一種粉煤灰基二氧化碳固化劑及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及二氧化碳固化劑技術領域，尤其涉及一種粉煤灰基二氧化碳固化劑及 其制備方法。
【背景技術】
[0002] 自工業革命以來，人類向大氣中排入的二氧化碳等吸熱性強的溫室氣體逐年增 加，大氣的溫室效應也隨之增強，已引起全球氣候變暖、海平面上升等一系列嚴重問題，威 脅著人類的生存和發展。
[0003] 引起溫室效應的溫室氣體主要有C02、CH4、N 2CKO3、氯氟烴和水氣等，其中，0)2貢獻 率達到70%，為全球變暖的罪魁禍首。
[0004] 我國是世界上煤炭生產和消費大國，21世紀主要能源仍然是煤炭。據報道，2006 年末，中國已經超過美國成為世界上二氧化碳排放量最大的國家。因此，我國的CO 2減排壓 力非常大，很有必要開展具有資源特色的〇)2減排技術的研宄，從而在全球科技競爭中處于 積極的地位。
[0005] 大量報道表明，對火電廠、煉油廠、水泥廠等二氧化碳集中排放源進行碳捕集與封 存可有效、長久地實現碳減排。目前，國際上采用的CO 2捕集方案主要有：海洋封存、植物固 碳、地質封存等。海洋埋存受到地理限制，植物固碳又需要很長的時間才能顯示出成效，而 地質埋存則埋存量大，安全系數高，且能夠實現CO 2的永久埋存，具有較大的優勢。礦物碳 酸化屬于地質埋存的其中一種。
[0006] 礦物碳酸化固定二氧化碳的效果與固化劑密切相關，良好的固化劑材料不僅要成 本低廉，而且要有利于CO 2的吸附。高比表面積、高孔隙率及大量的堿金屬存在均有利于的 CO2吸附。目前，已有不少學者對礦物固化CO2進行了研宄，主要使用的固化劑有鋼渣、高嶺 土、廢棄建材、陶瓷、改性活性炭等。但是利用粉煤灰固定CO 2卻鮮有研宄，粉煤灰是燃煤的 產物，其具有高的比表面積，且粉煤灰中含有CaO等堿金屬氧化物，具備碳酸化吸附固定CO 2 的可能。
[0007] 我國燃煤排放的大量粉煤灰已經是當前最主要的大宗固廢之一，隨著電力工業的 發展，燃煤電廠的粉煤灰排放量逐年增加。2010年達到3億噸，2011年增加到5. 4億噸，到 2020年，我國粉煤灰的年總排放量將是現在的3倍左右，加上目前我國已有的20億噸粉煤 灰累積堆存量，總的將會達到30多億噸，給我國的國民經濟建設及生態環境造成巨大的壓 力。大量的粉煤灰不加處理，就會產生揚塵，污染大氣，若排入水系會造成河流淤塞，而其中 的重金屬等有毒化學物質還會對人體和生物造成危害。
[0008] 為了提高資源綜合利用水平，國家發改委根據《"十二五"資源綜合利用指導意見》 提出了《大宗固體廢物綜合利用實施方案》，其中對于粉煤灰的綜合利用提出了要在2015 年其綜合利用率達到70%，僅次于農作物秸桿以及煤矸石，并鼓勵在建筑新材料、礦區生態 修復中的綜合利用，可見國家對于粉煤灰的處理與利用給予了高度重視。
[0009] 根據以廢制廢的思想，利用大宗固廢粉煤灰作為固化劑對溫室氣體CO2進行固化， 是捕集CO2、減少溫室效應、同時對粉煤灰進行綜合利用的有發展潛力的新的有效途徑。
[0010] 利用粉煤灰作為礦物固定材料進行二氧化碳碳酸化封存的研宄才剛剛起步，國內 外學者對粉煤灰基CO 2固化劑進行了研宄。然而，在成本控制與實驗方案簡易性方面存在 不足，需要在粉煤灰基固化劑復合配方與實驗條件選擇上進行改進，對固化劑在固化二氧 化碳過程中有毒有害元素的釋放還需要進一步研宄。
【發明內容】
[0011] 本發明所要解決的技術問題是克服現有固化劑的不足，在粉煤灰基固化劑復合配 方與實驗條件選擇上進行改進，提供一種粉煤灰基二氧化碳固化劑及其制備方法，本發明 提供的粉煤灰基二氧化碳固化劑可用于礦物封存二氧化碳，減少溫室效應，并且消石灰的 摻入降低粉煤灰碳酸化后的浸出毒性，提供了一種對粉煤灰進行綜合利用的有發展潛力的 新的有效途徑。
[0012] 本發明采用如下技術方案：
[0013] 本發明的粉煤灰基二氧化碳固化劑是由粉煤灰、消石灰和氧化鋁組成。粉煤灰、 消石灰和氧化鋁的重量比為3-4. 5:1. 5-3:2。優選：粉煤灰、消石灰和氧化鋁的重量比為 3:3:2〇
[0014] 所述的粉煤灰為電廠燃煤產物，具有較高的比表面積，且含有CaO等堿金屬氧化 物。
[0015] 所述的消石灰為分析純Ca (OH) 2。
[0016] 所述的氧化鋁為分析純A1203。
[0017] 本發明的粉煤灰基二氧化碳固化劑的制備方法的具體步驟如下：
[0018] (1)按配比稱取粉煤灰、消石灰和氧化鋁；
[0019] (2)將粉煤灰、消石灰和氧化鋁加入容器中，并加入去離子水，去離子水與容器中 原料總質量的體積重量比為I: lml/g，攪拌使其混合充分，再用磁力攪拌器充分攪拌3h，取 出于105°C下烘干，置于馬弗爐內300°C焙燒lh，取出冷卻，用密封袋保存，貼好標簽，即得 到粉煤灰基二氧化碳固化劑。
[0020] 本發明提供的粉煤灰基二氧化碳固化劑采用的基體材料粉煤灰是煤礦大宗廢物， 來源廣泛，具有高的比表面積，且粉煤灰中含有CaO等堿金屬氧化物，具備碳酸化吸附固定 CO2的可能，可作為固化劑制備中的大摻量物料。同時，利用消石灰改善粉煤灰中堿土金屬 含量，氧化錯的加入則可以有效的提尚材料中的孔隙率，尚孔隙率將有利于碳酸化時CO 2在 反應體系中的擴散，從而提高固化效率。因此，二者可作為復摻吸附材料。對混合后的材料 進行高溫灼燒，有利于孔隙成型，但是溫度不宜過高，過高則會引起材料燒結，不利于碳酸 化反應的進行。
[0021] 本發明的積極效果如下：
[0022] (1)在固化劑復合配方上進行了改進，用粉煤灰混合一定比例的消石灰、氧化鋁制 備而成，且當粉煤灰和消石灰比例為1:1時，碳固定量最高，并且消石灰的摻入降低粉煤灰 碳酸化后的浸出毒性，主要針對重金屬的浸出；
[0023] (2)粉煤灰是燃煤的產物，是我國當前最主要的大宗固廢之一，采用大宗固廢粉煤 灰對溫室氣體二氧化碳進行碳酸化封存，達到"以廢制廢"的目的；
[0024] (3)粉煤灰是電廠燃燒的產物，而電廠也正是大量排放0)2的主要工礦企業，因此， 利用粉煤灰基固化劑還能夠實現原位固化CO 2，達到減少運輸成本的目的；
[0025] (4)固化劑在固定CO2之后，可用于水泥及混凝土等建材的加工、廢棄礦井的填充 和農田復墾等，實現廢物的二次利用。
【附圖說明】
[0026] 圖1為實施例1的粉煤灰基二氧化碳固化劑的碳捕獲反應前后物象變化圖；
[0027] I: Si02、2: Al203、3: Ca0、4 :CaC03〇
[0028] 圖2-1為實施例1的粉煤灰基二氧化碳固化劑的碳捕獲反應前熱重-差熱變化 圖。
[0029] 圖2-2為實施例1的粉煤灰基二氧化碳固化劑的碳捕獲反應后熱重-差熱變化 圖。
[0030] 圖3-1為實施例1的粉煤灰基二氧化碳固化劑的碳捕獲反應前微觀形貌變化圖。
[0031] 圖3-2為實施例1的粉煤灰基二氧化碳固化劑的碳捕獲反應后微觀形貌變化圖。
[0032] 圖4為碳酸化反應模擬實驗系統示意圖；
[0033] 1二氧化碳鋼瓶、2減壓閥、3流量計、4三通閥、5氯化鈣溶液瓶、6氮氣鋼瓶、7反應 釜、8控制箱。
[0034] 圖5-1為AS在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量示意圖（mg/kg)。
[0035] 圖5-2為Cd在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量示意圖（mg/kg)。
[0036] 圖5-3為Cr在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量示意圖（mg/kg)。
[0037] 圖5-4為Cu在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量示意圖（mg/kg)。
[0038] 圖5-5為Ni在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量示意圖（mg/kg)。
[0039] 圖5-6為Pb在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量不意圖（mg/kg)。
[0040] 圖5-7為Zn在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量示意圖（mg/kg)。
【具體實施方式】
[0041] 為了更好地理解本發明，下面結合附圖、實例進一步闡明本發明的內容，但本發明 的內容不僅僅局限于下面的實例；也不應視為對本發明的限制。
[0042] 下述實施例1中粉煤灰從徐州華美電廠堆灰場處取得，主要成分為Si02、A1 203、 CaO和Fe2O3等金屬氧化物；氧化鋁為分析純Al 203由廣東省化學試劑工程技術研宄開發中 心提供，實施例2中消石灰為分析純Ca(OH) 2由無錫市亞盛化工有限公司提供。
[0043] 實施例1 :
[0044] 按1:1比例分別稱取粉煤灰和消石灰各300g及200g氧化鋁于IL的燒杯中，加適 量水，用玻璃棒攪拌，使其能混合充分。然后用磁力攪拌器充分攪拌3h。取出于105°C下烘 干。至于馬弗爐內300°C焙燒lh。取出冷卻，用密封袋保存，貼好標簽，即得到粉煤灰基二 氧化碳固化劑。該粉煤灰基二氧化碳固化劑碳捕獲反應前后化學組成的變化見表1，碳捕獲 反應前后物象變化圖、碳捕獲反應前后熱重-差熱變化圖、碳捕獲反應前后微觀形貌變化 圖分別見圖1、圖2-1、2-2和圖3-1、3-2。
[0045] 表1實施例1的粉煤灰基二氧化碳固化劑反應前后化學組成的變化
[0046]
【主權項】
1. 一種粉煤灰基二氧化碳固化劑，其特征在于：所述的粉煤灰基二氧化碳固化劑是由 粉煤灰、消石灰和氧化鋁組成。
2. 如權利要求1所述的粉煤灰基二氧化碳固化劑，其特征在于：粉煤灰、消石灰和氧化 鋁的重量比為3-4. 5: L 5-3:2。
3. 如權利要求1所述的粉煤灰基二氧化碳固化劑，其特征在于：粉煤灰、消石灰和氧化 鋁的重量比為3:3:2。
4. 如權利要求1-3任一項所述的粉煤灰基二氧化碳固化劑，其特征在于：所述的粉煤 灰為電廠燃煤產物，具有高比表面積，且含有堿金屬氧化物。
5. 如權利要求1-3任一項所述的粉煤灰基二氧化碳固化劑，其特征在于：所述的消石 灰為分析純Ca (OH)2。
6. 如權利要求1-3任一項所述的粉煤灰基二氧化碳固化劑，其特征在于：所述的氧化 鋁為分析純Al2O 3C1
7. -種制備如權利要求1-6任一項所述的粉煤灰基二氧化碳固化劑的方法，其特征在 于：所述方法的具體步驟如下： (1) 按配比稱取粉煤灰、消石灰和氧化鋁； (2) 將粉煤灰、消石灰和氧化鋁加入容器中，并加入去離子水，去離子水與容器中原料 總質量的體積重量比為I: lml/g，攪拌使其混合充分，再用磁力攪拌器充分攪拌3h，取出于 105°C下烘干，置于馬弗爐內300°C焙燒lh，取出冷卻，用密封袋保存，貼好標簽，即得到粉 煤灰基二氧化碳固化劑。
【專利摘要】本發明公開了一種粉煤灰基二氧化碳固化劑及其制備方法，發明的粉煤灰基二氧化碳固化劑是由粉煤灰、消石灰和氧化鋁組成。粉煤灰、消石灰和氧化鋁的重量比為3-4.5:1.5-3:2。且當粉煤灰和消石灰比例為1:1時，碳固定量最高，并且消石灰的摻入降低粉煤灰碳酸化后的浸出毒性，主要針對重金屬的浸出；粉煤灰是燃煤的產物，是我國當前最主要的大宗固廢之一，采用大宗固廢粉煤灰對溫室氣體二氧化碳進行碳酸化封存，達到“以廢制廢”的目的。
【IPC分類】B01D53-81, B01D53-62
【公開號】CN104740995
【申請號】CN201510093355
【發明人】周來, 徐瀟, 徐書杰, 茅佳俊, 劉清
【申請人】中國礦業大學
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年3月2日