一种磷石膏协同碳封存制备矿山生态修复结构层材料的方法

本发明公开了一种磷石膏协同碳封存制备矿山生态修复结构层材料的方法，属于工业固体废物再生利用领域。

背景技术：

1、磷化工、火力发电与冶金等行业的持续发展，在推动工业化进程的同时，不仅会向环境中排放大量二氧化碳(co2)，更会产生磷石膏（pg）、粉煤灰（fa）及电石渣（cs）等大量的工业固体废物。由于上述固体废物长期堆存不仅占用大量土地资源，而且在雨水淋滤和地表径流作用下，磷、氟等污染物易发生迁移，对周边土壤及地下水环境造成潜在污染风险。同时，工业生产过程中排放的大量二氧化碳也是导致温室效应的重要因素。因此，实现工业固体废弃物资源化利用与二氧化碳协同固定，已成为固体废弃物处置及绿色低碳发展的重要研究方向。

2、矿山生态修复是工业固体废弃物资源化利用的重要应用领域。其中，矿山生态修复结构层既需要承担边坡支护、防渗阻隔和植被恢复等功能，又需要具备良好的耐久性和环境安全性。工程应用中，修复材料通常要求具有较高的力学强度和抗雨水冲刷能力，以保证边坡长期稳定；同时需具备优异的防渗性能，渗透系数一般要求不高于1×10-7cm/s，并能够随着养护龄期延长保持或进一步降低，以有效阻隔污染物迁移。此外，材料还应满足浸出毒性符合gb 5085.6要求，并具有良好的透气保水性能，以满足植被定植及生态恢复需求。近年来，通过矿化固碳技术制备矿山修复材料受到广泛关注，该技术能够利用二氧化碳矿化反应促进材料内部形成碳酸盐矿物，实现结构致密化，在提升材料力学性能、防渗性能和耐久性的同时，实现二氧化碳长期稳定封存，兼具资源化利用和减污降碳优势。

3、目前，矿山生态修复材料主要包括天然黏土材料、水泥基胶凝材料及工业固体废弃物基材料。天然黏土材料虽然具有较低的渗透系数，但易受干湿循环影响产生收缩开裂，长期防渗性能难以保证；水泥基材料能够提供较高的力学强度，但其生产过程依赖水泥熟料烧制，能耗和碳排放较高；工业固体废弃物基材料虽然能够提高工业固废资源化利用水平，但现有技术大多仍需掺加水泥、石灰或化学外加剂，固废利用率有限，且制备成本较高，难以兼顾力学性能、防渗性能、生态安全性及低碳要求。例如，发明申请cn1170024102a公开了一种磷石膏基防水砂浆及其制备方法，以煅烧后的磷石膏为主要原料，并添加水泥、矿渣及石灰制备防水砂浆；发明申请cn111133395a公开了一种高强耐水磷石膏基复合胶凝材料，以磷石膏、水泥及灰钙粉为主要原料，并配合减水剂、缓凝剂制备耐水材料；发明申请cn115215624a公开了一种利用磷石膏进行二氧化碳地质封存的方法，以无水磷石膏、水泥及赤泥等作为充填材料实现二氧化碳封存。上述现有技术虽然实现了磷石膏资源化利用或二氧化碳固定，但普遍存在依赖水泥或高温煅烧工艺、碳排放较高、外加剂用量较大、固废掺量有限以及材料性能与碳封存功能难以协同优化等问题，难以满足矿山生态修复工程对高固废利用率、高性能、低碳化及规模化应用的综合需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中磷石膏基矿山生态修复材料普遍存在结构致密性不足、长期渗透稳定性差、co2矿化效率低以及工业固废协同利用程度不高等技术问题，本发明提供了一种磷石膏协同碳封存制备矿山生态修复结构层材料的方法。该方法以磷石膏、电石渣和粉煤灰为主要原料，通过原料协同活化与co2矿化养护耦合调控，实现固废高值化利用与碳封存同步进行，从而构建高致密、低渗透、长期稳定的矿山生态修复结构层材料。

2、本发明磷石膏协同碳封存制备矿山生态修复结构层材料的方法如下：

3、1、原料预处理：将磷石膏原料干燥除杂后进行破碎筛分，制得磷石膏粉；电石渣与粉煤灰分别进行粉碎处理，粉碎后的粉煤灰、电石渣的粒径均小于200目；

4、2、固废协同混合：将步骤1处理后的原料在干态条件下充分混合，得到均匀混合物；

5、原料的质量百分比为磷石膏35%～65%、电石渣11%～22%、粉煤灰23%～40%，且电石渣与粉煤灰的质量比为1:2；

6、3、陈化处理：将步骤2混合物在室温下陈化7-9h，实现颗粒间界面重排与离子均衡；

7、4、浆体制备与成型：向陈化后的混合物中加入水制成浆料，通过施压成型并脱膜，形成初始结构骨架；水灰质量比为0.45-0.55:1；

8、5、高湿预养护：将成型试样在18-22℃、相对湿度≥95%的高湿环境中养护24h；

9、6、co2矿化养护：随后将试样转入18-22℃、相对湿度55%-65%、二氧化碳气氛的矿化环境中养护7d以上，实现材料的二次致密化与长期稳定化。

10、二氧化碳气氛中二氧化碳的体积百分比为20%。

11、本发明方法制得的矿山生态修复结构层材料28d的渗透系数不大于1.0×10-7cm/s，且具有污染物阻隔性能。

12、本发明原理：通过磷石膏、电石渣与粉煤灰的协同配比，引入ca、si、al等多源活性组分，在水化条件下释放ca2+及活性硅铝物种，为后续胶凝反应提供反应基础。依托高湿养护阶段，水分持续参与体系内部离子迁移与水化反应，使c-(a)-s-h等胶凝产物逐步生成并搭建连续固相骨架，同时形成具有一定连通性的初始孔隙结构，为气体扩散与后续矿化反应提供传质通道。然后利用外界co2在适宜湿度条件下溶解形成碳酸体系，与体系中游离ca(oh)2及活性ca2+发生碳化反应生成caco3沉积相，并与水化产物共同填充孔隙结构，从而实现孔隙逐级封闭与结构持续致密化。

13、上述过程中，水化反应提供结构骨架，孔隙结构提供传质通道，co2矿化实现二次填充与强化致密化，三者协同作用共同构建低渗透、高稳定性的矿山生态修复结构层材料体系。

14、本发明的有益效果为：

15、1、工艺简单、原料绿色高效利用：以磷石膏、电石渣和粉煤灰为主要原料，无需高温煅烧或复杂化学改性处理，实现工业固废的大规模资源化利用；

16、2、结构致密性显著提升：通过水化反应与co2矿化协同作用，使体系内部孔隙持续被c-(a)-s-h凝胶与caco3填充，显著降低渗透通道连通性，提高结构完整性；

17、3、碳封存与生态修复协同实现：co2在矿化养护过程中被持续固化为稳定碳酸盐，实现碳减排与材料性能提升的协同统一；

18、4、长期稳定性与低渗透性能优异：形成的复合胶凝--碳酸盐双重骨架结构，有效提升材料抗渗性与耐环境侵蚀能力，可满足矿山边坡修复、尾矿库防渗及污染阻隔等工程需求；能用于矿山边坡修复、尾矿库防渗、废弃矿坑治理、污染场地阻隔层或其他矿山生态修复工程。

1.一种磷石膏协同碳封存制备矿山生态修复结构层材料的方法，其特征在于：将磷石膏粉与粉碎后的粉煤灰、电石渣混合，混匀后的混合物在室温下陈化7-9h后，在混合物料中加入水制成浆料，施压成型脱膜后，在18-22℃、相对湿度≥95%下预养护24h后，随后在18-22℃、相对湿度55-65%、二氧化碳气氛下矿化养护7d以上，制得矿山生态修复结构层材料。

2.根据权利要求1中所述的磷石膏协同碳封存制备矿山生态修复结构层材料的方法，其特征在于：原料的质量百分比为磷石膏35%～65%、电石渣11%～22%、粉煤灰23%～40%，且电石渣与粉煤灰的质量比为1:2。

3.根据权利要求1中所述的磷石膏协同碳封存制备矿山生态修复结构层材料的方法，其特征在于：二氧化碳气氛中二氧化碳的体积百分比为20%。

4.根据权利要求1中所述的磷石膏协同碳封存制备矿山生态修复结构层材料的方法，其特征在于：磷石膏中caso4·2h2o的重量百分比含量≥80%。

5.根据权利要求1中所述的磷石膏协同碳封存制备矿山生态修复结构层材料的方法，其特征在于：粉碎后的粉煤灰、电石渣的粒径均小于200目。

6.根据权利要求1中所述的磷石膏协同碳封存制备矿山生态修复结构层材料的方法，其特征在于：混合是在混料机中干混5-15min。

7.权利要求1～6任一项所述的方法制得的矿山生态修复结构层材料，其特征在于：材料28d的渗透系数不大于1.0×10-7 cm/s，且具有污染物阻隔性能。

8.权利要求7所述矿山生态修复结构层材料在矿山生态修复工程中的应用，其特征在于：用于矿山边坡修复、尾矿库防渗、废弃矿坑治理、污染场地阻隔层或其他矿山生态修复工程。