武 鴿， 劉艷芳， 崔龍鵬， 李紅偉， 侯吉禮， 王志強

(中國石化 石油化工科學研究院，北京 100083)

國際能源機構(gòu)(IEA)發(fā)布的《2018年全球能源和CO2現(xiàn)狀報告》中指出，2018年全球CO2排放量升高1.7%，達到了33.1×109t，刷新了歷史最高記錄[1]。針對國家減排CO2緊迫需求，研發(fā)經(jīng)濟高效CO2捕集與封存(CCS)技術(shù)具有重要意義。

礦物碳酸化封存CO2的概念自1990年Seifritz最先在《Nature》上提出，該技術(shù)具有能夠?qū)崿F(xiàn)CO2捕集與封存一體化的優(yōu)勢，被認為是基于胺法等溶劑法CO2捕集和地質(zhì)封存的可行替代方案[2-4]。溶劑法需要溶劑加熱再生，因溶劑損失嚴重、能耗大、運行成本高，限制了其發(fā)展[5-6]。地質(zhì)封存對于選址要求比較高，存在CO2泄漏風險，易對人類及生態(tài)環(huán)境造成影響[7-9]。前人研究表明，礦物碳酸化反應過程是指CO2與二價金屬氧化物(MO)反應生成金屬碳酸鹽(MCO3)，從而實現(xiàn)CO2捕集與封存一體化[10]。用于碳酸化反應的原料主要包括天然礦石(如蛇紋石和硅灰石)、工業(yè)固體廢物(如粉煤灰、鋼渣、電石渣等)。工業(yè)固體廢物(固廢)較天然礦石具有更大的優(yōu)勢：(1)企業(yè)或工業(yè)園區(qū)內(nèi)產(chǎn)出固廢與排放CO2共生；(2)工業(yè)固廢往往沒有地質(zhì)衍生的礦物質(zhì)穩(wěn)定，反應活性較高，只需要較低程度的預處理和較低能量密集的操作條件即可提高CO2封存能力[3]；(3)工業(yè)固廢含有較高堿性組分(鈣、鎂氧化物等)，其反應活性較高，具有較高的CO2封存潛力；(4)封存獲得的最終產(chǎn)品在諸如路基或其他建筑材料中可以無害化處置和資源化利用[11]。國內(nèi)外學者已經(jīng)研究了CO2與不同固廢(如石油焦氣化飛灰、燃燒飛灰等)干法直接氣-固反應和濕法直接氣-液-固礦物碳酸化路線技術(shù)的可行性[12-17]，指出直接氣-液-固濕法路線進行的礦物碳酸化過程比干法氣-固法更有效[16-17]。實驗研究表明，通過優(yōu)化溫度(T)、CO2初始壓力(p)、液/固比(L/S)、攪拌速率(r)和反應時間(t)等操作參數(shù)可以提高固廢的封存能力[16-19]。工業(yè)固廢因產(chǎn)排來源不同導致其化學成分、礦物組成存在差異性，會直接影響其CO2封存性能[20-21]。然而，文獻對不同工業(yè)固廢的性質(zhì)及碳酸化反應特性對比研究十分有限。

筆者采用直接濕法工藝，選擇產(chǎn)生量大、具代表性的工業(yè)固廢(源自氣化、燃燒、冶煉、化工等工藝)，通過高壓釜實驗、熱重(TG)分析計算和物相表征等比較研究，探討4種工業(yè)固廢CO2封存能力的規(guī)律性，揭示固廢碳酸化反應機理，為開發(fā)低成本綠色高效CO2捕集與封存集成技術(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗所用工業(yè)固體廢物包括粉煤氣化粉煤灰(以下簡稱GFA)、電廠燃燒粉煤灰(以下簡稱CFA)、鋼渣(以下簡稱SS)和電石渣(以下簡稱SS)。其中氣化粉煤灰(GFA)和電廠燃燒粉煤灰(CFA)統(tǒng)稱為粉煤灰(FA)。GFA包括天津某煉化廠煤氣化濾餅(以下簡稱GFA-1)、安慶某煉化廠煤氣化濾餅(以下簡稱GFA-2)，安慶某煉化廠煤氣化粗渣(以下簡稱GFA-3)和天津某煉化廠煤氣化粗渣(以下簡稱GFA-4)；CFA取自寧夏某電廠3批次煤燃燒細灰，分別記為CFA-1、CFA-2和CFA-3，一個煤燃燒粗渣，記為CFA-4；SS包括山東某不銹鋼廠鋼渣(記為SS-1)和山東某碳鋼廠鋼渣(記為SS-2)；CS取自寧夏某煤化工廠2批次電石渣，分別記為CS-1和CS-2。樣品首先經(jīng)105 ℃干燥至恒重，然后采用120和200目的篩子在振篩機上篩分5 min，得到粒徑為75～120 μm的樣品，裝袋密封保存用于下一步實驗。由XRF分析得到的固廢樣品的化學組成見表1，其中K為計算得到的樣品封存率。

實驗所用純CO2購于北京環(huán)宇京輝氣體科技有限公司，體積分數(shù)為99.9%；去離子水，采用威立雅PURELAB Flex超純水儀自制，電阻率為18.2 MΩ·cm。

1.2 實驗裝置

實驗裝置主要由高壓反應釜(KTFD06-20型，煙臺科立化工設(shè)備有限公司產(chǎn)品)、高純CO2氣源、在線記錄控制箱3部分組成。反應釜內(nèi)部體積0.6 L，工作壓力20 MPa，工作溫度300 ℃，工作轉(zhuǎn)速0～1000 r/min。氣瓶出口閥和高壓釜氣體進樣閥之間裝有一級減壓器和二級減壓器。采用傳感器測定釜內(nèi)溫度、壓力、轉(zhuǎn)速等，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并由計算機對其進行儲存及處理。

表1 固體廢物樣品的化學組成Table 1 Chemical composition of the solid waste samples

1.3 實驗步驟

將150 mL去離子水和10 g經(jīng)預先干燥的固廢樣品加入高壓釜中。在密閉條件下升溫至設(shè)定溫度65 ℃。隨后將高純度CO2氣體從氣瓶注入反應器中，使高壓釜內(nèi)的壓力穩(wěn)定在2 MPa，開啟機械攪拌，攪拌速率為200 r/min，同時開始計時。待反應達到2 h時停止加熱，使反應釜內(nèi)的溫度降至25 ℃。然后對反應釜內(nèi)的懸浮液用0.7 μm濾紙進行真空抽濾，抽濾后的固體產(chǎn)物放入恒溫干燥箱，105 ℃干燥12 h，并研磨均勻。最后采用分析表征方法對固體產(chǎn)物進行分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用德國NETZSCH公司的STA 449F3型熱重分析儀進行熱重實驗，測定不同固廢中的CO2質(zhì)量分數(shù)w(CO2)，進而得出固廢封存率K。稱取一定質(zhì)量的樣品在30 mL/min的N2氣氛下進行實驗：(1)起始溫度為50 ℃，以50 ℃/min的升溫速率升溫至105 ℃，恒溫10 min，對應水分質(zhì)量損失Δm50-105 ℃(g)，此時樣品的質(zhì)量為m105 ℃(g)；(2)以 50 ℃/min的升溫速率，從105 ℃升溫至 550 ℃，恒溫10 min，對應氫氧化物分解帶來的質(zhì)量損失Δm105-550 ℃(g)；(3)繼續(xù)以50 ℃/min的升溫速率，從550 ℃升溫至950 ℃，恒溫5 min，對應碳酸鹽分解帶來的質(zhì)量損失Δm550-950 ℃(g)。樣品中CO2質(zhì)量分數(shù)(w(CO2)，%)根據(jù)式(1)進行計算，固廢對CO2的封存率(K,%)根據(jù)式(2)計算[22]，結(jié)果見表1。

(1)

(2)

1.5 分析與表征

采用X射線熒光光譜(X ray fluorescence, XRF)技術(shù)分析固廢樣品的化學成分。采用Empyrean Panalytical型X射線衍射儀(X-ray diffraction, XRD)對碳酸化前后固廢樣品中礦物相進行定性分析。衍射條件為：Cu靶(λ=0.154 nm)，掃描角度范圍10°～70°，掃描步長為0.01°，管電壓40 kV，管電流40 mA。采用Bruker公司的Tensor27型傅里葉變換紅外光譜儀對碳酸化反應前后固廢樣品進行主要化學鍵分析，操作條件為：溴化鉀壓片，波數(shù)400～4000 cm-1，分辨率1 cm-1。采用FEI公司的Quanta-200型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察碳酸化反應前后固廢樣品的微觀形貌，工作時，首先將固廢樣品固定在環(huán)氧樹脂中，拋光，并安裝在樣品柱上，然后噴碳處理。操作條件為：電壓10 kV，電流密度45 μA/cm2，電子束角度90°。采用配套的能量色散譜(EDS)分析確定樣品的微區(qū)化學組成。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同工業(yè)固廢CO2封存量比較

表2 固廢樣品中CO2封存率與堿性組分含量的關(guān)系Table 2 The relationship between CO2 sequestration ratio andalkaline components contents of solid waste samples

T=65 ℃；p=2.0 MPa；r=200 r/min；t=2 h;V(Water)=150 mL;m(Solid waste)=10 g

結(jié)合表1和表2可以看出固廢樣品CO2封存率與堿性組分(CaO+MgO)含量具有一定的相關(guān)性?？傮w上來講，CO2封存率隨堿性組分含量的增加而增大。從CaO和MgO的含量看，碳酸化反應以CaO含量為主導。在3類4種工業(yè)固廢中，CS的CaO含量最高，SS次之，F(xiàn)A(GFA和CFA)中CaO含量遠低于前兩者，三者的CO2封存率與之對應，由大到小順序為CS、SS、FA，這說明，當3類工業(yè)固廢的CaO含量相差較大時，其CO2封存率與CaO含量成正相關(guān)。伊元榮等[23]研究電廠燃燒粉煤灰(w(CaO)為6.86%)在常溫常壓條件下的CO2封存率為0.08%。Chang等[24]用高壓釜進行碳酸化實驗得到鋼渣(w(CaO)為42.43%)的封存率為12.70%。任國宏等[25]發(fā)現(xiàn)，電石渣(w(CaO)為84.9%)的CO2封存率為61.3%。顯然，本實驗數(shù)據(jù)規(guī)律與上述文獻數(shù)據(jù)規(guī)律具有一致性。然而，由表1可知，對于同一類固廢(FA)而言，w(CaO)變化很大(2.32%～24.55%)，其CO2封存率均很低(0.36%～1.78%)，但CFA的CO2封存率卻稍微高于GFA，進一步可見，4個GFA樣品的w(CaO)變化很大(2.78%～24.55%)，其CO2封存率均低于0.84%；SS也出現(xiàn)同樣的結(jié)果，盡管SS-2的w(CaO)低于SS-1，但SS-2的CO2封存率卻高于SS-1。因此，固廢中CaO含量是影響其CO2封存率的重要因素，但并非唯一因素，各類固廢中鈣的物相也是影響其CO2封存率的關(guān)鍵因素。下面將討論鈣的物相存在形式對碳酸化反應特性的影響。

2.2 碳酸化反應前后固廢的熱重分析

選擇4種固廢中封存率最大的樣品(CS-2、SS-2、CFA-4、GFA-4)分別討論碳酸化反應前后固廢的熱分析特征。圖1為CS-2、SS-2、CFA-4、GFA-4樣品碳酸化反應前后的熱重曲線。由圖1可見，新鮮樣品CS-2和SS-2在105～550 ℃之間有明顯質(zhì)量損失，該質(zhì)量損失對應Ca(OH)2分解，表明新鮮 CS-2 和SS-2可能含有Ca(OH)2。但新鮮CFA-4和GFA-4在105～550 ℃之間沒有出現(xiàn)質(zhì)量損失現(xiàn)象，因此可以認為其不含Ca(OH)2。碳酸化反應后，CS-2、SS-2、CFA-4和GFA-4均在550～950 ℃之間出現(xiàn)質(zhì)量損失，該質(zhì)量損失對應CaCO3的分解，且質(zhì)量損失依次減弱。表明經(jīng)過碳酸化反應后，CS-2、SS-2、CFA-4和GFA-4均封存了一定量的CO2，且封存性能依次減小。

圖1 CS-2、SS-2、CFA-4、GFA-4樣品碳酸化反應前后熱重(TG)曲線Fig.1 Thermal gravimetrical (TG) curves of fresh andcarbonated CS-2, SS-2, CFA-4, GFA-4 samples

2.3 碳酸化反應前后固廢的物相分析

選擇3類4種固廢中CO2封存率K與鈣含量w(CaO)關(guān)聯(lián)特征變化的6個典型樣品(CS-1、CS-2、SS-1、SS-2、CFA-4、GFA-4)分別討論樣品碳酸化反應前后的物相變化規(guī)律。6個樣品碳酸化反應前后的物相XRD譜圖如圖2所示。由圖2(a)可見，電石渣CS-1和CS-2的封存率及物相譜圖基本一致，因此以CS-2為例討論。由圖2(a)中曲線(3)可見，電石渣CS-2新鮮原始樣品(原樣)中主要含有波特蘭(Ca(OH)2)和石灰(CaO)物相。CS原樣的TG分析結(jié)果也證明了因高含量的波特蘭(Ca(OH)2)分解導致在 105～550 ℃ 的質(zhì)量損失。由圖2(a)中曲線(4)可以看出，CS-2碳酸化反應后以方解石(CaCO3)為主，波特蘭(Ca(OH)2)和石灰(CaO)的衍射峰減弱甚至消失，說明Ca(OH)2和CaO與CO2碳酸化反應充分形成CaCO3，實現(xiàn)CO2封存。CS碳酸化反應后TG分析曲線在550～950 ℃之間出現(xiàn)CaCO3的質(zhì)量損失峰印證了這一推論。

由圖2(b)中曲線(5)可見，鋼渣SS-2原樣中主要含波特蘭(Ca(OH)2)，未見其他堿性礦物的衍射峰。由曲線(6)可以看出，SS-2碳酸化反應后，波特蘭(Ca(OH)2)峰明顯減弱，方解石(CaCO3)峰增強，說明SS-2原樣中的Ca(OH)2與CO2碳酸化反應生成CaCO3。相對比，由曲線(7)可見，鋼渣 SS-1 原樣中主要含硅酸鈣(CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、波特蘭(Ca(OH)2)和石灰(CaO)，由曲線(8)可以看出，SS-1碳酸化反應后以方解石(CaCO3)為主，波特蘭(Ca(OH)2)和石灰(CaO)峰減弱甚至消失，硅酸鈣(CaO·SiO2)和硅酸二鈣(2CaO·SiO2)峰減弱，說明SS-1原樣中的這些堿性礦物均與CO2碳酸化反應生成CaCO3，實現(xiàn)CO2封存。值得注意的是，相比w(CaO)較高的SS-1，SS-2的CO2封存率比SS-1高近一倍，主要與二者堿性礦物組成有關(guān)。SS-2中主要含 Ca(OH)2和CaO，反應后基本消失，而SS-1中含有Ca(OH)2、CaO、CaO·SiO2和2CaO·SiO2等多種堿性礦物，反應后仍然存在CaO·SiO2和2CaO·SiO2物相，但Ca(OH)2和CaO物相消失。因此，推測CaO、Ca(OH)2與CO2的反應性高于 2CaO·SiO2、CaO·SiO2，其碳酸化機理有待深入研究[3,22,24,26]。這將在2.6節(jié)進行詳細分析。

以鈣含量(w(CaO))最高的GFA-4和CFA-4為例對2種粉煤灰碳酸化反應前后的物相進行分析。由圖2(c)中曲線(9)可見，GFA-4原樣未見Ca(OH)2、CaO、CaO·SiO2和2CaO·SiO2等的衍射峰，說明其中的鈣為非晶相。由圖2(c)中曲線(10)可以看出，GFA-4碳酸化后的譜圖沒有明顯的變化，未出現(xiàn)CaCO3衍射峰。相對比，由圖2(c)中曲線(11)可見，CFA-4原樣出現(xiàn)了CaO的衍射峰，其他無機相主要為石英(SiO2)和莫來石(Al6Si2O13)。由圖2(c)中曲線(12)可以看出，CFA-4碳酸化反應后，石灰(CaO)衍射峰減弱甚至消失，出現(xiàn)了方解石(CaCO3)衍射峰，說明CFA-4中少量CaO與CO2反應轉(zhuǎn)化成CaCO3?？梢?，鈣含量高的粉煤灰中，鈣主要以非晶相存在，不與CO2反應。

圖2 碳酸化反應前后固廢樣品的XRD譜圖Fig.2 XRD spectra of fresh and carbonated solid waste samples(a) CS； (b) SS； (c) FA(1) CS-1； (2) Carbonated CS-1； (3) CS-2； (4) Carbonated CS-2; (5) SS-2； (6) Carbonated SS-2；(7) SS-1； (8) Carbonated SS-1； (9) GFA-4； (10) Carbonated GFA-4； (11) CFA-4； (12) Carbonated CFA-4

2.4 碳酸化反應前后固廢樣品的化學鍵分析

同樣選擇4種固廢中6個典型樣品(CS-1、CS-2、SS-1、SS-2、CFA-4、GFA-4)分別討論樣品碳酸化反應前后的化學鍵變化規(guī)律，紅外譜圖如圖3 所示?？梢钥闯?，電石渣CS-1和CS-2的CO2封存率以及紅外譜圖基本一致，因此以CS-2為例討論。由圖3(a)中曲線(3)可見，電石渣CS-2原樣的紅外譜圖不僅在3422 cm-1處出現(xiàn)寬大吸收譜帶，還在3644 cm-1處出現(xiàn)了較細的吸收譜帶。這都證明了波特蘭(Ca(OH)2)的存在，且該結(jié)果與物相分析以及熱重分析結(jié)果相一致。而且，在880 cm-1和 1450 cm-1處還存在C—O鍵的吸收譜帶，也與原樣的熱重分析結(jié)果相一致，說明原樣中本身存在CaCO3。由曲線(4)可見，電石渣CS-2碳酸化反應后，3644 cm-1處的吸收譜帶消失，880 cm-1和1450 cm-1處的C—O鍵的吸收譜帶明顯增強，并且在713 cm-1處生成了新的C—O鍵的吸收譜帶，充分證明電石渣CS-2封存了CO2。

由圖3(a)中曲線(5)和(7)可見，鋼渣SS-2和 SS-1 原樣的紅外譜圖與電石渣CS-1和CS-2原樣的譜圖相似，主要的化學鍵為—OH鍵(3422、3644 cm-1)和 C—O 鍵(880、1450 cm-1)。相比于SS-1，SS-2的吸收峰較強較尖銳，說明SS-2含有的Ca(OH)2和CaCO3比SS-1多。該結(jié)果與物相分析及熱重分析結(jié)果相一致，都證明了固廢樣品本身存在 Ca(OH)2和CaCO3。由圖3(b)中曲線(6)和(8)可見，鋼渣SS-2和SS-1碳酸化反應后，紅外譜帶與CS-1相同，證明鋼渣SS-2和SS-1都封存了CO2；說明 SS-2 的封存率比SS-1大。這與熱重分析結(jié)果相一致。

由圖3(a)中曲線(9)可見，GFA-4原樣的紅外譜圖中位于3422～3433 cm-1處存在寬大吸收譜帶，這是由樣品中各種不同狀態(tài)(主要是吸附水和結(jié)晶水)的水分子中O—H鍵的伸縮震動引起的，表現(xiàn)出明顯的疊加效應。所有的樣品在分析前都是烘干至恒重，因此，樣品中沒有游離水。曲線(9)中3700 cm-1以上的區(qū)域沒有任何吸收譜帶也證明了這一點[26]。460～467 cm-1和1045～1100 cm-1處的吸收譜帶是由于Si—O—Si鍵的伸縮振動引起的[27]。這與XRF分析(見表1)中石英(SiO2)是GFA-4的主要組成相一致。由圖3(b)中曲線(10)可見，GFA-4碳酸化反應后吸收譜帶基本沒有變化，說明主要的化學鍵沒有發(fā)生變化，再次證明GFA-4與CO2反應程度較低。相對比，由圖3(a)中曲線(11)可見，CFA-4原樣與GFA-4原樣的吸收譜帶較相似，主要的化學鍵是O—H鍵(3422～3433 cm-1)和Si—O—Si鍵(460～467 cm-1，1045～1100 cm-1)。由圖3(b)中曲線(12)可見，CFA-4碳酸化反應后，在1450 cm-1處出現(xiàn)了新的C—O鍵吸收譜帶，證明CFA-4封存了CO2?？梢姡M管2種粉煤灰封存率均很低，但燃燒粉煤灰(CFA)較氣化粉煤灰(GFA)

圖3 碳酸化反應前后固廢樣品的IR譜圖Fig.3 IR spectra of fresh and carbonated solid waste samples(a) Fresh samples; (b) Carbonated samples(1) CS-1； (2) Carbonated CS-1； (3) CS-2； (4) Carbonated CS-2；(5) SS-2； (6) Carbonated SS-2； (7) SS-1； (8) Carbonated SS-1；(9) GFA-4； (10) Carbonated GFA-4； (11) CFA-4；(12) Carbonated CFA-4

稍高一些。

2.5 碳酸化反應前后固廢樣品的微觀形貌及微區(qū)化學組成分析

選擇3類固廢中CO2封存率最高的代表性樣品(CS-2、SS-2、CFA-4)分別討論樣品碳酸化反應前后的微觀形貌及微區(qū)化學組成的特征。樣品 SEM-EDS 圖譜如圖4所示。由圖4(a)、(b)可見，電石渣CS-2原樣主要是大小不一的塊狀顆粒，碳酸化反應后微觀形貌發(fā)生了明顯的變化，產(chǎn)生了規(guī)則的菱面體顆粒和棒狀顆粒晶體聚集在一起，結(jié)合圖4(g)EDS分析，可以確定組成為CaCO3。該結(jié)果與物相分析XRD結(jié)果相一致，也與文獻[25]中得到的結(jié)果相似。

由圖4(c)、(d)可見，鋼渣SS-2原樣形貌是顆粒聚集在一起，內(nèi)部有一些分布不均的孔，碳酸化反應后微觀形貌發(fā)生了變化，生成大量的立方顆粒晶體(CaCO3)并聚集[26]。隨著反應的進行，生成的CaCO3顆粒覆蓋了原樣的表面，使樣品內(nèi)部尚未反應的Ca基活性物質(zhì)與CO2進一步反應的難度增加，從而使樣品封存CO2的能力受到限制，這與文獻[28-29]中得到的結(jié)果相似。

由圖4(e)、(f)可見，CFA-4原樣的形貌是大小不一的塊狀顆粒，碳酸化反應后外觀形貌發(fā)生了輕微的變化，有少量的CaCO3顆粒附著在原樣的表面。GFA-4碳酸化反應后未見CaCO3顆粒出現(xiàn)?？梢?種粉煤灰(CFA和GFA)封存CO2能力均很低。

圖4 碳酸化反應前后固廢樣品的SEM-EDS分析Fig.4 SEM-EDS analysis of fresh and carbonated solid waste samples(a) CS-2； (b) Carbonated CS-2； (c) SS-2； (d) Carbonated SS-2； (e) CFA-4； (f) Carbonated CFA-4； (g) EDS of CS-2

2.6 不同工業(yè)固廢碳酸化反應的機理分析

CO2+H2O?H2CO3

(3)

H2CO3?HCO3-+H+

(4)

HCO3-?CO32-+H+

(5)

(6)

對應式(6)：

(7)

Ca(OH)2+CO2+H2O→CaCO3+2H2O

(8)

對應式(8)：

(9)

CaO·SiO2+CO2+H2O→CaCO3+SiO2·H2O

(10)

對應式(10)：

(11)

(12)

對應式(12)：

(13)

2.7 利用工業(yè)固廢礦化封存CO2的應用前景

2019年5月，國際能源署發(fā)布《通過碳捕獲、利用與封存(CCUS)實現(xiàn)工業(yè)變革》，并制定了與《巴黎協(xié)定》路徑相一致的清潔技術(shù)方案(CTS)，在該方案中CCUS貢獻了整個工業(yè)部門所需減排量的近五分之一，到2060年，工業(yè)生產(chǎn)過程中將完成28 Gt以上的二氧化碳捕獲量，其中絕大多數(shù)來自熱電、水泥、鋼鐵和化工企業(yè)，這些企業(yè)同時產(chǎn)排大宗工業(yè)固體廢物(粉煤灰、電石渣、鋼渣等)，因此，開發(fā)固廢礦化封存CO2技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程實現(xiàn)二氧化碳減排方面必將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

固廢直接礦化封存CO2因其技術(shù)特點和優(yōu)勢而具有廣闊應用潛力[33]。(1)實現(xiàn)CO2捕集與封存原位一體化。該技術(shù)只需在現(xiàn)有煙氣處理系統(tǒng)后增加捕集封存CO2裝置，就能夠?qū)崿F(xiàn)CO2排放源與固體廢物排放源一體化，從而節(jié)省大量礦化固廢原料運輸成本；(2)利用碳酸化反應的副反應(固廢中有毒有害金屬元素等的穩(wěn)定化和固化反應)，能夠減少環(huán)境污染。Tawfic等[34]、Baciocchi等[35]、Pan等[36]研究均證實，灰渣和鋼渣經(jīng)CO2碳酸化處理后pH值調(diào)節(jié)至中性，有利于固廢中重金屬的穩(wěn)定化固化，可以實現(xiàn)大宗固廢安全處置；(3)實現(xiàn)碳酸化反應后碳酸鹽產(chǎn)品綜合利用。Ji等[4]、Pan等[36]、Wee等[37]發(fā)現(xiàn)，利用灰渣或鋼渣礦化封存CO2可以提高水泥質(zhì)量，因其中含有的石灰通常會造成水泥的膨脹和開裂，但通過碳酸化反應后其含有的石灰已經(jīng)轉(zhuǎn)換成CaCO3，從而增強其強度和耐久性?；诠P者對3類4種工業(yè)固廢的碳酸化反應性能對比研究結(jié)果，可預見富含鈣基活性組分的固廢礦化捕集封存CO2技術(shù)具有低成本、一體化、綠色化、規(guī)?；染C合優(yōu)勢，在主要二氧化碳排放的熱電、水泥、鋼鐵等企業(yè)必將有廣泛的應用前景 。

3 結(jié) 論

(2)通過TG、XRD、IR和SEM-EDS等分析表征及碳酸化反應機理研究表明，不同工業(yè)固廢的CO2封存率不僅與堿性組分含量(以w(CaO)為主)有關(guān)，更與鈣基活性物相類型及反應特性密切相關(guān)。在鈣基活性組分中，石灰(CaO)和波特蘭(Ca(OH)2)是封存CO2的主要活性物相，硅酸二鈣(2CaO·SiO2)和硅酸鈣(CaO·SiO2)為次要活性物相。在2種CO2封存率很低的粉煤灰中，鈣的存在均以非晶相為主，不與CO2反應。但因CFA中含少量石灰(CaO)，故其CO2封存率較GFA稍高。

(3)3類大宗工業(yè)固廢(電石渣、鋼渣、粉煤灰)因生產(chǎn)原料和產(chǎn)出工藝差異，其碳酸化反應特性差異很大。電石渣和鋼渣的CO2封存率較高，具有良好的CO2捕集封存能力。這些固廢直接礦化捕獲封存CO2是低成本、一體化、綠色化、規(guī)?；囊詮U治廢重要途徑，具有廣泛應用前景。