锂云母提锂渣烧成硅酸钙熟料的晶型调控及固碳材料的碳化特性

作     者：罗鸿云 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王信刚;宋冬生

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：锂云母提锂渣 低钙熟料 碳化特性 晶型调控 协同固碳 

摘      要：随着国家“双碳战略目标的提出,我国进入减污降碳协同增效的历史发展新阶段,作为碳排放大户,水泥产业成为了碳减排的重要领域。针对这一重大问题,一方面是减碳策略,降低水泥中C3S含量、增加C2S含量烧成低钙熟料,能够有效降低水泥烧成温度;另一方面是固碳策略,利用低钙熟料与CO2发生碳化反应,能够将CO2以碳酸盐（如CaCO3/MgCO3）的形式永久封存,提高早期强度,缩短反应时间。 本文以电石渣和砂岩等固体废弃物为原料,锂云母提锂渣（简称锂渣）作晶型调节剂,四氧化三铁作为助熔剂烧成低钙熟料,并研究其碳化特性。探究锂渣对硅酸钙熟料晶型调控的影响,揭示锂渣对硅酸钙熟料的晶型调控机理及多元硅酸钙协同固碳机理。本文主要工作及研究成果如下: （1）二元C2S熟料合适的烧成条件（即烧成温度和保温时间）分别为1350°C和180 min,水固比为0.20,而C2S矿物组成（即γ-C2S和β-C2S）是影响基体碳化特性的关键因素。二元C2S熟料压制成基体碳化24h后,混合体（即γ-C2S:91.2%,β-C2S:5.2%）抗压强度能够达到116.8MPa,而分相后,粉体抗压强度仅为47.4 MPa。 （2）混合体中少量的β-C2S的存在降低碳化反应中的第一阶段活化能,同时,在碳化反应早期,大量热量的释放促进了β-C2S水化,此时碳化和水化反应同时进行,加速了整个碳化反应。而混合体较高的抗压强度归因于其DOC高、方解石含量多、粒径大、硅胶含量少但聚合度高、连续生成的C-S-H凝胶以及碳化过程中孔隙结构细化等。 （3）锂渣作为晶型调节剂烧成三相硅酸钙熟料时,稳定了C3S2晶型,并且调控γ-C2S与β-C2S晶型比例,实现了锂渣对硅酸钙熟料的晶型调控。当锂渣掺量为3%时（即3-LS）,熟料中β-C2S和γ-C2S含量最多,且碳化后达到温升峰值的时间（即3.6 min）最短,具有更高的碳化反应活性。此外,3-LS制备的基体碳化2h和24h后,抗压强度分别达到了83.5 MPa和120.8 MPa。 （4）在烧成过程中,随着锂渣掺量的增加,碳化产物中针棒状文石含量增加,硅胶的含量也更加丰富,而过量的锂渣导致硅胶包裹CaCO3,阻止了其成核结晶,最终抑制了基体抗压强度的发展。 （5）在碳化过程中,三相硅酸钙熟料中β-C2S具有较高的水化活性,此外,在相界面控制阶段,β-C2S具有较低的活化能,C3S2的活化能较高,而γ-C2S的碳化反应活性最高,奠定了γ-C2S、β-C2S与C3S2协同固碳的基础。此外,3-LS中含有较多的β-C2S,这些β-C2S能够促进碳化与水化反应同时进行,加速整个碳化反应,而γ-C2S的高碳化反应活性对基体抗压强度的发展起到了积极作用,C3S2则是较低烧成温度下的产物。 （6）将锂渣与三相熟料以不同比例复合成锂渣基固碳材料,利用MgCl2提高锂渣基体碳化反应活性。碳化过程中,MgCl2的存在也促进了碳化产物中无定形CaCO3转化为方解石,此外,Mg2+部分取代Ca2+形成结晶更好的镁方解石,填充了基体孔隙。 （7）在碳化反应阶段,随着锂渣掺量的增加（即掺入锂渣从0%到30%）,CO2气体扩散能力增强,但过快的碳化反应导致CaCO3的成核结晶时间不足,碳酸钙尺寸变小。此外,由于锂渣的碳化活性较低,掺入的锂渣会抑制方解石的形成,进而限制基体的抗压强度的发展。