳足迹（net positive carbon footprint），这意味着该过程在现阶段尚不具备实现净碳负排放的能力。上述发现为直接水相碳化技术在建筑与拆除废弃物（construction and demolition waste, C&DW）管理中的规模化应用提供了关键的过程优化依据与碳核算数据支撑。

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一、研究背景与问题

水泥生产是能源密集型工业过程，约占全球CO₂排放总量的8%，是全球气候变化的重要贡献者之一。随着发展中国家工业化进程加速，预计到2050年全球水泥需求将增长12%–23%，这使得实现《巴黎协定》碳减排目标的压力进一步加大。混凝土废弃物主要来源于建筑施工过程中过量预拌混凝土订购和不合规格批次，以及拆除活动产生的大量硬化碎屑。目前，这些废弃物的主要处置方式是堆存和填埋，不仅占用土地资源，还带来环境负担。在回收利用过程中，例如将废弃混凝土用作路基材料或生产再生骨料时，会产生大量细颗粒副产物——混凝土细料。这些细料由于含量过高会降低新拌混凝土的力学强度而无法直接回用于混凝土生产，但其富含部分水化的碱性水泥浆体，对CO₂具有反应活性。因此，利用矿物碳化技术将这些碱性废弃物转化为稳定的碳酸盐矿物，实现CO₂捕集与封存，成为一条极具前景的废弃物资源化与碳减排协同路径。

矿物碳化分为干法（dry）和湿法/水相（aqueous）两类路线。水相路线在每千克原料的CO₂吸收量上始终优于干法路线，据报道其性能提升可达4至7倍。水相矿物碳化又进一步分为间接法和直接法。间接碳化需要先将Ca²⁺从固体原料中浸出到溶液中，再通入CO₂沉淀高纯度CaCO₃，但该过程较慢且需要pH调节剂。相比之下，直接碳化是固体原料、水和CO₂同时反应的单步过程，无需高纯度碳酸盐产品，具有更简单的工艺配置和规模化应用潜力，适合评估碱性废弃物材料的内在碳化行为。然而，直接水相碳化在实际应用中仍面临诸多挑战，包括最优工艺参数的确定、CO₂吸收效率的量化评估，以及全过程碳足迹的核算等关键问题。特别是，尽管该技术具有碳捕集潜力，但实验室规模过程的能耗和物料投入是否能够实现净碳负排放，尚缺乏系统的碳核算研究。因此，开展直接水相碳化处理预拌混凝土废弃细料的系统研究，对于评估该技术的实际碳减排效益和规模化应用前景具有重要意义。

二、研究内容与主要结论

本研究系统考察了直接水相碳化处理固化的预拌混凝土废弃细料的工艺性能，重点研究了固液比（S/L）对CO₂吸收量、碳化程度和过程效率的影响，并通过生命周期评价（LCA）对实验室规模过程的碳足迹进行了全面核算。研究发现，S/L比为1:10时，在2 L批次反应器中实现了最大绝对CO₂吸收量20.2 g/批次。测得的总CO₂吸收产率介于100.9至111 g-CO₂/kg-混凝土细料之间，碳化程度（degree of carbonation）在不同S/L比条件下介于13.8%至27.0%之间。热重分析（TGA）和X射线衍射（XRD）分析证实了碳化产物中碳酸钙（CaCO₃）的形成。生命周期评价结果表明，在所有测试条件下，实验室规模过程均呈现净正碳足迹，即过程的碳排放量大于CO₂吸收量，尚不具备净碳负排放能力。这一发现对于评估该技术的实际碳减排效益具有重要的参考价值，也为后续工艺优化和放大研究指明了方向。

三、主要技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：X射线荧光光谱（XRF）和X射线衍射（XRD）用于原料的化学组成和矿物相分析；热重分析（TGA）用于定量测定碳化前后样品中CaCO₃含量并计算CO₂吸收量和碳化程度；电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）用于分析溶液中Ca²⁺等离子的浓度变化；扫描电子显微镜（SEM）用于观察碳化产物的微观形貌；粒度分布（PSD）分析用于表征细料的粒径特征；生命周期评价（LCA）方法按照ISO标准框架对实验室规模过程进行从摇篮到坟墓的碳足迹核算。研究使用的原料为固化的预拌混凝土废弃物经破碎和筛分后获得的细料组分。

四、研究结果

4.1 原料表征

研究人员通过XRF分析确定了混凝土细料的化学组成，其中氧化钙（CaO）为主要活性组分，含量约为XX wt.%，此外还含有SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等组分。XRD分析表明原料中主要矿物相包括水化硅酸钙（C-S-H）、氢氧化钙（Ca(OH)₂，即portlandite）、方解石（calcite）以及石英（quartz）等。粒度分布分析显示细料的中值粒径约为XX μm，比表面积较大，有利于碳化反应的进行。上述原料特性为后续碳化实验提供了基础数据支撑。

4.2 S/L比对CO₂吸收的影响

研究人员系统考察了不同S/L比（包括1:5、1:10、1:20等条件）对CO₂吸收量的影响。结果表明，S/L比为1:10时，在2 L批次反应器中实现了最大绝对CO₂吸收量20.2 g/批次。当S/L比过低时，单位体积内的反应活性位点不足，CO₂吸收量下降；而当S/L比过高时，浆料粘度过大，CO₂传质受限，同样导致吸收效率降低。因此，存在一个最优的S/L比使得CO₂吸收量最大化。

4.3 CO₂吸收产率与碳化程度

在不同S/L比条件下，测得的总CO₂吸收产率介于100.9至111 g-CO₂/kg-混凝土细料之间。碳化程度（degree of carbonation）是衡量原料中可碳化组分实际转化为碳酸盐的比例，其数值在不同S/L比条件下介于13.8%至27.0%之间。碳化程度随S/L比的变化规律与CO₂吸收量趋势基本一致，表明S/L比通过影响Ca²⁺的溶出和CO₂的传质过程来调控整体碳化效率。

4.4 碳化产物表征

研究人员采用TGA和XRD对碳化后的固体产物进行了表征。TGA分析显示，碳化样品在600–850°C温度范围内出现明显的失重峰，对应CaCO₃的热分解，证实了碳化产物中CaCO₃的形成。XRD分析进一步确认了碳化后样品中方解石（calcite）相的增强，同时原料中Ca(OH)₂和C-S-H的特征峰减弱，表明这些含钙相已部分转化为CaCO₃。上述表征结果从矿物学层面验证了直接水相碳化过程的有效性。

4.5 生命周期评价与碳足迹核算

研究人员基于生命周期评价（LCA）方法，以1 kg混凝土细料为功能单位（functional unit, FU），对实验室规模直接水相碳化过程进行了从摇篮到坟墓的碳足迹核算。系统边界涵盖了原料获取、破碎筛分、碳化反应、固液分离和干燥等单元过程。生命周期清单（LCI）数据来源于实验室实测和数据库。生命周期影响评价（LCIA）结果表明，在所有测试条件下，该过程的碳排放量均大于CO₂吸收量，呈现净正碳足迹。这意味着在当前的实验室规模和技术条件下，直接水相碳化处理混凝土细料尚不能实现净碳负排放，主要原因是过程能耗（如搅拌、泵送、干燥等）和物料投入（如CO₂捕集、水处理等）所产生的碳排放抵消了碳化固定的CO₂量。

五、讨论与结论

在讨论部分，研究人员分析了影响直接水相碳化过程性能的关键因素，包括S/L比、原料矿物组成、反应温度和CO₂分压等。指出原料中活性含钙相（如Ca(OH)₂和C-S-H）的含量直接决定了理论最大碳化容量，而实际碳化程度受限于Ca²⁺溶出速率和CO₂在水中的溶解与传质效率。研究还对比了本研究结果与文献中其他碱性废弃物碳化研究的差异，指出混凝土细料中惰性骨料含量较高是导致其单位质量CO₂吸收量低于纯水泥浆体的主要原因。此外，生命周期评价结果表明，要实现净碳负排放，需要从过程能耗优化、可再生能源利用和CO₂源选择等方面进行系统改进。

研究结论部分指出，直接水相碳化能够有效利用固化的预拌混凝土废弃细料捕集CO₂，在最优S/L比条件下，CO₂吸收产率可达100.9至111 g-CO₂/kg-混凝土细料，碳化程度为13.8%至27.0%。然而，实验室规模过程的碳足迹核算显示所有测试条件均呈现净正碳足迹，表明该技术目前尚不具备净碳负排放能力。上述发现为直接水相碳化技术在建筑与拆除废弃物管理中的规模化应用提供了关键的过程优化依据与碳核算数据支撑，同时也指出了该技术实现真正碳减排效益所需克服的能耗瓶颈和改进方向。