一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法及其应用与流程

1.本发明涉及二氧化碳利用及废弃物处理利用领域，具体涉及b01d53/62，更具体涉及一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法及其应用。


背景技术：

2.加强以大宗固废为主的废弃物高值化综合利用对于我国推进绿色可持续发展具有重要的意义。大宗固废(例如钢渣、电石渣等)中含有较高含量的活性钙镁成分，充分利用该成分，使用二氧化碳将其转化为性能稳定的碳酸钙等矿化产物，不仅可以对自然界以及工业废气中二氧化碳进行固定，达到减排的目的，同时矿化产物可以用于制备建筑制品。然而，影响矿化反应的因素较多，且受碳化环境的影响较大，目前的矿化反应不仅操作过程繁琐，无法同时保证矿化反应速率、二氧化碳的利用率以及矿化产物的质量，例如cn201810948855通过对固体废弃物进行加湿后干燥处理，然后对经过废水处理的烟气进行矿化，在矿化反应过程中需要450-650℃的温度，高温对设备的要求高，能耗高，同时该矿化反应中二氧化碳的固定速率无法得到有效的控制，固体废弃物矿化反应后的抗压强度不足；cn201810948835通过工业废液和固体废弃物对二氧化碳进行固定，然而该方法着重对二氧化碳的捕集，并未充分利用固体废弃物。
3.因而有必要提供一种既充分综合利用工业固废和含二氧化碳的工业尾气，又能有效控制反应速率，最终能够得到强度较高的建筑用产品的工艺和系统。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的一些问题，本发明第一个方面提供了一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法，包括：将大宗固废的水混合物置于模具中成型，成型体与混合气在0.05-2.3mpa，10-130℃的条件下反应。
5.本技术中模具的大小和形状不作特别限定，本领域技术人员可做常规选择。
6.在一种实施方式中，所述模具的形状为长方体或立方体，优选形状为立方体，进一步优选边长为10-30mm，更优选边长为20mm。
7.在一种实施方式中，大宗固废的水混合物的固含量为77-95wt％，可以列举的有77wt％，80wt％，85wt％，87wt％，90wt％，91wt％，92wt％，94wt％，95wt％；优选为91wt％。
8.本技术中大宗固废的来源不作特别限定，本领域技术人员可做常规选择。
9.在一种实施方式中，所述混合气中包括二氧化碳和水蒸气。
10.优选的，所述二氧化碳和水蒸气的摩尔比为(0.7-19)：1，优选为(1-2)：1，更优选为1.6:1。
11.优选的，混合气中，二氧化碳和水蒸气总量占10-99mol％，优选为13-30mol％，更优选为22.76mol％。
12.本技术混合气中除了二氧化碳和水蒸气之外，其他的气体种类不做特别限定。
13.本技术中混合气的来源不作特别限定，本领域技术人员可做常规选择，例如烟尘
废气等。
14.在一种实施方式中，当反应的压力为0.05mpa时，反应的温度为10-40℃，优选为10-30℃，进一步优选为20-30℃，更优选为30℃。
15.在一种实施方式中，当反应的压力为0.2mpa时，反应的温度为40-70℃，优选为40-60℃，更优选为60℃。
16.在一种实施方式中，当反应的压力为0.5mpa时，反应的温度为60-90℃，优选为60-80℃，进一步优选为70-80℃，更优选为80℃。
17.在一种实施方式中，当反应的压力为1.2mpa时，反应的温度为80-110℃，优选为80-100℃，更优选为100℃。
18.在一种实施方式中，当反应的压力为2.3mpa时，反应的温度为100-130℃，优选为100-120℃，进一步优选为110-120℃，更优选为120℃。
19.在反应压力分别为0.05mpa，0.2mpa，0.5mpa，1.2mpa以及2.3mpa时，反应温度均需要控制在一定的范围内，在合适的温度范围内，温度对反应中二氧化碳的搅动具有有利的影响，使得混合气中的二氧化碳可以进入坯体内部，增加矿化反应程度，同时使得混合气中的水蒸气维持的反应环境，避免了坯体中水分的迁出。
20.区别于其他的反应，本技术中二氧化碳吸收率和抗压强度与反应温度首先成正比，达到一个临界值后，二氧化碳吸收率和抗压强度反而与反应温度成反比，申请人分析可能是由于反应温度本身对二氧化碳吸收率有着积极的影响；另外，反应温度会影响环境湿度，进而影响矿化程度，在相同的压力下，温度越高，环境内的湿度与最佳环境湿度相差较大，进而降低样品对二氧化碳的吸收率。所以，当反应温度低于最佳反应温度时，反应温度对矿化反应影响较大，二氧化碳吸收率随温度增大而增大，当反应温度高于最佳反应温度时，矿化环境湿度对矿化反应占主导。由此可见，最佳反应温度是影响反应的一个重要的转折点，申请人经过一系列的分析得到最佳反应温度t＝[1668.21/(7.96681-lg(w*p/133.28947)]-228，其中反应温度为t，混合气中水蒸气的摩尔分数为w，反应压力为p。
[0021]
在一种实施方式中，反应时间为1-4h，优选为2h。
[0022]
本发明第二个方面提供了一种所述利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法得到的反应物在制备建筑材料中的应用。
[0023]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0024]
(1)本技术的原料为大宗固废与水的混合物，并保证固含量为77-95wt％，利于后期成型，成型体外观质量优，无边缘缺陷，后期反应后也无质量缺陷。
[0025]
(2)本技术经过反应温度的调控，使得混合气中水蒸气对反应起着积极的影响，提高了矿化效率，且可以根据得到的最佳反应温度去控制矿化反应的最佳环境，无需提供额外的水蒸气，在本技术中相应的反应压力和反应温度下，可以确保压制所得坯体中的水分保留在结构孔中，二氧化碳能在坯体结构中以碳酸根或者碳酸氢根的形式存在，更易于与坯体中的钙镁化物反应，进一步加强大宗固废对二氧化碳的矿化程度。
[0026]
(3)本技术混合气中二氧化碳和水蒸气占比少，无需经过碳捕集，可直接利用，同时在13-30mol％的二氧化碳和水蒸气量避免了其他非反应气体对反应矿化度或者均匀度的影响。
[0027]
(4)本技术成型模具为立方体，且边长在10-30mm内，得到的成品批次间产品质量
稳定。
[0028]
(5)本技术提出以纯大宗固废为原材料，利用含二氧化碳的混合气直接进行矿化养护，在一定工艺下，制成高品质建材制品，以有效实现工业固废、城市固废的高效资源化利用，其制备出的建材产品相比于传统的硅酸盐水泥制品的总碳排放低50％以上，对我国建材行业的低碳化发展同样具有重要推动作用。
[0029]
(6)本技术实现了低浓度二氧化碳矿化的直接利用，无需增加碳捕集工艺，极大节省了二氧化碳固定成本，有效降低了工业推广的难度，提供了一种实际有效的碳减排路径。
附图说明
[0030]
图1为实施例二氧化碳吸收率和抗压强度对比图。
具体实施方式
[0031]
以下通过具体实施方式说明本发明，但不局限于以下给出的具体实施例。
[0032]
实施例
[0033]
实施例中大宗固废中硅酸钙为无定形的，化学成分相同，具体为55.3wt％cao，29.4wt％sio2，4.8wt％al2o3，2.5wt％mgo，2.6wt％p2o5，2.0wt％k2o，1.5wt％so3，0.8wt％fe2o3，0.4wt％tio2，0.3wt％na2o，0.2wt％sro，0.2wt％mno。
[0034]
大宗固废的水混合物由在大宗固废中加入水，静置24h后得到。
[0035]
实施例1
[0036]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法，具体为：将大宗固废的水混合物置于边长为20mm的立方体模具中成型，成型体与混合气在0.05mpa，10℃反应2h，其中大宗固废的水混合物中固含量为91wt％，成型的压力为40mpa。
[0037]
混合气为摩尔比为1.6:8.3:1:0.4的二氧化碳、氮气、水蒸气和氧气。
[0038]
实施例2
[0039]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，0.05mpa，20℃反应2h。
[0040]
实施例3
[0041]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，0.05mpa，30℃反应2h。
[0042]
实施例4
[0043]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，0.05mpa，40℃反应2h。
[0044]
实施例5
[0045]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，0.2mpa，40℃反应2h。
[0046]
实施例6
[0047]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，0.2mpa，50℃反应2h。
[0048]
实施例7
[0049]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，0.2mpa，60℃反应2h。
[0050]
实施例8
[0051]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例8，不同之处在于，0.2mpa，70℃反应2h。
[0052]
实施例9
[0053]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，0.5mpa，60℃反应2h。
[0054]
实施例10
[0055]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，0.5mpa，70℃反应2h。
[0056]
实施例11
[0057]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，0.5mpa，80℃反应2h。
[0058]
实施例12
[0059]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，0.5mpa，90℃反应2h。
[0060]
实施例13
[0061]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，1.2mpa，80℃反应2h。
[0062]
实施例14
[0063]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，1.2mpa，90℃反应2h。
[0064]
实施例15
[0065]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，1.2mpa，100℃反应2h。
[0066]
实施例16
[0067]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，1.2mpa，110℃反应2h。
[0068]
实施例17
[0069]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，2.3mpa，100℃反应2h。
[0070]
实施例18
[0071]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，2.3mpa，110℃反应2h。
[0072]
实施例19
[0073]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，2.3mpa，120℃反应2h。
[0074]
实施例20
[0075]
一种利用大宗固废快速固定二氧化碳的方法同实施例1，不同之处在于，2.3mpa，130℃反应2h。
[0076]
性能评估
[0077]
1.二氧化碳的吸收率：实施例1-20的工艺中，计算大宗固废吸收二氧化碳质量占矿化产物质量的百分比例。其中大宗固废吸收二氧化碳的含量是通过测试矿化产物的tg/dtg曲线所得，大宗固废吸收二氧化碳的含量为550-850℃的重量减少量；矿化产物的质量为矿化产物在105℃的质量。
[0078]
2.抗压强度：实施例1-20按照gbt4111-2013《混凝土砌块和砖试验方法》测试矿化产物的抗压强度。
[0079]
表1
[0080][0081][0082]
二氧化碳吸收率和抗压强度对比图见图1。从上表和图1中可以看出，在相同反应压力下，二氧化碳吸收率(或成品抗压强度)随着反应温度的增加先增大，后减小。经过分析，最佳反应温度计算如下：t＝[1668.21/(7.96681-lg(w*p/133.28947)]-228，其中反应温度为t，混合气中水蒸气的摩尔分数为w，反应压力为p。