废弃混凝土资源化技术路线的探究

摘 """""要： 随着中国现代化发展，出现大量建筑垃圾，建筑全生命周期碳排放占比超过"40%^[1]，这些建筑垃圾中混凝土占60％。如果不恰当地利用这些废旧混凝土，不仅会造成资源的浪费，还会造成环境的污染。利用废旧混凝土并使用碱熔融水热法制备硅酸盐矿物钙水化石榴石（Ca₃Al₂（SiO₄）（OH）₈）固体吸附剂，在303"K、103.99"kPa条件下CO₂吸附量达到了1.83 mmol·g^-1。为了实现部分废旧混凝土资源化并减少二氧化碳危害，达到以废治废的目的，对钙水化石榴石固体吸附剂的制备过程和吸附性能进行了探究。

关 "键 "词：废弃混凝土；钙水化石榴石；以废治废；气体吸附

中图分类号：TQ178"""""文献标志码： A """"文章编号： 1004-0935（2024）07-0997-04

废弃混凝土是在现代化进程中建筑物的拆毁与维护、路面翻新、工程施工等造成的建筑垃圾。随着我国经济的快速发展，建筑行业也同样发展迅猛。在发展的同时，每年建筑垃圾的堆积数量也屡创新高，预计2026年一整年所处理的建筑垃圾数量达到40亿t，在其中一半以上是废弃混凝土。按照以往堆积填埋的处理方式，这些建筑垃圾不仅会消耗人力、物力、财力，还会造成土壤和水资源以及空气的污染，还可能因为随意堆积产生安全隐患。所以混凝土的垃圾资源化变得尤为重要。国内的混凝土资源化的潜力较大，废旧混凝土较多利用在再生骨料和再生混凝土等^[2-7]。建筑垃圾的资源化若想要得到根本性的改善，进一步助力建筑垃圾的综合利用的途径尤为关键。

在废旧混凝土的危害下，温室效应的危害也在逐步增加。温室效应会引起全球温度变高造成一系列自然灾害^[8]。目前温室气体的排放中二氧化碳的排放占温室气体的比重最大，是产生温室效应的主要因素。

废旧混凝土含有丰富的硅和铝的元素。目前含有硅铝元素的一些废弃物例如粉煤灰、高炉渣等可被用作“碳捕集”固体吸附剂的原材料。2019年车帅等^[9]研究了利用高岭土运用碱熔融的合成方法制备沸石CHA，并探究了沸石CHA的CO₂吸附性能。研究表明在一定的硅铝元素比例和适当的反应条件中，可生成沸石CHA。在压力为125"kPa、温度为30"℃的情况下对CO₂的吸附量达到1.81"mmol·g^-1。罗俊韬等^[10]通过粉煤灰高温焙烧活化和酸浸除杂后，提取粉煤灰中的硅铝元素作为合成分子筛的硅源和铝源，经水热晶化法成功制备了高结晶度的NaA型分子筛。

根据化学成分的不同，可将石榴石^[11]分为6种，即铁铝石榴子石、红榴石、锰铝石榴石、钙铝榴石、钙铁石榴石及钙铬榴石，可用化学式X₃Y₂（SiO₄）₃表示。本文研究对象为水钙铝榴石的交代产物钙水化石榴石，化学式为Ca₃Al₂（SiO₄）（OH）₈，钙水化石榴石作为固体吸附剂的一种利用材料具有发达的孔隙结构和比表面积优势，通过范德华力或者弱的化学键对吸附质进行吸附。

本文利用废旧混凝土制备固体吸附剂，捕集二氧化碳，以废治废，不仅能对废旧混凝土的资源化提供多元利用途径，还可以贯彻降碳理念，对节能减排具有较大的意义。

1 "实验部分

1.1 "试剂与设备

试剂：自制混凝土、氢氧化钠、偏铝酸钠、去离子水、高纯二氧化碳。

设备：箱式实验电炉，SXL-1700，中国科学院上海光学精密机械研究所；断水自控蒸馏水器，DZ-5L，北京中兴伟业世纪仪器有限公司；数显恒温磁力搅拌器，HL-4A，常州荣华仪器制造有限公司；电子天平，YP-B2003，上海光正医疗仪器有限公司；电热鼓风干燥箱，101-1ES，北京市永光明医疗仪器有限公司；X 射线衍射仪，XRD-7000，日本岛津公司。

1.2""自制混凝土合成处理及化学成分

在废旧混凝土的处理中，大部分为民用建筑工程使用的国标普通硅酸盐P.O 42.5水泥。又由于实验可重复性的原因，本文利用的C25型号混凝土由国标普通硅酸盐P.O 42.5水泥、天然砂子细骨料和天然石子粗骨料配比合成。将配置好的混凝土在室内环境下放置两天。将自制混凝土样本使用磨料机进行研磨，研磨制备粒径为200目（0.075 mm）的试样。混凝土的化学组成如表1所示。

1.3""实验合成过程

将经过磁选的自制混凝土利用偏铝酸钠补充铝源，按n（SiO₂）∶n（Al₂O₃）为4∶1配比实验。利用电子天平称量5"g自制混凝土、10"g氢氧化钠、0.7"g偏铝酸钠，放入刚玉坩埚中混合均匀。将混合好的固体粉末放置在高温炉中550"℃下煅烧2"h。待煅烧产物冷却后将冷却物研磨。研磨后的煅烧产物放入烧杯中加入60"mL的去离子水并放入磁力搅拌器恒温搅拌均匀，然后在烘箱中"90"℃下保温48"h。48"h后取出，反复洗涤至中性，过滤、干燥。

1.4""样品表征

利用XRD对合成产物进行成分表征，测试条件为"λ=0.1540"6 nm，管压30 kV，管流20 mA，狭缝0.6 mm，扫描角度范围5°"～60°。

2 "结果与讨论

2.1 "样品XRD分析

合成的钙水化石榴石XRD图谱如图1所示。由图1可以看出，钙水化石榴石主要展现了在2θ"为17.56°、20.30°、26.97°、28.88°、32.37°、39.91°、45.20°、53.43°、55.63°处的典型特征峰，这些峰形尖锐、清晰，反映了样品的高结晶度，经过相对结晶度计算以及峰拟合，确定相对结晶度为86.23%。

2.2 "钙水化石榴石吸附性能的研究

2.2.1""吸附压力和温度对附量的影响

为了研究吸附压力对Ca₃Al₂（SiO₄）（OH）₈气体吸附量的影响，本实验利用物理吸附分析仪对CO₂在Ca₃Al₂（SiO₄）（OH）₈上的气体吸附量进行测试。图2为Ca₃Al₂（SiO₄）（OH）₈在363、333、303"K温度下以吸附压力为横轴、气体吸附量为纵轴的散点图。

由图2可以看出，在相同温度下的吸附量受吸附压力的影响非常明显，在0～100 kPa范围内是随着吸附压力的上升而增大。同时在压力范围相同时，吸附随着温度的增高而减少。当吸附压力较低时钙水化石榴石吸附量的增大较快，这是因为在吸附量较低时吸附的CO₂分子只占据了钙水化石榴石内部较少数量的吸附位，此时进入钙水化石榴石孔道的CO₂分子在钙水化石榴石内部的扩散阻力小，且在吸附位附近受到多方向和阳离子之间的诱导力作用，其气体吸附量随着压力的上升呈近似线性增大。而随着吸附压力的增加，CO₂吸附量也逐渐增加，在钙水化石榴石内部越来越多的吸附位被CO₂分子所占据，气体分子在钙水化石榴石内部扩散的阻力逐渐增大，钙水化石榴石对CO₂的吸附也趋于饱和状态，因此在吸附压力较高时，CO₂吸附量受吸附压力变化的影响逐渐减弱。同时在压力范围相同时，吸附量随温度的增高而减少。这是因为钙水化石榴石吸附CO₂的过程为放热过程，并且是一个动态平衡过程，因此温度的升高使吸附的平衡状态向趋于气相一侧移动，造成钙水化石榴石对CO₂的吸附能力减弱。钙水化石榴石在不同温度对CO₂的吸附量如表2所示。

2.2.2""吸附热力学Dual-site-Langmuir探究

在气体分子被吸附和解吸的过程中，会伴随着热量的释放和吸收，热力学分析可以深入揭示吸附剂吸附气体分子的机理。利用Dual-site-Langmuir^[12]方程，求得不同温度下等温线的表达式，进而确定等温拟合曲线。其拟合情况如图3所示。

由图3可知，Dual-site-Langmuir方程的拟合曲线和实测吸附数据有较高的相似度，可以近似预测吸附趋势，符合典型的微孔Langmuir模型，拥有吸附速度快以及可逆吸附等特点，与一些人工合成的沸石的吸附特点相似。

3""结 论

1）利用废旧混凝土合成固体吸附剂吸附二氧化碳具有可行性。废旧混凝土合成的钙水化石榴石在n（SiO₂）∶n（Al₂O₃）为4∶1、碱土比为2∶1、水固比为4∶1、煅烧温度为550"℃、晶化温度为90"℃、晶化时间为2天时，结晶度较高。

2）废旧混凝土合成的钙水化石榴石具有很好的吸附效果，在303"K、103.99"kPa的条件下吸附量达到了1.83 mmol·g^-1。因此钙水化石榴石可以被应用于CO₂捕集。

3）钙水化石榴石吸附特点符合Langmuir吸附模型，拥有吸附速度快以及可逆吸附等特点。

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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