Life cycle assessment of upcycling waste slag via CO2 Pre-treatment: Comparative study of carbonation routes
第一作者：邵欣通讯作者：林忠财
其他作者：Hamideh Mehdizadeh, 李路帆
通讯单位：湖南大学土木工程学院
论文DOI: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.134115
论文50天免费下载链接: https://authors.elsevier.com/c/1fvu33QCo9fE%7E9
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黄磷渣(YPS)和碱性氧炉渣(BOFS)等工业副产品的矿物碳化(MC)被认为是一种将废物转化为建筑行业有价值的产品和隔离CO2的有效方法，它可以直接在干燥（干法碳化）或有水条件（浆体碳化）下进行。但干法碳化反应速度慢、CO2固定效率低等问题阻碍了MC技术的成功发展，而浆体碳化在工业应用中面临的关键挑战是耗水量大。因此，本研究评估了YPS和BOFS通过干法（DC）和浆体（AC）进行碳化，并将这些经过CO2处理的废渣用作辅助胶凝材料（SCMs）生产水泥试块的环境影响。生命周期评估（LCA）结果表明，与DC相比，AC对YPS和BOFS的碳排放(11.3%和214.0%)和人体致癌毒性(2.4%和0.2%)影响较低，但会在矿产资源稀缺和水资源消耗方面产生更严重影响。另一方面，BOFS的浆体碳化过程导致的碳排放大大低于YPS甚至可以实现负排放，在人类致癌毒性、矿产资源稀缺和水消耗方面也有相似的结果。碳化过程的排放随着碳化时间的延长而增加。除了碳排放效益外，与纯水泥净浆样品相比，使用20%浆体碳化YPS（AC-YPS）和20%浆体碳化BOFS（AC-BOFS）作为SCMs对水泥试块强度没有明显影响。
本研究的目的是比较YPS和BOFS的两种碳化路线(DC和AC)（如图1所示）对环境的影响，以及在水泥试块生产中使用这些碳化后的产品作为SCMs的环境效益。从材料制备到混合水泥试块制造(从摇篮到大门)的总环境影响通过LCA进行量化，它包括以下两个系统边界(图2):
系统边界1：YPS和BOFS分别通过DC和AC途径进行碳化(如绿框所示)；本研究的目的是比较YPS和BOFS的两种碳化路线(DC和AC)（如图1所示）对环境的影响，以及在水泥试块生产中使用这些碳化后的产品作为SCMs的环境效益。从材料制备到混合水泥试块制造(从摇篮到大门)的总环境影响通过LCA进行量化，它包括以下两个系统边界(图2):
系统边界2：碳化后的YPS/BOFS和原始YPS以10%和20%的比例替代水泥(如橙色框所示)。
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| 图1 干法碳化和浆体碳化示意图 | |
图2 本研究中的系统边界。
对两种废渣的碳化途径的环境评估表明（图3(a)），YPS和BOFS的浆体碳化导致的全球变暖潜能（GWP）值分别比DC低11%和214%。两种碳化途径的碳排放都主要来自于碳化过程的能量消耗。BOFS由于吸收CO2和避免填埋(BOFS回收)而产生的积极环境影响几乎可以抵消操作过程中的排放，特别是在浆体碳化的情况下，达到约187 kg的负CO2排放。
由于YPS是一种无毒物质，所以两种碳化途径的导致的人体致癌性没有显著差异（图3(b)）。而由于垃圾填埋过程中的金属析出等问题，BOFS的回收能极大程度上减少人类致癌毒性。避免填埋也导致YPS和BOFS在矿产资源稀缺性上存在巨大差异。在耗水量方面，AC耗水量明显高于DC，尤其是YPS，大约为BOFS的3倍。
图3 YPS和BOFS干法碳化和浆体碳化的中点评价结果。
端点影响分析表明（图4），与YPS相比，BOFS碳化对人类健康、生态系统质量和自然资源三个方面的影响都较小，这主要是因为BOFS的回收避免了填埋过程中大量金属离子的析出。由于碳化所需时间长，耗能大，YPS碳化的细颗粒物形成潜力明显高于BOFS，对人体健康影响较大，而BOFS碳化过程的能耗对人类健康的不利影响可以通过避免BOFS填埋来补偿。
图4 YPS和BOFS干法碳化和浆体碳化归一化端点影响评价结果。
对系统边界2的分析表明（图5），水泥生产仍是水泥试块生产过程中碳排放最高的过程(超过90%)。使用碳化废渣作为SCMs可以在不影响抗压强度的情况下减少碳排放，但由于其对水泥试块整体碳排放的贡献不到10%，因此即使替代率从10%提高到20%，碳排放也只能减少6-14%。使用原始YPS（Raw- YPS）作为SCM比浆体碳化后的YPS（AC-YPS）更环保，但AC-YPS混合水泥试块的强度优于Raw-YPS。用20% AC-YPS替代水泥对强度没有影响，但可有效降低11%的全球变暖潜力。干法碳化BOFS（DC-BOFS）和浆体碳化BOFS（AC-BOFS）的添加对混合水泥试块强度的影响几乎相同，但由于BOFS的循环利用，20%的AC-BOFS混合水泥试块碳足迹最低，比纯水泥试块约低24%。
图5 与OPC相比，不同替换率的Raw-YPS、DC-BOFS、AC-YPS和AC-BOFS的水泥试块的GWP值和28天抗压强度。
- 作者简介
邵欣，湖南大学土木工程学院，19级博士，主要研究涉及建筑材料的碳化及生命周期评估，博士期间已在国内外期刊发表论文2篇。
邮箱：shaoxin@hnu.edu.cn
