廢棄混凝土資源化技術(shù)路線的探究

摘 """""要： 隨著中國現(xiàn)代化發(fā)展，出現(xiàn)大量建筑垃圾，建筑全生命周期碳排放占比超過"40%^[1]，這些建筑垃圾中混凝土占60％。如果不恰當(dāng)?shù)乩眠@些廢舊混凝土，不僅會造成資源的浪費(fèi)，還會造成環(huán)境的污染。利用廢舊混凝土并使用堿熔融水熱法制備硅酸鹽礦物鈣水化石榴石（Ca₃Al₂（SiO₄）（OH）₈）固體吸附劑，在303"K、103.99"kPa條件下CO₂吸附量達(dá)到了1.83 mmol·g^-1。為了實(shí)現(xiàn)部分廢舊混凝土資源化并減少二氧化碳危害，達(dá)到以廢治廢的目的，對鈣水化石榴石固體吸附劑的制備過程和吸附性能進(jìn)行了探究。

關(guān) "鍵 "詞：廢棄混凝土；鈣水化石榴石；以廢治廢；氣體吸附

中圖分類號：TQ178"""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A """"文章編號： 1004-0935（2024）07-0997-04

廢棄混凝土是在現(xiàn)代化進(jìn)程中建筑物的拆毀與維護(hù)、路面翻新、工程施工等造成的建筑垃圾。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑行業(yè)也同樣發(fā)展迅猛。在發(fā)展的同時(shí)，每年建筑垃圾的堆積數(shù)量也屢創(chuàng)新高，預(yù)計(jì)2026年一整年所處理的建筑垃圾數(shù)量達(dá)到40億t，在其中一半以上是廢棄混凝土。按照以往堆積填埋的處理方式，這些建筑垃圾不僅會消耗人力、物力、財(cái)力，還會造成土壤和水資源以及空氣的污染，還可能因?yàn)殡S意堆積產(chǎn)生安全隱患。所以混凝土的垃圾資源化變得尤為重要。國內(nèi)的混凝土資源化的潛力較大，廢舊混凝土較多利用在再生骨料和再生混凝土等^[2-7]。建筑垃圾的資源化若想要得到根本性的改善，進(jìn)一步助力建筑垃圾的綜合利用的途徑尤為關(guān)鍵。

在廢舊混凝土的危害下，溫室效應(yīng)的危害也在逐步增加。溫室效應(yīng)會引起全球溫度變高造成一系列自然災(zāi)害^[8]。目前溫室氣體的排放中二氧化碳的排放占溫室氣體的比重最大，是產(chǎn)生溫室效應(yīng)的主要因素。

廢舊混凝土含有豐富的硅和鋁的元素。目前含有硅鋁元素的一些廢棄物例如粉煤灰、高爐渣等可被用作“碳捕集”固體吸附劑的原材料。2019年車帥等^[9]研究了利用高嶺土運(yùn)用堿熔融的合成方法制備沸石CHA，并探究了沸石CHA的CO₂吸附性能。研究表明在一定的硅鋁元素比例和適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件中，可生成沸石CHA。在壓力為125"kPa、溫度為30"℃的情況下對CO₂的吸附量達(dá)到1.81"mmol·g^-1。羅俊韜等^[10]通過粉煤灰高溫焙燒活化和酸浸除雜后，提取粉煤灰中的硅鋁元素作為合成分子篩的硅源和鋁源，經(jīng)水熱晶化法成功制備了高結(jié)晶度的NaA型分子篩。

根據(jù)化學(xué)成分的不同，可將石榴石^[11]分為6種，即鐵鋁石榴子石、紅榴石、錳鋁石榴石、鈣鋁榴石、鈣鐵石榴石及鈣鉻榴石，可用化學(xué)式X₃Y₂（SiO₄）₃表示。本文研究對象為水鈣鋁榴石的交代產(chǎn)物鈣水化石榴石，化學(xué)式為Ca₃Al₂（SiO₄）（OH）₈，鈣水化石榴石作為固體吸附劑的一種利用材料具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)和比表面積優(yōu)勢，通過范德華力或者弱的化學(xué)鍵對吸附質(zhì)進(jìn)行吸附。

本文利用廢舊混凝土制備固體吸附劑，捕集二氧化碳，以廢治廢，不僅能對廢舊混凝土的資源化提供多元利用途徑，還可以貫徹降碳理念，對節(jié)能減排具有較大的意義。

1 "實(shí)驗(yàn)部分

1.1 "試劑與設(shè)備

試劑：自制混凝土、氫氧化鈉、偏鋁酸鈉、去離子水、高純二氧化碳。

設(shè)備：箱式實(shí)驗(yàn)電爐，SXL-1700，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所；斷水自控蒸餾水器，DZ-5L，北京中興偉業(yè)世紀(jì)儀器有限公司；數(shù)顯恒溫磁力攪拌器，HL-4A，常州榮華儀器制造有限公司；電子天平，YP-B2003，上海光正醫(yī)療儀器有限公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱，101-1ES，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；X 射線衍射儀，XRD-7000，日本島津公司。

1.2""自制混凝土合成處理及化學(xué)成分

在廢舊混凝土的處理中，大部分為民用建筑工程使用的國標(biāo)普通硅酸鹽P.O 42.5水泥。又由于實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性的原因，本文利用的C25型號混凝土由國標(biāo)普通硅酸鹽P.O 42.5水泥、天然砂子細(xì)骨料和天然石子粗骨料配比合成。將配置好的混凝土在室內(nèi)環(huán)境下放置兩天。將自制混凝土樣本使用磨料機(jī)進(jìn)行研磨，研磨制備粒徑為200目（0.075 mm）的試樣。混凝土的化學(xué)組成如表1所示。

1.3""實(shí)驗(yàn)合成過程

將經(jīng)過磁選的自制混凝土利用偏鋁酸鈉補(bǔ)充鋁源，按n（SiO₂）∶n（Al₂O₃）為4∶1配比實(shí)驗(yàn)。利用電子天平稱量5"g自制混凝土、10"g氫氧化鈉、0.7"g偏鋁酸鈉，放入剛玉坩堝中混合均勻。將混合好的固體粉末放置在高溫爐中550"℃下煅燒2"h。待煅燒產(chǎn)物冷卻后將冷卻物研磨。研磨后的煅燒產(chǎn)物放入燒杯中加入60"mL的去離子水并放入磁力攪拌器恒溫?cái)嚢杈鶆颍缓笤诤嫦渲?90"℃下保溫48"h。48"h后取出，反復(fù)洗滌至中性，過濾、干燥。

1.4""樣品表征

利用XRD對合成產(chǎn)物進(jìn)行成分表征，測試條件為"λ=0.1540"6 nm，管壓30 kV，管流20 mA，狹縫0.6 mm，掃描角度范圍5°"～60°。

2 "結(jié)果與討論

2.1 "樣品XRD分析

合成的鈣水化石榴石XRD圖譜如圖1所示。由圖1可以看出，鈣水化石榴石主要展現(xiàn)了在2θ"為17.56°、20.30°、26.97°、28.88°、32.37°、39.91°、45.20°、53.43°、55.63°處的典型特征峰，這些峰形尖銳、清晰，反映了樣品的高結(jié)晶度，經(jīng)過相對結(jié)晶度計(jì)算以及峰擬合，確定相對結(jié)晶度為86.23%。

2.2 "鈣水化石榴石吸附性能的研究

2.2.1""吸附壓力和溫度對附量的影響

為了研究吸附壓力對Ca₃Al₂（SiO₄）（OH）₈氣體吸附量的影響，本實(shí)驗(yàn)利用物理吸附分析儀對CO₂在Ca₃Al₂（SiO₄）（OH）₈上的氣體吸附量進(jìn)行測試。圖2為Ca₃Al₂（SiO₄）（OH）₈在363、333、303"K溫度下以吸附壓力為橫軸、氣體吸附量為縱軸的散點(diǎn)圖。

由圖2可以看出，在相同溫度下的吸附量受吸附壓力的影響非常明顯，在0～100 kPa范圍內(nèi)是隨著吸附壓力的上升而增大。同時(shí)在壓力范圍相同時(shí)，吸附隨著溫度的增高而減少。當(dāng)吸附壓力較低時(shí)鈣水化石榴石吸附量的增大較快，這是因?yàn)樵谖搅枯^低時(shí)吸附的CO₂分子只占據(jù)了鈣水化石榴石內(nèi)部較少數(shù)量的吸附位，此時(shí)進(jìn)入鈣水化石榴石孔道的CO₂分子在鈣水化石榴石內(nèi)部的擴(kuò)散阻力小，且在吸附位附近受到多方向和陽離子之間的誘導(dǎo)力作用，其氣體吸附量隨著壓力的上升呈近似線性增大。而隨著吸附壓力的增加，CO₂吸附量也逐漸增加，在鈣水化石榴石內(nèi)部越來越多的吸附位被CO₂分子所占據(jù)，氣體分子在鈣水化石榴石內(nèi)部擴(kuò)散的阻力逐漸增大，鈣水化石榴石對CO₂的吸附也趨于飽和狀態(tài)，因此在吸附壓力較高時(shí)，CO₂吸附量受吸附壓力變化的影響逐漸減弱。同時(shí)在壓力范圍相同時(shí)，吸附量隨溫度的增高而減少。這是因?yàn)殁}水化石榴石吸附CO₂的過程為放熱過程，并且是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過程，因此溫度的升高使吸附的平衡狀態(tài)向趨于氣相一側(cè)移動(dòng)，造成鈣水化石榴石對CO₂的吸附能力減弱。鈣水化石榴石在不同溫度對CO₂的吸附量如表2所示。

2.2.2""吸附熱力學(xué)Dual-site-Langmuir探究

在氣體分子被吸附和解吸的過程中，會伴隨著熱量的釋放和吸收，熱力學(xué)分析可以深入揭示吸附劑吸附氣體分子的機(jī)理。利用Dual-site-Langmuir^[12]方程，求得不同溫度下等溫線的表達(dá)式，進(jìn)而確定等溫?cái)M合曲線。其擬合情況如圖3所示。

由圖3可知，Dual-site-Langmuir方程的擬合曲線和實(shí)測吸附數(shù)據(jù)有較高的相似度，可以近似預(yù)測吸附趨勢，符合典型的微孔Langmuir模型，擁有吸附速度快以及可逆吸附等特點(diǎn)，與一些人工合成的沸石的吸附特點(diǎn)相似。

3""結(jié) 論

1）利用廢舊混凝土合成固體吸附劑吸附二氧化碳具有可行性。廢舊混凝土合成的鈣水化石榴石在n（SiO₂）∶n（Al₂O₃）為4∶1、堿土比為2∶1、水固比為4∶1、煅燒溫度為550"℃、晶化溫度為90"℃、晶化時(shí)間為2天時(shí)，結(jié)晶度較高。

2）廢舊混凝土合成的鈣水化石榴石具有很好的吸附效果，在303"K、103.99"kPa的條件下吸附量達(dá)到了1.83 mmol·g^-1。因此鈣水化石榴石可以被應(yīng)用于CO₂捕集。

3）鈣水化石榴石吸附特點(diǎn)符合Langmuir吸附模型，擁有吸附速度快以及可逆吸附等特點(diǎn)。

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Exploration of Resource Utilization of Waste Concrete

ZHANG Yi CHE Shuai HUANG Rui ZHU Peixin LIU Yanchao

（1. Shenyang University of Chemical Technology， Shenyang Liaoning 110142，"China;

2. Dalian Institute of Chemical Physics， Chinese Academy of Sciences， Dalian Liaoning 116023，"China）

Abstract：""With the modernization of China， a large amount of construction waste appears， and the carbon emissions of the whole life cycle of buildings account for more than 40%^[1]， and concrete accounts for 60% of these construction wastes. If these waste concrete is not properly used， it will not only cause waste of resources， but also cause environmental pollution. In this paper， the silicate mineral calcium water garnet （Ca₃Al₂（SiO₄）（OH）₈） solid adsorbent was prepared from waste concrete by alkali molten hydrothermal method， and the adsorption capacity reached 1.83 mmol·g^-1 at 303 K and 103.99 kPa. In this paper， in order to realize the recycling of some waste concrete， reduce the harm of carbon dioxide， and achieve the purpose of treating waste with waste， the preparation process and adsorption performance of calcium hydrated garnet solid adsorbent were explored.

Key words：Waste concrete;"Hydrogarnet;"Treating waste with waste;"Gas adsorption