一种粉煤灰基二氧化碳固化剂及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及二氧化碳固化剂技术领域，尤其涉及一种粉煤灰基二氧化碳固化剂及 其制备方法。
【背景技术】
[0002] 自工业革命以来，人类向大气中排入的二氧化碳等吸热性强的温室气体逐年增 加，大气的温室效应也随之增强，已引起全球气候变暖、海平面上升等一系列严重问题，威 胁着人类的生存和发展。
[0003] 引起温室效应的温室气体主要有C02、CH4、N 2CKO3、氯氟烃和水气等，其中，0)2贡献 率达到70%，为全球变暖的罪魁祸首。
[0004] 我国是世界上煤炭生产和消费大国，21世纪主要能源仍然是煤炭。据报道，2006 年末，中国已经超过美国成为世界上二氧化碳排放量最大的国家。因此，我国的CO 2减排压 力非常大，很有必要开展具有资源特色的〇)2减排技术的研宄，从而在全球科技竞争中处于 积极的地位。
[0005] 大量报道表明，对火电厂、炼油厂、水泥厂等二氧化碳集中排放源进行碳捕集与封 存可有效、长久地实现碳减排。目前，国际上采用的CO 2捕集方案主要有：海洋封存、植物固 碳、地质封存等。海洋埋存受到地理限制，植物固碳又需要很长的时间才能显示出成效，而 地质埋存则埋存量大，安全系数高，且能够实现CO 2的永久埋存，具有较大的优势。矿物碳 酸化属于地质埋存的其中一种。
[0006] 矿物碳酸化固定二氧化碳的效果与固化剂密切相关，良好的固化剂材料不仅要成 本低廉，而且要有利于CO 2的吸附。高比表面积、高孔隙率及大量的碱金属存在均有利于的 CO2吸附。目前，已有不少学者对矿物固化CO2进行了研宄，主要使用的固化剂有钢渣、高岭 土、废弃建材、陶瓷、改性活性炭等。但是利用粉煤灰固定CO 2却鲜有研宄，粉煤灰是燃煤的 产物，其具有高的比表面积，且粉煤灰中含有CaO等碱金属氧化物，具备碳酸化吸附固定CO 2 的可能。
[0007] 我国燃煤排放的大量粉煤灰已经是当前最主要的大宗固废之一，随着电力工业的 发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加。2010年达到3亿吨，2011年增加到5. 4亿吨，到 2020年，我国粉煤灰的年总排放量将是现在的3倍左右，加上目前我国已有的20亿吨粉煤 灰累积堆存量，总的将会达到30多亿吨，给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大的压 力。大量的粉煤灰不加处理，就会产生扬尘，污染大气，若排入水系会造成河流淤塞，而其中 的重金属等有毒化学物质还会对人体和生物造成危害。
[0008] 为了提高资源综合利用水平，国家发改委根据《"十二五"资源综合利用指导意见》 提出了《大宗固体废物综合利用实施方案》，其中对于粉煤灰的综合利用提出了要在2015 年其综合利用率达到70%，仅次于农作物秸杆以及煤矸石，并鼓励在建筑新材料、矿区生态 修复中的综合利用，可见国家对于粉煤灰的处理与利用给予了高度重视。
[0009] 根据以废制废的思想，利用大宗固废粉煤灰作为固化剂对温室气体CO2进行固化， 是捕集CO2、减少温室效应、同时对粉煤灰进行综合利用的有发展潜力的新的有效途径。
[0010] 利用粉煤灰作为矿物固定材料进行二氧化碳碳酸化封存的研宄才刚刚起步，国内 外学者对粉煤灰基CO 2固化剂进行了研宄。然而，在成本控制与实验方案简易性方面存在 不足，需要在粉煤灰基固化剂复合配方与实验条件选择上进行改进，对固化剂在固化二氧 化碳过程中有毒有害元素的释放还需要进一步研宄。
【发明内容】
[0011] 本发明所要解决的技术问题是克服现有固化剂的不足，在粉煤灰基固化剂复合配 方与实验条件选择上进行改进，提供一种粉煤灰基二氧化碳固化剂及其制备方法，本发明 提供的粉煤灰基二氧化碳固化剂可用于矿物封存二氧化碳，减少温室效应，并且消石灰的 掺入降低粉煤灰碳酸化后的浸出毒性，提供了一种对粉煤灰进行综合利用的有发展潜力的 新的有效途径。
[0012] 本发明采用如下技术方案：
[0013] 本发明的粉煤灰基二氧化碳固化剂是由粉煤灰、消石灰和氧化铝组成。粉煤灰、 消石灰和氧化铝的重量比为3-4. 5:1. 5-3:2。优选：粉煤灰、消石灰和氧化铝的重量比为 3:3:2〇
[0014] 所述的粉煤灰为电厂燃煤产物，具有较高的比表面积，且含有CaO等碱金属氧化 物。
[0015] 所述的消石灰为分析纯Ca (OH) 2。
[0016] 所述的氧化铝为分析纯A1203。
[0017] 本发明的粉煤灰基二氧化碳固化剂的制备方法的具体步骤如下：
[0018] (1)按配比称取粉煤灰、消石灰和氧化铝；
[0019] (2)将粉煤灰、消石灰和氧化铝加入容器中，并加入去离子水，去离子水与容器中 原料总质量的体积重量比为I: lml/g，搅拌使其混合充分，再用磁力搅拌器充分搅拌3h，取 出于105°C下烘干，置于马弗炉内300°C焙烧lh，取出冷却，用密封袋保存，贴好标签，即得 到粉煤灰基二氧化碳固化剂。
[0020] 本发明提供的粉煤灰基二氧化碳固化剂采用的基体材料粉煤灰是煤矿大宗废物， 来源广泛，具有高的比表面积，且粉煤灰中含有CaO等碱金属氧化物，具备碳酸化吸附固定 CO2的可能，可作为固化剂制备中的大掺量物料。同时，利用消石灰改善粉煤灰中碱土金属 含量，氧化错的加入则可以有效的提尚材料中的孔隙率，尚孔隙率将有利于碳酸化时CO 2在 反应体系中的扩散，从而提高固化效率。因此，二者可作为复掺吸附材料。对混合后的材料 进行高温灼烧，有利于孔隙成型，但是温度不宜过高，过高则会引起材料烧结，不利于碳酸 化反应的进行。
[0021] 本发明的积极效果如下：
[0022] (1)在固化剂复合配方上进行了改进，用粉煤灰混合一定比例的消石灰、氧化铝制 备而成，且当粉煤灰和消石灰比例为1:1时，碳固定量最高，并且消石灰的掺入降低粉煤灰 碳酸化后的浸出毒性，主要针对重金属的浸出；
[0023] (2)粉煤灰是燃煤的产物，是我国当前最主要的大宗固废之一，采用大宗固废粉煤 灰对温室气体二氧化碳进行碳酸化封存，达到"以废制废"的目的；
[0024] (3)粉煤灰是电厂燃烧的产物，而电厂也正是大量排放0)2的主要工矿企业，因此， 利用粉煤灰基固化剂还能够实现原位固化CO 2，达到减少运输成本的目的；
[0025] (4)固化剂在固定CO2之后，可用于水泥及混凝土等建材的加工、废弃矿井的填充 和农田复垦等，实现废物的二次利用。
【附图说明】
[0026] 图1为实施例1的粉煤灰基二氧化碳固化剂的碳捕获反应前后物象变化图；
[0027] I: Si02、2: Al203、3: Ca0、4 :CaC03〇
[0028] 图2-1为实施例1的粉煤灰基二氧化碳固化剂的碳捕获反应前热重-差热变化 图。
[0029] 图2-2为实施例1的粉煤灰基二氧化碳固化剂的碳捕获反应后热重-差热变化 图。
[0030] 图3-1为实施例1的粉煤灰基二氧化碳固化剂的碳捕获反应前微观形貌变化图。
[0031] 图3-2为实施例1的粉煤灰基二氧化碳固化剂的碳捕获反应后微观形貌变化图。
[0032] 图4为碳酸化反应模拟实验系统示意图；
[0033] 1二氧化碳钢瓶、2减压阀、3流量计、4三通阀、5氯化钙溶液瓶、6氮气钢瓶、7反应 釜、8控制箱。
[0034] 图5-1为AS在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量示意图（mg/kg)。
[0035] 图5-2为Cd在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量示意图（mg/kg)。
[0036] 图5-3为Cr在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量示意图（mg/kg)。
[0037] 图5-4为Cu在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量示意图（mg/kg)。
[0038] 图5-5为Ni在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量示意图（mg/kg)。
[0039] 图5-6为Pb在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量不意图（mg/kg)。
[0040] 图5-7为Zn在不同消石灰投加量碳酸化前后浸出量示意图（mg/kg)。
【具体实施方式】
[0041] 为了更好地理解本发明，下面结合附图、实例进一步阐明本发明的内容，但本发明 的内容不仅仅局限于下面的实例；也不应视为对本发明的限制。
[0042] 下述实施例1中粉煤灰从徐州华美电厂堆灰场处取得，主要成分为Si02、A1 203、 CaO和Fe2O3等金属氧化物；氧化铝为分析纯Al 203由广东省化学试剂工程技术研宄开发中 心提供，实施例2中消石灰为分析纯Ca(OH) 2由无锡市亚盛化工有限公司提供。
[0043] 实施例1 :
[0044] 按1:1比例分别称取粉煤灰和消石灰各300g及200g氧化铝于IL的烧杯中，加适 量水，用玻璃棒搅拌，使其能混合充分。然后用磁力搅拌器充分搅拌3h。取出于105°C下烘 干。至于马弗炉内300°C焙烧lh。取出冷却，用密封袋保存，贴好标签，即得到粉煤灰基二 氧化碳固化剂。该粉煤灰基二氧化碳固化剂碳捕获反应前后化学组成的变化见表1，碳捕获 反应前后物象变化图、碳捕获反应前后热重-差热变化图、碳捕获反应前后微观形貌变化 图分别见图1、图2-1、2-2和图3-1、3-2。
[0045] 表1实施例1的粉煤灰基二氧化碳固化剂反应前后化学组成的变化
[0046]
【主权项】
1. 一种粉煤灰基二氧化碳固化剂，其特征在于：所述的粉煤灰基二氧化碳固化剂是由 粉煤灰、消石灰和氧化铝组成。
2. 如权利要求1所述的粉煤灰基二氧化碳固化剂，其特征在于：粉煤灰、消石灰和氧化 铝的重量比为3-4. 5: L 5-3:2。
3. 如权利要求1所述的粉煤灰基二氧化碳固化剂，其特征在于：粉煤灰、消石灰和氧化 铝的重量比为3:3:2。
4. 如权利要求1-3任一项所述的粉煤灰基二氧化碳固化剂，其特征在于：所述的粉煤 灰为电厂燃煤产物，具有高比表面积，且含有碱金属氧化物。
5. 如权利要求1-3任一项所述的粉煤灰基二氧化碳固化剂，其特征在于：所述的消石 灰为分析纯Ca (OH)2。
6. 如权利要求1-3任一项所述的粉煤灰基二氧化碳固化剂，其特征在于：所述的氧化 铝为分析纯Al2O 3C1
7. -种制备如权利要求1-6任一项所述的粉煤灰基二氧化碳固化剂的方法，其特征在 于：所述方法的具体步骤如下： (1) 按配比称取粉煤灰、消石灰和氧化铝； (2) 将粉煤灰、消石灰和氧化铝加入容器中，并加入去离子水，去离子水与容器中原料 总质量的体积重量比为I: lml/g，搅拌使其混合充分，再用磁力搅拌器充分搅拌3h，取出于 105°C下烘干，置于马弗炉内300°C焙烧lh，取出冷却，用密封袋保存，贴好标签，即得到粉 煤灰基二氧化碳固化剂。
【专利摘要】本发明公开了一种粉煤灰基二氧化碳固化剂及其制备方法，发明的粉煤灰基二氧化碳固化剂是由粉煤灰、消石灰和氧化铝组成。粉煤灰、消石灰和氧化铝的重量比为3-4.5:1.5-3:2。且当粉煤灰和消石灰比例为1:1时，碳固定量最高，并且消石灰的掺入降低粉煤灰碳酸化后的浸出毒性，主要针对重金属的浸出；粉煤灰是燃煤的产物，是我国当前最主要的大宗固废之一，采用大宗固废粉煤灰对温室气体二氧化碳进行碳酸化封存，达到“以废制废”的目的。
【IPC分类】B01D53-81, B01D53-62
【公开号】CN104740995
【申请号】CN201510093355
【发明人】周来, 徐潇, 徐书杰, 茅佳俊, 刘清
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月2日