一种用于碳捕集的材料及其制备方法和应用

1.本发明属于碳捕集材料的制备技术领域，涉及一种用于碳捕集的材料及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来，随着各国二氧化碳大量排放，温室气体猛增，对生态系统形成了一定的威胁，因此各国越来越重视环境保护。因此碳排放中存在的问题需要进一步得到解决。传统的硅酸盐水泥混凝土行业具有高排放和高能耗的特点，在节能减排的进程中面临了巨大的挑战，因此探索研究新型的低碳乃至能吸附和捕集二氧化碳并将二氧化碳用于制备新的胶凝材料，成为了众多解决方式之一。
3.铝酸盐矿物和碳酸钙矿物混合在水化时生成的单碳型水化碳铝酸钙和三碳型水化碳铝酸钙在二氧化碳作用下逐步分解为水化铝酸钙和碳酸钙，水化铝酸钙缓慢吸收二氧化碳分解为氢氧化铝和碳酸钙，氢氧化铝和碳酸钙会填充胶凝材料孔隙导致材料强度上升；同时因为水化铝酸钙作为主要强度来源会导致强度提高。水化钙铝黄长石在二氧化碳作用下会分解为钙铝黄长石提高水泥石的强度。因此这种胶凝材料可以用来生产非承重隔墙、装饰板和吸声板等建筑制品。
4.因此，有必要采用铝酸盐矿物和碳酸钙矿物研究制备一种可以用于碳捕集的材料，以便解决碳排放的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种用于碳捕集的材料；本发明的目的之二在于提供一种用于碳捕集的材料的制备方法；本发明的目的之三在于提供一种用于碳捕集的材料在制备建筑材料方面的应用。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.1.一种用于碳捕集的材料，所述材料包括碳酸钙0～2.0份和铝酸盐矿物8.0～10.0份。
8.优选的，所述材料包括碳酸钙0.5～1.5份和铝酸盐矿物8.5～9.5份。
9.优选的，所述碳酸钙来源于石灰石、大理石、方解石、轻钙粉或者纳米碳酸钙中的任意一种或几种。
10.优选的，所述铝酸盐矿物为铝酸盐水泥(ca50)或其他铝酸盐水泥熟料。
11.优选的，所述铝酸盐矿物还包括铝酸盐水泥熟料、非结晶的铝酸三钙、铝酸钙或七铝酸十二钙中的任意一种。
12.2.上述用于碳捕集的材料的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：
13.(1)将碳酸钙与铝酸盐矿物按照分数混合后研磨，形成比表面积为400～700m2/kg的混合物；
14.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行轻烧处理，待轻烧处理结
束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料。
15.优选的，所述轻烧处理的温度为300～700℃、时间为20～60min。
16.3.上述用于碳捕集的材料在制备建筑材料方面的应用。
17.本发明的有益效果在于：
18.1、本发明公开了一种用于碳捕集的材料，该材料按照重量份计，所述材料包括碳酸钙0～2.0份和铝酸盐矿物8.0～10.0份，使用时掺加0.3～1.0份水。本发明的材料可以在吸收二氧化碳的同时较大幅度提高强度，且在一定养护方式下具有后期强度不倒缩的优点。
19.2、本发明公开了一种用于碳捕集的材料的制备方法，其制备方法主要是将碳酸钙与铝酸盐矿物混合研磨后进行焙烧，加水后制备的浆体可以掺加其他组分浇筑成需要的制品形状和尺寸即可用于工业企业生产排放的二氧化碳捕集，具有制备方法简单、材料来源便宜广泛的优点。本方法制备的材料可以用于碳捕集吸收二氧化碳降低碳排放，且制备过程中石灰石等碳酸钙物质不需要高温煅烧，铝酸盐矿物等铝质矿物材料相比硅酸盐矿物烧成温度更低碳排放更少，减少对环境的污染，制得的建筑制品在建筑材料领域具有广泛的应用前景。
20.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
21.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
22.图1为实施例1～3和对照例1～3中制备的用于碳捕集的材料的质量随着养护时间的变化；
23.图2为实施例4～6和对照例4～6中制备的用于碳捕集的材料的质量随着养护时间的变化。
具体实施方式
24.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
25.实施例1
26.一种用于碳捕集的材料，按照如下方法制备：
27.(1)将0份碳酸钙(来源于石灰石)与10.0份铝酸盐矿物(铝酸盐矿物为铝酸盐水泥ca50)按照分数混合后研磨，形成比表面积在400～700m2/kg之间的混合物，在干燥条件下
储存备用；
28.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行温度为700℃、时间为20min的轻烧处理，待轻烧处理结束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料，在干燥条件下存储待用。
29.将制备得到的用于碳捕集的材料加入50％重量的水中，搅拌使其混合均匀，然后将其缓慢浇注在模具中成型，试件于1天后脱模得到试块，放置于20
±
2℃、相对湿度为70％
±
5％、co2浓度为20％
±
2％的环境下养护，并按照gb/t17671-1999的要求，分别测试经过7天和28天养护后得到材料的抗压强度(其结果如表1所示)，同时测试其养护前、养护后1、3、7、10、14、20、28、42天后的质量(其结果如图1所示)。
30.实施例2
31.一种用于碳捕集的材料，按照如下方法制备：
32.(1)将1.0份碳酸钙(来源于石灰石)与9.0份铝酸盐矿物(铝酸盐矿物为ca50)按照分数混合后研磨，形成比表面积在400～700m2/kg之间的混合物，在干燥条件下储存备用；
33.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行温度为700℃、时间为20min的轻烧处理，待轻烧处理结束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料，在干燥条件下存储待用。
34.将制备得到的用于碳捕集的材料加入50％重量的水中，搅拌使其混合均匀，然后将其缓慢浇注在模具中成型，试件于1天后脱模得到试块，放置于20
±
2℃、相对湿度为70％
±
5％、co2浓度为20％
±
2％的环境下养护，并按照gb/t17671-1999的要求，分别测试经过7天和28天养护后得到材料的抗压强度(其结果如表1所示)，同时测试其养护前、养护后1、3、7、10、14、20、28、42天后的质量(其结果如图1所示)。
35.实施例3
36.一种用于碳捕集的材料，按照如下方法制备：
37.(1)将2.0份碳酸钙(来源于石灰石)与8.0份铝酸盐矿物(铝酸盐矿物为ca50)按照分数混合后研磨，形成比表面积在400～700m2/kg之间的混合物，在干燥条件下储存备用；
38.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行温度为700℃、时间为20min的轻烧处理，待轻烧处理结束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料，在干燥条件下存储待用。
39.将制备得到的用于碳捕集的材料加入50％重量的水中，搅拌使其混合均匀，然后将其缓慢浇注在模具中成型，试件于1天后脱模得到试块，放置于20
±
2℃、相对湿度为70％
±
5％、co2浓度为20％
±
2％的环境下养护，并按照gb/t17671-1999的要求，分别测试经过7天和28天养护后得到材料的抗压强度(其结果如表1所示)，同时测试其养护前、养护后1、3、7、10、14、20、28、42天后的质量(其结果如图1所示)。
40.实施例4
41.一种用于碳捕集的材料，按照如下方法制备：
42.(1)将0份碳酸钙(来源于石灰石)与10.0份铝酸盐矿物(铝酸盐矿物为ca50)按照分数混合后研磨，形成比表面积在400～700m2/kg之间的混合物，在干燥条件下储存备用；
43.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行温度为700℃、时间为20min的轻烧处理，待轻烧处理结束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料，在干
燥条件下存储待用。
44.将制备得到的用于碳捕集的材料加入50％重量的水中，搅拌使其混合均匀，然后将其缓慢浇注在模具中成型，试件于1天后脱模得到试块，放置于20
±
2℃、相对湿度≥95％的环境下养护28天，然后置于45
±
5℃的温度下干燥2天至恒重后置于温度为20
±
2℃、相对湿度为70
±
5％、co2浓度为20％
±
2％的环境下养护，并按照gb/t17671-1999的要求，分别测试经过7天和28天养护后得到材料的抗压强度(其结果如表1所示)，同时测试其养护前、养护后1、3、7、10、14、20、28、42天后的质量(其结果如图2所示)。
45.实施例5
46.一种用于碳捕集的材料，按照如下方法制备：
47.(1)将1.0份碳酸钙(来源于石灰石)与9.0份铝酸盐矿物(铝酸盐矿物为ca50)按照分数混合后研磨，形成比表面积在400～700m2/kg之间的混合物，在干燥条件下储存备用；
48.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行温度为700℃、时间为20min的轻烧处理，待轻烧处理结束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料，在干燥条件下存储待用。
49.将制备得到的用于碳捕集的材料加入50％重量的水中，搅拌使其混合均匀，然后将其缓慢浇注在模具中成型，试件于1天后脱模得到试块，放置于20
±
2℃、相对湿度≥95％的环境下养护28天，然后置于45
±
5℃的温度下干燥2天至恒重后置于温度为20
±
2℃、相对湿度为70
±
5％、co2浓度为20％
±
2％的环境下养护，并按照gb/t17671-1999的要求，分别测试经过7天和28天养护后得到材料的抗压强度(其结果如表1所示)，同时测试其养护前、养护后1、3、7、10、14、20、28、42天后的质量(其结果如图2所示)。
50.实施例6
51.一种用于碳捕集的材料，按照如下方法制备：
52.(1)将2.0份碳酸钙(来源于石灰石)与8.0份铝酸盐矿物(铝酸盐矿物为ca50)按照分数混合后研磨，形成比表面积在400～700m2/kg之间的混合物，在干燥条件下储存备用；
53.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行温度为700℃、时间为20min的轻烧处理，待轻烧处理结束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料，在干燥条件下存储待用。
54.将制备得到的用于碳捕集的材料加入50％重量的水中，搅拌使其混合均匀，然后将其缓慢浇注在模具中成型，试件于1天后脱模得到试块，放置于20
±
2℃、相对湿度≥95％的环境下养护28天，然后置于45
±
5℃的温度下干燥2天至恒重后置于温度为20
±
2℃、相对湿度为70
±
5％、co2浓度为20％
±
2％的环境下养护，并按照gb/t17671-1999的要求，分别测试经过7天和28天养护后得到材料的抗压强度(其结果如表1所示)，同时测试其养护前、养护后1、3、7、10、14、20、28、42天后的质量(其结果如图2所示)。
55.对照例1
56.一种用于碳捕集的材料，按照如下方法制备：
57.(1)将0份碳酸钙(来源于石灰石)与10.0份铝酸盐矿物(铝酸盐矿物为铝酸盐水泥ca50)按照分数混合后研磨，形成比表面积在400～700m2/kg之间的混合物，在干燥条件下储存备用；
58.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行温度为700℃、时间为
20min的轻烧处理，待轻烧处理结束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料，在干燥条件下存储待用。
59.将制备得到的用于碳捕集的材料加入50％重量的水中，搅拌使其混合均匀，然后将其缓慢浇注在模具中成型，试件于1天后脱模得到试块，放置于20
±
2℃、相对湿度为70％
±
5％、的环境下养护，并按照gb/t17671-1999的要求，分别测试经过7天和28天养护后得到材料的抗压强度(其结果如表1所示)，同时测试其养护前、养护后1、3、7、10、14、20、28、42天后的质量(其结果如图1所示)。
60.对照例2
61.一种用于碳捕集的材料，按照如下方法制备：
62.(1)将1.0份碳酸钙(来源于石灰石)与9.0份铝酸盐矿物(铝酸盐矿物为ca50)按照分数混合后研磨，形成比表面积在400～700m2/kg之间的混合物，在干燥条件下储存备用；
63.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行温度为700℃、时间为20min的轻烧处理，待轻烧处理结束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料，在干燥条件下存储待用。
64.将制备得到的用于碳捕集的材料加入50％重量的水中，搅拌使其混合均匀，然后将其缓慢浇注在模具中成型，试件于1天后脱模得到试块，放置于20
±
2℃、相对湿度为70％
±
5％的环境下养护，并按照gb/t17671-1999的要求，分别测试经过7天和28天养护后得到材料的抗压强度(其结果如表1所示)，同时测试其养护前、养护后1、3、7、10、14、20、28、42天后的质量(其结果如图1所示)。
65.对照例3
66.一种用于碳捕集的材料，按照如下方法制备：
67.(1)将2.0份碳酸钙(来源于石灰石)与8.0份铝酸盐矿物(铝酸盐矿物为ca50)按照分数混合后研磨，形成比表面积在400～700m2/kg之间的混合物，在干燥条件下储存备用；
68.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行温度为700℃、时间为20min的轻烧处理，待轻烧处理结束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料，在干燥条件下存储待用。
69.将制备得到的用于碳捕集的材料加入50％重量的水中，搅拌使其混合均匀，然后将其缓慢浇注在模具中成型，试件于1天后脱模得到试块，放置于20
±
2℃、相对湿度为70％
±
5％的环境下养护，并按照gb/t17671-1999的要求，分别测试经过7天和28天养护后得到材料的抗压强度(其结果如表1所示)，同时测试其养护前、养护后1、3、7、10、14、20、28、42天后的质量(其结果如图1所示)。
70.对照例4
71.一种用于碳捕集的材料，按照如下方法制备：
72.(1)将0份碳酸钙(来源于石灰石)与10.0份铝酸盐矿物(铝酸盐矿物为ca50)按照分数混合后研磨，形成比表面积在400～700m2/kg之间的混合物，在干燥条件下储存备用；
73.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行温度为700℃、时间为20min的轻烧处理，待轻烧处理结束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料，在干燥条件下存储待用。
74.将制备得到的用于碳捕集的材料加入50％重量的水中，搅拌使其混合均匀，然后
将其缓慢浇注在模具中成型，试件于1天后脱模得到试块，放置于20
±
2℃、相对湿度≥95％的环境下养护28天，然后置于45
±
5℃的温度下干燥2天至恒重后置于温度为20
±
2℃、相对湿度为70
±
5％的环境下养护，并按照gb/t17671-1999的要求，分别测试经过7天和28天养护后得到材料的抗压强度(其结果如表1所示)，同时测试其养护前、养护后1、3、7、10、14、20、28、42天后的质量(其结果如图2所示)。
75.对照例5
76.一种用于碳捕集的材料，按照如下方法制备：
77.(1)将1.0份碳酸钙(来源于石灰石)与9.0份铝酸盐矿物(铝酸盐矿物为ca50)按照分数混合后研磨，形成比表面积在400～700m2/kg之间的混合物，在干燥条件下储存备用；
78.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行温度为700℃、时间为20min的轻烧处理，待轻烧处理结束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料，在干燥条件下存储待用。
79.将制备得到的用于碳捕集的材料加入50％重量的水中，搅拌使其混合均匀，然后将其缓慢浇注在模具中成型，试件于1天后脱模得到试块，放置于20
±
2℃、相对湿度≥95％的环境下养护28天，然后置于45
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5℃的温度下干燥2天至恒重后置于温度为20
±
2℃、相对湿度为70
±
5％的环境下养护，并按照gb/t17671-1999的要求，分别测试经过7天和28天养护后得到材料的抗压强度(其结果如表1所示)，同时测试其养护前、养护后1、3、7、10、14、20、28、42天后的质量(其结果如图2所示)。
80.对照例6
81.一种用于碳捕集的材料，按照如下方法制备：
82.(1)将2.0份碳酸钙(来源于石灰石)与8.0份铝酸盐矿物(铝酸盐矿物为ca50)按照分数混合后研磨，形成比表面积在400～700m2/kg之间的混合物，在干燥条件下储存备用；
83.(2)将步骤(1)中研磨后形成的混合物置于焙烧炉中进行温度为700℃、时间为20min的轻烧处理，待轻烧处理结束后自然冷却至室温，即可得到用于碳捕集的材料，在干燥条件下存储待用。
84.将制备得到的用于碳捕集的材料加入50％重量的水中，搅拌使其混合均匀，然后将其缓慢浇注在模具中成型，试件于1天后脱模得到试块，放置于20
±
2℃、相对湿度≥95％的环境下养护28天，然后置于45
±
5℃的温度下干燥2天至恒重后置于温度为20
±
2℃、相对湿度为70
±
5％、co2浓度为20％
±
2％的环境下养护，并按照gb/t17671-1999的要求，分别测试经过7天和28天养护后得到材料的抗压强度(其结果如表1所示)，同时测试其养护前、养护后1、3、7、10、14、20、28、42天后的质量(其结果如图2所示)。
85.表1不同实施例制备的用于碳捕集的材料的强度检测结果
[0086][0087]
由表1可知，通过本发明的方法养护得到的胶凝材料可以提高试样的强度，本发明
制备的用于碳捕集的材料的强度均在40mpa以上，且通过实施例1～6和对照例1～6中材料强度的不同可知通过改变制备的材料使用过程中的养护方式(在养护过程中调节养护条件的二氧化碳要求)可以抑制因水化铝酸钙晶型转变导致的强度倒缩。图1为实施例1～3和对照例1～3中制备的用于碳捕集的材料的质量随着养护时间的变化。图2为实施例4～6和对照例4～6中制备的用于碳捕集的材料的质量随着养护时间的变化。由图2可知，碳捕集材料的二氧化碳吸收量会随着碳酸钙掺量的增加而逐渐降低，原因为体系中的碳酸钙增多会增大体系孔隙、减少二氧化碳的吸附面积。
[0088]
表2为实施例1～6相对于对照例1～6中制备的用于碳捕集的材料的二氧化碳吸收量。由表2可知，实施例1、实施例2和实施例3制备的用于碳捕集的材料在28天内相比于对比文件的二氧化碳吸收量(计算公式为：(实施例-对照例)/对照例)分别为3.5％，2.6％和1.2％的二氧化碳，实施例4、实施例5和实施例6制备的用于碳捕集的材料在28天内相比于对比文件的二氧化碳吸收量(计算公式为：(实施例-对照例)/对照例)分别为7.4％，7.25％和4.48％，且在设定龄期内呈现持续上升逐渐稳定的趋势。
[0089]
表2实施例和对照例中材料相比的二氧化碳吸收量
[0090][0091]
另外，上述实施例中的碳酸钙还可以来源于石灰石、大理石、方解石、轻钙粉或者纳米碳酸钙中的任意一种或几种，铝酸盐矿物为铝酸盐水泥(ca50)或其他铝酸盐水泥熟料(铝酸盐矿物还包括铝酸盐水泥熟料、非结晶的铝酸三钙、铝酸钙或七铝酸十二钙中的任意一种)，轻烧处理的温度还可以为300～700℃、时间为20～60min。按照上述条件制备的用于碳捕集的材料的性能与实施例1～6中的性能相似，同样可以用于碳捕集吸收二氧化碳降低碳排放，且制备过程中石灰石等碳酸钙物质不需要高温煅烧，铝酸盐矿物等铝质矿物材料相比硅酸盐矿物烧成温度更低碳排放更少，减少对环境的污染。
[0092]
目前，无机物吸收二氧化碳研究有硅酸锂、锆酸锂等，硅酸锂吸收率在700℃的环境下可高达39％，锆酸锂在一定条件也可达到25％的吸收率，但其在高温过程中也会消耗大量能量，并不符合绿色低碳的观点。有机物有有机胺等，其二氧化碳吸附量大，但mea对水生生物具有一定毒性。有部分研究直接利用金属氧化物吸收二氧化碳，但氧化物往往需要高温制备，也会增加整体能耗。利用水泥直接用作碳捕集剂研究较少，刘梅等学者研究发现作为铝酸盐矿物的c3a碳酸化速率较低，且粉状材料碳酸化后增重只有4.8％，低于实施例中最高42天7.36％的增重，且实施例中钙硅比较低，原材料中含有大量的c2as未能进行碳
酸化吸收二氧化碳。就原材料烧结环节，铝酸盐矿物的烧成温度较硅酸盐水泥的烧成温度要低，ca大约在900℃开始形成，c
12
a7是在950～1000℃开始形成，ca2在1000～1100℃开始形成，而硅酸盐水泥的烧成温度是在1450℃左右并且分解大量石灰石，因此减少了能耗和二氧化碳的排放，同时在应用中使用了大量的石灰石，吸收了二氧化碳，因此因此本发明的用于碳捕集的材料也可以作为一种新型的碳捕集绿色胶凝材料，为全球节能减排做出一定的贡献。
[0093]
综上所述，本发明公开了一种用于碳捕集的材料，该材料按照重量份计，所述材料包括碳酸钙0～2.0份和铝酸盐矿物8.0～10.0份。本发明的材料可以在吸收二氧化碳的同时较大幅度提高强度，且在一定养护方式下具有后期强度不倒缩的优点。另外本发明公开了一种用于碳捕集的材料的制备方法，其制备方法主要是将碳酸钙与铝酸盐矿物混合研磨后进行焙烧，利用了水化碳铝酸钙的分解和水化钙铝黄长石的分解，具有制备方法简单、材料来源便宜广泛的优点。本方法制备的材料可以用于碳捕集吸收二氧化碳降低碳排放，且制备过程中石灰石等碳酸钙物质不需要高温煅烧，铝酸盐矿物等铝质矿物材料相比硅酸盐矿物烧成温度更低碳排放更少，减少对环境的污染。
[0094]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。