通过双过程碳固定方法提高基于碳化物渣的材料中的碳固定能力

《Process Safety and Environmental Protection》：Enhancing Carbon fixation in Carbide Slag-Based Materials through a dual-process carbon fixation method

双过程碳固定方法通过湿法预碳化和干法深度碳化协同作用，有效提升碳化渣基材料的吸附能力与孔隙结构，实验表明该方法使碳固定量达207.5 kg/t，较单过程提高5.6%，同时优化流体性能和矿化稳定性。

　　
在碳减排成为全球性议题的背景下，中国学者周风鸽、孙露露等团队围绕煤矿地下空间二氧化碳封存材料性能优化展开研究。该项目聚焦传统碳化渣基材料在孔隙堵塞问题上的技术瓶颈，通过创新性工艺组合提出双过程碳固定解决方案，为工业固废资源化与地质封存技术融合提供了新思路。

研究基础源于碳捕集与封存（CCUS）技术的工程化应用困境。当前主流封存材料虽具备低成本优势，但存在吸附容量受限、孔隙结构易堵塞等缺陷。团队通过文献调研发现，全球碳捕集年排放量已达37.8亿吨（IEA,2025），而我国废弃矿井空间占比超过60%，亟需开发高效稳定的封存材料体系。这为实验设计提供了明确方向——在传统碳化渣材料基础上，通过工艺创新突破性能瓶颈。

实验材料采用波特兰水泥与碳化渣的复合体系，其中波特兰水泥选用自建实验室标准配方，碳化渣取自焦化行业副产品。原料经筛分（80%通过率）和XRD分析验证其化学稳定性，这种组合既保证了材料的多孔结构基础，又利用了碳化渣的高碱性特性。创新工艺的核心在于分阶段碳化处理：初期在浆体阶段进行短时（0-50分钟）碳化，后期对凝结体实施高压（0.25-2MPa）深碳化。

在工艺参数优化方面，研究团队建立了动态调控机制。浆体阶段碳化时间与流体力学性能呈现显著相关性，30分钟碳化可使浆体屈服应力提升至6.99Pa，较对照组提高150%。这种预碳化处理通过碳酸钙沉淀形成三维网络结构，既增强了材料早期可泵性，又为后续孔隙优化奠定了基础。值得注意的是，碳化时间并非线性相关，超过40分钟会出现颗粒团聚现象，这为工艺参数控制提供了关键阈值。

高压深碳化阶段采用梯度压力调控策略。在0.25-2MPa压力区间，封存材料展现出不同的相变特征。热重分析显示，材料在100-600℃区间存在显著质量损失，对应碳酸钙分解与新生碳酸盐的形成。这种热力学相变过程使材料比表面积提升3%-17.8%，总孔容增加5.3%-7.5%。特别在1.5MPa处理条件下，形成了以方解石为主、文石为辅的复合碳酸盐结构，其比表面积达到432.7m2/g，孔隙率提升至32.5%，为后续封存提供了物理空间基础。

微观结构分析揭示了工艺协同效应。扫描电镜显示，单过程碳化材料孔隙以片状结构为主，而双过程处理形成类蜂窝状三维孔隙体系。这种结构变化使材料在气体吸附动力学方面表现优异，比表面积每增加1m2/g，CO?吸附速率提升约8.2%。同时，XRD图谱中显示的方解石衍射峰强度比单过程提升37%，证实了碳化反应的深度推进。

工程应用潜力方面，研究建立了碳封存容量与孔隙结构的量化模型。通过计算孔隙分布函数与比表面积的关系，发现当孔径分布在0.5-5μm区间时，单位体积封存能力达到峰值。双过程处理使该区间孔隙占比从28%提升至41%，导致封存容量提高5.6%。模拟预测显示，该材料在3m厚矿井壁中的封存效率可达287kg/m3，较传统材料提升42%。

经济性评估显示，双过程工艺较单阶段成本降低19%。主要节约来自碳化时间缩短（减少30%反应时长）和能源消耗降低（压力设备能效提升25%）。这种经济优势源于分阶段工艺对能源密度的优化，初期浆体碳化利用常温反应，后期高压碳化通过余热回收系统实现能耗降低。

技术延展性方面，研究团队在材料改性领域取得突破。通过引入碳化渣-钢渣复合体系（质量比3:1），不仅使抗压强度提升至35MPa（满足煤矿支护标准），更在200℃碳化过程中实现了双倍CO?吸附量。这种协同效应源于两种渣物的矿化反应差异，碳化渣提供碱性环境促进方解石沉淀，钢渣的微孔结构则增强气体吸附位点密度。

工程验证部分采用井下试验场进行实地模拟。在山东某矿井3号煤层（埋深1200m）进行的试验表明，双过程封存材料在地下200天未发生明显结构劣化，CO?泄漏率控制在0.03%以下。这种长期稳定性归功于材料内部形成的致密碳酸盐层，其抗渗性能达到10??cm/s量级，显著优于传统石灰石基材料。

研究还建立了全生命周期碳足迹模型，显示双过程工艺较传统方法减少42%的间接碳排放。这主要得益于固废原料的高利用率（碳化渣使用量达85%）和工艺能耗的优化。经济评估表明，每吨CO?封存成本可降至28美元，低于国际同类技术（35-40美元/tCO?）。

当前技术瓶颈主要在于长期封存材料的结构稳定性。研究团队通过引入纳米级硅灰（添加量5%）形成致密表层，使材料在80℃高温下仍保持孔隙结构完整。这种改性策略在实验室加速老化试验中表现出色，2000小时循环测试后CO?释放率仅为初始封存量的12%。

未来发展方向包括：1）开发智能响应型封存材料，通过pH或温敏型添加剂实现孔隙动态调控；2）构建多尺度封存体系，将材料封存与煤层裂隙网络结合，形成立体封存结构；3）完善全生命周期数据库，整合材料制备、封存、监测各环节数据。这些创新方向将推动技术从实验室向工业化应用跨越。

该研究为"双碳"战略提供了关键技术支撑。通过固废资源化利用（碳化渣利用率达90%以上），不仅解决了传统封存材料原料短缺问题，更形成"固废-封存-减排"的良性循环。据测算，若推广至我国年产生量300万吨的碳化渣，可同步封存CO? 1000万吨/年，相当于新增12个百万千瓦级风电基地的年减排量。

在工程应用方面，研究提出"三阶段"实施策略：初期在低渗透煤层试验（如山西沁水盆地）；中期拓展至高渗透煤系（如内蒙古鄂尔多斯盆地）；远期开发深部封存系统（埋深>1500m）。这种渐进式推广既能验证技术可靠性，又能根据不同地质条件优化工艺参数。

安全评估显示，双过程封存材料在3000m埋深下的结构稳定性超过设计基准期50年。通过建立材料性能退化模型，预测在1.5MPa压力下，孔隙结构完整度可保持85%以上，满足国际CCUS安全标准（ISO 23439:2023）。环境风险评估表明，材料中重金属浸出浓度均低于《危险废物鉴别标准》限值，具备生态安全优势。

技术标准化方面，研究团队已参与制定《工业固废基二氧化碳封存材料技术规范》，涵盖原料筛选、工艺参数、检测方法等12个关键指标。其中特别强调碳化时间与压力的匹配关系，建立"时间-压力"协同调控矩阵，使材料性能波动范围缩小至±5%。

市场前景分析显示，随着我国"十四五"期间CCUS项目投资规划（目标投入200亿元），该技术有望在3年内实现产业化。目前已有3家大型煤企签订技术合作协议，首期工程涉及封存容量500万吨/年。经济效益测算表明，材料成本较进口胺基吸附剂降低60%，单位封存成本下降45%。

该研究的重要突破在于建立了"工艺-结构-性能"的构效关系模型。通过CT扫描与原位表征技术，首次揭示碳化时间与孔隙分形维数（D=2.83-3.12）的正相关关系，以及压力梯度对孔径分布宽度的调控机制。这种微观机理的阐明，为同类材料开发提供了理论框架。

在环境效益方面，按年产100万吨封存材料计算，可减少石灰石开采量85%，降低开采碳排放120万吨/年。同时，碳化渣中残留的焦炭等物质可通过气化工艺再生利用，形成循环经济模式。这种"封存-回收-再利用"闭环体系，有效解决了碳封存材料的可持续供应问题。

技术演进路径显示，当前研究处于"工艺优化"阶段，未来将向"智能材料"方向升级。计划引入机器学习算法，通过建立材料性能预测模型，实现原料配比和工艺参数的实时优化。同时开发在线监测系统，集成孔隙结构传感器和CO?浓度梯度仪，构建封存效果动态评估体系。

该成果已获3项国家发明专利授权（ZL2024XXXXXX.X等），并在山东、山西、内蒙古等地建立示范工程。其中与兖矿集团合作的井下封存试验，成功封存CO? 2.3万吨，达到国际同类项目水平。技术成熟度评估（TRL）已从4级提升至5级，具备工程化应用条件。

从学科交叉角度看，该研究融合了材料科学、岩层力学、环境工程等多学科知识。特别是将流变学理论引入固废碳化工艺，建立了浆体碳化动力学模型，解决了传统方法中反应时间难以精确控制的难题。这种跨学科整合为新型封存技术开发开辟了新路径。

在政策层面，研究成果已纳入《国家碳捕集与封存技术路线图（2025-2030）》，被列为重点推广技术。财政部2024年新增的CCUS专项补贴中，双过程技术可享受最高30%的财政支持比例。这种政策与技术的良性互动，将加速产业化进程。

国际比较研究显示，该技术路线在成本与封存效率方面具有竞争优势。欧盟最新发布的CCUS技术评估报告中，将双过程碳化渣材料列为"最具潜力"的本土化解决方案，其单位封存成本（28美元/tCO?）低于美国（35美元/tCO?）和欧盟（40美元/tCO?）同类技术。

未来技术升级重点包括：1）开发耐高压（>3MPa）碳化反应器；2）研究不同地质条件下的材料适应性改造；3）建立封存-监测一体化智能系统。其中耐高压反应器设计已进入工程样机阶段，测试显示在2.5MPa压力下材料孔隙结构保持率超过92%。

该研究在固废资源化领域具有示范意义。通过将传统难以处理的工业固废转化为封存材料，不仅解决了环境治理难题，更形成了"污染治理-碳封存-能源生产"的产业闭环。例如，焦化厂年产生200万吨碳化渣，经处理后可封存CO? 70万吨，同时产生高附加值建材产品。

在安全监测方面，研究团队创新提出"三重防护"体系：材料本体碳酸盐层的物理屏障（渗透系数<10??m/s）、包裹层（水泥基材料）的化学稳定层（耐酸碱度pH=5-12）、以及地表智能监测网络（实时精度±1%）。这种多层防护机制使封存系统安全等级达到IEC 62619标准A级要求。

从可持续发展角度，该技术可带动固废处理产业链升级。例如，碳化渣经处理后可作为混凝土掺合料（掺量30%以上），其28天抗压强度较纯水泥提高18%-25%。这种建材改性技术已在多个工程中得到验证，使封存材料同时具备工程应用价值。

国际学术界对该成果给予高度评价。美国能源部在最新技术简报中推荐该方案为"发展中国家适用型CCUS技术"，其核心优势在于利用本地化固废原料和成熟工艺技术。欧盟气候行动委员会（ACCA）将其列为"2025关键技术清单"中的优先发展项目。

在技术创新层面，研究团队正在探索"四位一体"集成工艺。即在双过程碳化基础上，叠加微生物矿化技术，通过构建"物理封存+化学矿化+生物转化"协同体系，预期封存效率可提升至300kg/t。目前该技术已进入中试阶段，实验室数据表明CO?转化率可达98.5%。

人才培养方面，研究形成"产学研用"四位一体的人才培养模式。与山东科技大学共建联合实验室，已培养专业人才27名，其中5人获国家奖学金，3篇相关论文入选SCI高被引论文。这种机制有效解决了CCUS领域人才短缺问题。

国际标准化进程方面，研究团队主导制定了《工业固废基碳封存材料性能测试规范》（ISO/DIS 23438:2026），该标准首次将材料全生命周期性能纳入评估体系，包括碳化效率、长期稳定性（2000小时性能衰减率<15%）、环境兼容性等12项核心指标。

该成果的经济效益评估显示，按当前技术参数，每吨CO?封存成本可降至28美元，较国际同类技术低25%。在山东某示范项目中，通过碳交易收益与政府补贴（合计38美元/tCO?）已实现商业化盈利。这种成本效益优势为技术规模化应用奠定了经济基础。

技术风险防控方面，研究团队建立了"三位一体"风险管理体系：1）材料失效预警系统（基于孔隙结构监测数据）；2）应急封存方案（预留10%孔隙作为缓冲空间）；3）后效评估机制（封存后30年跟踪计划）。这种防控体系使项目风险评级从原来的6级降至2级。

在跨领域应用方面，该技术已延伸至其他封存场景。例如，在污水处理领域，利用碳化渣吸附去除率可达92%的氨氮，处理效率较传统活性炭提升40%。这种多功能性拓展了技术的应用边界，形成"碳封存+"的产业生态。

研究团队还开发了配套的工程模拟软件，可对封存层结构、气体扩散路径进行三维建模。软件内置17种地质参数数据库，能自动生成封存方案优化建议。目前该软件已应用于山西晋城、内蒙古鄂尔多斯等5个示范项目，设计优化准确率达89%。

在国际合作方面，研究团队与英国Carbon Capture and Storage Association（CCSA）建立联合研究中心，重点攻关高压下材料孔隙结构稳定性问题。双方合作项目已获得欧盟"Horizon 2025"基金支持，计划在北海海底建立中试平台。

技术迭代路径清晰：2025年完成中试基地建设（目标封存量50万吨/年）；2027年实现规模化应用（100万吨/年）；2030年形成全球技术标准。这种渐进式推进策略既确保技术可靠性，又避免大规模投资风险。

环境效益量化显示，每万吨封存材料相当于减少：1）原煤消耗4.2吨；2）二氧化硫排放1.8吨；3）固体废物处理成本12万元。这种多维度减排效果，使项目获得联合国环境署"绿色技术创新奖"。

该研究对全球CCUS技术发展具有启示意义。通过固废资源化利用（碳化渣利用率达90%），将传统环境治理问题转化为技术升级机遇。这种"问题-技术-效益"的闭环模式，为发展中国家提供可复制的CCUS发展路径。

在政策支持方面，研究团队积极推动行业标准制定。已与生态环境部合作起草《工业固废基碳封存材料技术规范》，预计2026年正式发布。该规范将填补国内在固废碳化材料标准方面的空白，推动行业规范化发展。

技术经济分析表明，项目投资回收期（考虑碳交易收益）为5.8年，内部收益率（IRR）达22.3%。这种经济可行性在目前CCUS技术中具有竞争力，尤其适合资源型地区（如山西、内蒙古）的应用推广。

未来技术拓展方向包括：1）开发耐高温（>300℃）封存材料，适应深层封存需求；2）研究极端地质条件（高渗、高应力）下的材料适应性；3）探索封存材料与地热能开发的协同模式。这些方向将进一步提升技术综合效益。

通过上述多维度创新，该研究不仅解决了传统封存材料的性能瓶颈，更构建了"原料-工艺-材料-封存"的全链条技术体系。这种系统性创新为工业固废资源化开辟了新路径，同时为深部地质封存提供了可靠技术支撑，对实现"双碳"目标具有重要战略意义。