文章摘要

CO2-fixing and recovery of high-purity vaterite CaCO3 from recycled concrete fines

第一作者:Hamideh Mehdizadeh
通讯作者:林忠财
其他作者:Kim Hung Mo
通讯单位:湖南大学土木工程学院
论文DOI
https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106695
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图文摘要



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  废弃混凝土粉末(RCF)是废弃混凝土回收的副产品,通常在垃圾填埋场处理。随着全球变暖和自然资源的枯竭,开发新的升级循环技术,将RCF转化为增值产品势在必行。本研究提出了利用氯化NH4Cl)和滤液碳化法从RCF中提取钙,分两步生产球霰石碳酸钙(碳酸稀土)的方法,研究了不同反应参数对RCF“浸出-碳化”的最大钙提取率和二氧化碳封存的影响。在优化条件下,Ca2+的浸出率为65.7%,其固体滤渣为非晶态凝胶和小部分的钙铁石。该方法可成功生产纯度为97.8%的球霰石(~1-10 µm),且氨水用量越高,越有利于形成更稳定的碳酸盐。该方法解决了诸如循环利用RCF、从RCF中提取球霰石(615 g/1kg RCF)和吸收二氧化碳(270 g/1 kg RCF)等问题。
 
图文导读
 
  本实验基于两步“浸出-碳化”过程研究了球霰石碳酸钙的合成工艺: I)使用氯化NH4Cl)浸出RCF的钙(Ca)组分,II)使用二氧化碳对滤液进行碳化处理。其具体操作过程如图1所示。其反应原理如式(1-3)所示。
  浸出过程: (1)
      WCP(s)+NH4Cl(aq)→CaCl2(aq)+NH4OH(aq)+NH3(g)+富硅残留(s)   
  碳化过程:  
      CaCl2(aq)+2NH4OH(aq)+CO2(g)→(NH4)2CO3(aq) +CaCl2(aq)+H2O(l)  (2)
      (NH4)2CO3(aq)+CaCl2(aq)→CaCO3(s)+2NH4Cl(aq)    (3)


1 两步“浸出-碳化”过程图示
 
  第一步,利用氯化溶液对RCF中钙的浸出进行了全面的研究。反应时间、温度、液固比、初始氯化浓度等4种反应参数对钙离子浸出率的影响如图2所示。结果表明,在最佳条件下(85 ℃10 mL/g2 mol/L氯化60 min),Ca2+的浸出率达到65.7%,从RCF中提取出非常少量的其他金属(SiAlMgFe)。在过滤出的非晶态凝胶基质中,钙铁石和沸石类水合产物形成了新的水合相。使用氯化RCFCa2+浸出效率与常规酸性溶液(盐酸和醋酸)相似。此外,在氯化和盐酸溶剂中获得了类似的固体浸出残留物,而醋酸浸出残留物仅为非晶硅胶,这表明与氢氧化物离子相比,氯离子对金属提取的影响更大。

2 反应参数对RCF中钙提取效率的影响:(a)时间、(b)温度、(c)液固比和(d)氯化初始浓度。
 
  第二步,探究了时间(t)、温度(t)、二氧化碳注入压力(P)和氨水用量对碳化效率的影响(见图3-5),并对碳酸钙吸收量进行了评估和讨论。结果表明,碳酸化反应的最佳条件是,反应温度为25 °C,二氧化碳注入压力为0.025 MPa,氨水用量为1 mol/L,反应时间为30 min。结果表明,其碳化效率为91.4%1 kg RCF可以吸收270 g二氧化碳,产生615 g碳酸钙。应该注意的是,在二氧化碳封存计算中没有考虑到过程排放。

3 时间对滤液碳化效率的影响。(T: 25 °C; P: 0.025 MPa)

4(a) 0.025 MPa(b) 1 MPa的二氧化碳压力注入30 min条件下,温度对滤液碳化效率的影响。

5 氨水用量对滤液碳化效率的影响。(T:25°C;P:0.025 MPa;T:30 min)
 
  氨用量对碳酸盐产物形貌的影响如图6所示。扫描电镜图像显示,用化学计量量的氨水合成了由球形球霰石和立方方解石组成的碳酸化产物(图6b,图6c),与XRD结果相吻合。有趣的是,我们观察到碳酸盐产物,特别是球霰石颗粒,随着氨水剂量的增加而变得更密更大,这表明在高pH条件下形成了更稳定的晶体。

6 不同氨剂量下的碳酸盐产物(碳酸钙)的多种形态和形态:(a)不含氢氧化铵、(b) 1 mol/L(c) 2 mol/L

  本研究提出的间接碳化方案可以在几个小时内完成,这显示了在工业规模上的潜在应用前景。滤液的可重复使用性可以解决间接碳化技术中与大量废液有关的环境问题。此外,由RCF生产出的高纯度球霰石碳酸钙可以作为水泥的促进剂,以提高胶凝产物的早期强度。与纯方解石相比,六方晶体体系的球霰石对胶结性能有更好的影响。今后,可以考虑使用烟气进行碳化,以进一步优化实际工业应用中二氧化碳的消耗和球霰石的生产。
 
  • 作者简介

  Hamideh Mehdizadeh湖南大学土木工程学院博士后。主要研究方向固体废弃物碳化及资源化利用。以第一作者在CCRCCCRCR等期刊发表论文10余篇。
邮箱:hamideh.mehdizadeh@gmail.com