基于生物质发电厂飞灰的低碳胶凝材料的制备：利用碱-盐固体废物的协同效应进行活化剂比例优化、水化过程研究及可持续性评估

《Process Safety and Environmental Protection》：Preparation of low-carbon cementitious materials based on fly ash from biomass power plant by alkali-salt solid waste synergistic effect: activator ratio optimization, hydration process and sustainability assessment

生物质电厂飞灰协同钢渣和脱硫石膏活化制备低碳水泥，系统研究活化剂配比对凝结时间、水化反应、离子浸出及力学性能的影响，结合XRD、FTIR、SEM-EDS等微观表征和生命周期评估（LCA）验证环境效益。最佳配比BS6-G10使二氧化碳当量降低95.3%，能源等效指数降低87.6%，经济性提升至4.60元/吨·MPa，可持续性指数2.35 kg CO?-eq/吨·MPa。

　　在当前全球气候变化和环境保护的背景下，建筑材料行业正面临着巨大的转型压力。传统水泥的生产和使用不仅消耗大量不可再生资源，还伴随着高能耗和高碳排放，对环境造成严重影响。因此，探索更加环保、可持续的替代材料成为研究的热点。近年来，碱激发材料（AAM）因其良好的工作性能和耐久性，被认为是具有广阔应用前景的低碳胶凝材料。然而，传统碱激发剂如氢氧化钠、氢氧化钾和硅酸钠在生产成本、制备工艺和碳排放方面存在诸多问题，限制了AAM的进一步发展。为此，研究者提出了一种“以废治废”的新思路，即利用工业固体废弃物中的自生碱性或硫酸盐成分作为激发剂，无需额外处理，从而降低对化学产品的依赖。

本研究的重点在于探索生物质量电站飞灰（BPP-FA）作为低碳胶凝材料前驱体的潜力，并通过钢渣（SS）和烟气脱硫石膏（FGDG）作为碱性和硫酸盐激发剂，系统研究其在不同掺量下的协同激活效果。研究不仅关注BPP-FA在不同激活剂作用下的水化反应过程，还深入探讨了其对材料性能、微观结构以及环境和经济指标的影响。通过对设置时间、水化行为、离子渗出和机械性能等关键指标的分析，研究揭示了不同激活剂对BPP-FA系统的影响机制，为实现建筑材料行业的绿色转型提供了科学依据。

生物质量电站飞灰是生物质燃烧的主要副产物，其在工业生产中具有广泛的来源。根据相关统计数据，全球每年消耗约7亿吨生物质，生成近4.8亿吨飞灰，其中中国贡献了约470万吨。目前，超过70%的BPP-FA通过填埋处理，这种方式不仅占用大量土地资源，还增加了运输和处置成本。此外，由于雨水渗透和颗粒扩散等问题，BPP-FA的填埋可能引发重金属渗出和粉尘污染，对水体和空气环境造成威胁。因此，如何有效利用BPP-FA，避免其对环境的负面影响，成为当前研究的重要课题。

在建筑材料行业中，普通波特兰水泥（OPC）的广泛应用导致了对不可再生资源的大量消耗。OPC的生产过程需要高温环境（1400-1500℃）来煅烧熟料，这不仅增加了能源需求，还导致了大量温室气体的排放。根据国际能源署（IEA）的数据，每生产一吨OPC，大约会排放0.8-0.9吨二氧化碳，而水泥行业整体贡献了全球人为温室气体排放的大约7%，仅次于钢铁行业。面对复杂的全球气候环境和“碳达峰、碳中和”的战略目标，传统OPC的生产方式正面临根本性的改变需求。通过技术创新和绿色生产方法，如原材料替代、燃料转换、能效提升和碳捕集与封存，实现建筑材料行业的可持续发展成为当务之急。

碱激发材料因其低碳特性，被认为是OPC的潜在替代品。一方面，利用多种工业副产品（IBP）作为前驱体来源，如粒化高炉矿渣粉（GGBS）、赤泥、燃煤电厂飞灰、煤矸石等，使得AAM成为减少自然资源开采和能源消耗的重要选择。另一方面，AAM独特的化学结构能够有效螯合固体废弃物中的重金属离子，为危险废物的安全处理提供了新思路。然而，传统碱激发剂在生产成本、制备工艺和碳排放方面存在不足，这在一定程度上限制了AAM的广泛应用。因此，探索工业固体废弃物作为激发剂的协同激活效应，具有重要的现实意义。

本研究采用钢渣和烟气脱硫石膏作为碱性和硫酸盐激发剂，对BPP-FA系统的协同激活效果进行了系统研究。研究结果显示，随着钢渣掺量的增加，G5/G10组的孔溶液平均pH值显著上升，从10.81和10.72分别增加到11.02和10.90。这种碱性变化有效促进了BPP-FA颗粒的溶解和反应活性。此外，凝胶产物表现出更优的晶体结构，其Ca/Si比值提高，聚合度增强，形态更加精细。而基体则呈现出更致密的孔结构，提高了材料的力学性能和稳定性。在最优组合BS6-G10中，其全球变暖潜能（GWP）仅为44.14 kg CO?-eq/t，比OPC降低了约95.3%；而其等效能耗（EE）为714.95 MJ-eq/t，比OPC降低了约87.6%。同时，其经济指标（EI）为4.60 CNY/t·MPa，可持续性指标（SI）为2.35 kg CO?-eq/t·MPa。这些数据表明，通过合理选择和组合激发剂，BPP-FA在低碳胶凝材料中的应用不仅具有可行性，还能显著降低碳排放和能耗，提高经济性和可持续性。

研究还通过生命周期评估（LCA）方法，对不同配比方案的经济和环境效益进行了系统分析。LCA结果表明，采用BPP-FA作为前驱体的材料在全生命周期内展现出更低的环境影响和更高的资源利用效率。这不仅拓展了工业副产品如BPP-FA的高值化应用路径，还为其实现在低碳胶凝材料中的广泛应用提供了科学依据和理论支持。此外，研究还探讨了不同激发剂组合对材料综合性能的影响，明确了水化反应过程与宏观力学性能之间的关系，为材料的优化设计和工程应用提供了重要参考。

展望未来，研究者认为以下几个方向值得进一步探索。首先，养护制度和长期耐久性：研究不同养护方法（如自然养护、蒸汽养护、碳化养护）对材料微观结构发展和长期性能的影响。其次，环境适应性和服役性能：探讨材料在恶劣环境（如高温、冻融循环、硫酸盐侵蚀）下的性能演变，以及其在实际工程中的适用性。此外，还需进一步研究不同激发剂对BPP-FA水化反应过程的具体影响，包括其对离子渗出、凝胶产物形成和微观结构变化的调控作用。通过这些研究，可以更全面地评估BPP-FA在低碳建筑材料中的应用潜力，为实现绿色可持续发展提供更加坚实的理论基础和技术支持。

本研究通过系统的实验和分析，为BPP-FA在低碳胶凝材料中的应用提供了科学依据。研究不仅揭示了不同激发剂对BPP-FA系统的影响机制，还明确了其在不同掺量下的性能变化规律。通过对设置时间、水化行为、离子渗出和机械性能的综合分析，研究为实现建筑材料行业的绿色转型提供了可行的解决方案。此外，研究还强调了在实际工程应用中，如何通过优化材料配比和激发剂选择，提高材料的综合性能和环境效益。

在当前的工业发展背景下，如何实现资源的高效利用和环境的可持续发展，是摆在研究者面前的重要课题。BPP-FA作为生物质燃烧的主要副产品，其资源化利用不仅能够减少填埋带来的环境问题，还能为建筑材料行业提供新的原材料来源。通过研究不同激发剂对BPP-FA系统的影响，可以进一步优化其水化反应过程，提高材料的力学性能和稳定性。同时，这种研究也为实现低碳建筑提供了一种新的思路，即通过工业副产品的协同利用，减少对传统水泥的依赖，降低碳排放和能耗。

此外，研究还强调了在实际工程应用中，如何通过合理的材料设计和激发剂选择，实现BPP-FA的高效利用。例如，在BS6-G10组中，通过钢渣和烟气脱硫石膏的协同作用，不仅提高了材料的力学性能，还显著降低了其环境影响和经济成本。这种研究结果为建筑材料行业的绿色转型提供了重要的决策依据，同时也为工业副产品的资源化利用提供了新的发展方向。

总的来说，本研究通过系统的实验和分析，为BPP-FA在低碳建筑材料中的应用提供了科学依据。研究不仅拓展了工业副产品的高值化应用路径，还为其实现在低碳胶凝材料中的广泛应用提供了理论支持。同时，研究还强调了在实际工程应用中，如何通过优化材料配比和激发剂选择，提高材料的综合性能和环境效益。这些研究成果对于实现建筑材料行业的绿色可持续发展具有重要意义，也为工业副产品的资源化利用提供了新的思路和方向。