权利要求
1.一种工业
固废改性加速碳化制备碳吸附材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将工业固废初步粉磨后与外加剂混合后进行改性处理，得到改性后的样品;
(2)将改性后的样品经过粉磨得到改性固废粉;
(3)将改性固废粉与水混合后压制成型，得到碳化前驱体;
(4)将碳化前驱体碳化养护后得到碳吸附材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述工业固废为冶金生产过程中所产生的固体废弃物，以工业固废的总质量计，所述工业固废成分包括CaO 40~60wt%，SiO2 20~30wt%，Fe2O3 5~15wt%，MgO 5~15wt%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述工业固废含水量在5wt%以下。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述外加剂化合物为BaO、Fe2O3、B2O3、Cr2O3和ZnO化合物中的一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述外加剂添加量为该工业固废的0~10wt%。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，改性处理的温度为200~1500℃，改性处理的升温速率为3~20℃/min。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，改性处理的等温时间为10~300分钟。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，改性处理的冷却速率为3~20℃/min。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述粉磨后的改性固废粉，其比表面积为500~5000 cm2/g。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述改性固废粉与水混合的固液质量比为5:1~30:1。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述压制成型的压力为10~100kN，时间为10~200秒。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(4)中，所述碳化养护的CO2压力<600kPa，温度为10~300℃，相对湿度为50~100%，碳化时间为1~30小时。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种工业固废改性加速碳化制备碳吸附材料的方法。
背景技术
[0002]冶金生产过程中会产生大量固体废弃物，存在活性差和遇水易膨胀等缺点，目前尚无有效的处理途径。企业常规做法是堆存，或少量充当水泥填充料，但在水泥中掺合比低，极大限制了该工业固废在水泥中的应用。有学者称含Ca2+和Mg2+矿相在一定条件下可与CO2反应生成碳酸钙颗粒。研究表明，碳化过程的问题主要集中在如何提升碳化效率以及碳化材料性能两方面。关于上述问题学者们展开了大量研究，目前可将碳化方法分为：干法碳化法、湿法浸出碳化法和微生物碳化法。且有大量研究报道了反应时间、液固比、温度、添加剂、CO2浓度、压力、pH等各种反应参数对碳化效率的影响，同时也讨论了碳化材料的微孔结构、稳定性、可加工性和力学性能。但是，目前仍存在钢渣碳化效率低、工艺实施成本高或材料附加值低等问题，而未能实现工程应用。
发明内容
[0003]基于此，本发明开发了一种工业固废改性加速碳化制备碳吸附材料的方法，通过利用冶炼余热，在热态工业固废中添加少量外加剂，通过控制冷速得到改性固废粉，结合压制成型碳化养护的方法，得到了性能优异的碳吸附材料。
[0004]本发明采用以下技术方案：
[0005]一种工业固废改性加速碳化制备碳吸附材料的方法，包括以下步骤：
[0006](1)将工业固废初步粉磨后与外加剂混合后进行改性处理，得到改性后的样品;
[0007](2)将改性后的样品经过粉磨得到改性固废粉;
[0008](3)将改性固废粉与水混合后压制成型，得到碳化前驱体;
[0009](4)将碳化前驱体碳化养护得到碳吸附材料。
[0010]优选地，步骤(1)中，所述工业固废为冶金生产过程中所产生的固体废弃物，以工业固废的总质量计，所述工业固废成分包括CaO 40~50wt%，SiO2 22~26wt%，Fe2O3 8~10wt%，MgO 10~13wt%。例如，以工业固废的总质量计，所述工业固废成分包括CaO 40 wt%、42 wt%、44 wt%、46 wt%、48 wt%或50wt%;SiO2 22 wt%、22.5 wt%、23 wt%、23.5 wt%、24 wt%、24.5wt%、25 wt%、25.5 wt%或26wt%;Fe2O3 8 wt%、8.5 wt%、9 wt%、9.5 wt%或10wt%;MgO 10wt%、10.5 wt%、11 wt%、11.5 wt%、12 wt%、12.5 wt%或13wt%。
[0011]进一步地，步骤(1)中，所述工业固废含水量在5wt%以下，优选4wt%，更优选2wt%以下。
[0012]优选地，步骤(1)中，所述外加剂为BaO、Fe2O3、B2O3、Cr2O3和ZnO中的一种、两种、三种、四种或五种。
[0013]进一步地，步骤(1)中，所述外加剂添加量为该工业固废的0~10wt%，优选所述外加剂添加量为该工业固废的0~9wt%。例如，所述外加剂添加量为该工业固废的0.05 wt%、1wt%、2 wt%、3 wt%、4 wt%、5 wt%、6 wt%、7 wt%、8 wt%、或9 wt%。
[0014]优选地，步骤(1)中，改性处理的温度为300~1200℃。例如，改性处理的温度为300℃、500℃、700℃、900℃、1100℃、或1200℃。
[0015]进一步地，步骤(1)中，所述改性处理为：按3~20℃/min的速率直接升温至900~1300℃，等温30~180分钟后以3~20℃/min的速率冷却至室温。
[0016]优选地，步骤(1)中，所述改性处理的等温时间为60~120分钟。例如，步骤(1)中，所述改性工艺的等温时间为60分钟、70分钟、80分钟、90分钟、100分钟、110分钟或120分钟。
[0017]优选地，步骤(1)中，改性处理的冷却速率为5~10℃/min。例如，步骤(1)中，改性处理的冷却速率为5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min、9℃/min或10℃/min。
[0018]优选地，步骤(2)中，所述粉磨后的改性固废粉，其比表面积为800~4600 cm2/g。例如，步骤(2)中，所述粉磨后的改性固废粉，其比表面积为800 cm2/g、1000 cm2/g、1500 cm2/g、2000 cm2/g、2500 cm2/g、3000 cm2/g、3500 cm2/g、4000 cm2/g或4600 cm2/g。
[0019]优选地，步骤(3)中，所述改性固废粉与水混合的固液质量比为6:1~28:1。例如，步骤(3)中，所述改性固废粉与水混合的固液质量比为6:1、8:1、10:1、12:1、15:1、20:1、22:1、24:1、26:1或28:1。
[0020]优选地，步骤(3)中，所述压制成型的压力为10~95kN，时间为60~80秒。例如，步骤(3)中，所述压制成型的压力为10 kN、20 kN、30 kN、40 kN、50 kN、60 kN、70 kN、80 kN或95kN，时间为60秒、65秒、70秒、75秒或80秒。
[0021]优选地，步骤(4)中，所述碳化养护的条件为：CO2压力为100~600kPa，温度为20~250℃，相对湿度为60~100%，碳化时间为2~30小时。例如，步骤(4)中，所述碳化养护的条件为：CO2压力为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa或600kPa，温度为20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、150℃、180℃、200℃、220℃或250℃，相对湿度为60%、70%、80%、90%、95%或100%，碳化时间为2小时、5小时、10小时、15小时、20小时、25小时或30小时。
[0022]本发明采用的改性方法，可充分利用冶炼余热，通过加入少量外加剂并控制冷却速率，得到改性固废粉，改性固废粉与水混合压制成型得到碳化前驱体，再利用工业废CO2气体，通过碳化养护工艺得到碳吸附材料，该碳吸附材料将CO2永久封存，可以大幅提高工业固废的碳吸附能力，制备出高强度碳吸附建筑材料，可应用于规模化生产人行道砖、路缘石和边坡砌块等建材，具有显著的经济和生态效益。
附图说明
[0023]图1是本发明的工业固废改性加速碳化制备碳吸附材料的工艺流程图。
[0024]图2是实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5制备的碳吸附材料的抗压强度。
具体实施方式
[0025]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0026]如图1所示，一种工业固废改性加速碳化制备碳吸附材料的方法，包括以下步骤：
[0027](1)将工业固废初步粉磨后与外加剂混合后进行低温(900~1300℃)改性处理，冷却，得到改性后的样品;
[0028](2)将改性后的样品经过粉磨得到改性固废粉;
[0029](3)将改性固废粉与水混合后压制成型，得到碳化前驱体;
[0030](4)将碳化前驱体采用工业废CO2碳化养护后得到碳吸附材料。
[0031]实施例1
[0032]将冶金生产过程中所产生的固体废弃物烘干，得到烘干后的工业固废。将烘干后的工业固废粉磨至平均粒径为75μm，以烘干后的工业固废的总质量计，烘干后的工业固废的主要成分为CaO 44 wt%;SiO2 22.5 wt%;Fe2O3 10wt%;MgO 11.5 wt%，含水量为2wt%。将该工业固废直接进行低温改性处理：按5℃/min的速率直接升温至700℃，等温1小时后随炉以5℃/min的速率降至室温。取出样品后经球磨机粉磨得到比表面积3000±200 cm2/g的改性固废粉;按固液质量比20:1将改性固废粉与水混合均匀后置于4×4×4 cm3的模具中，通过压制成型工艺制得碳化前驱体，压制成型的压力75kN，压制成型的时间1分钟;将碳化前驱体置于高压碳化反应釜中进行碳化处理，碳化处理的条件为：高压碳化反应釜中为CO2氛围，CO2压力为50kPa，温度为100℃，相对湿度为60%，碳化时间为2小时，得到碳吸附材料。
[0033]实施例2
[0034]与实施例1的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述低温改性前的工业固废与B2O3和BaO的混合外加剂均匀混合，其中B2O3和BaO混合外加剂的混合质量比例为1:1，混合外加剂的添加量为工业固废质量的5wt%。
[0035]实施例3
[0036]与实施例2的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述低温改性前的工业固废与外加剂均匀混合，外加剂添加量为工业固废质量的8wt%。
[0037]实施例4
[0038]与实施例2的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述低温改性前的工业固废与外加剂均匀混合，外加剂添加量为工业固废质量的10wt%。
[0039]实施例5
[0040]与实施例3的制备方法基本相同，不同之处仅在于，将所述低温改性温度由700℃调整为800℃。
[0041]测试例
[0042]实施例1、2、3、4和5制备的碳吸附材料的抗压强度，抗压强度测试方法如下：抗压机的下压速率以2400 N/s±200 N/s的速率均匀地加荷直至破坏，抗压强度以牛顿每平方毫米(MPa)为单位，根据破坏时的最大荷载和受压部分面积计算。抗压强度结果如图2所示。由图2可以看出，在700℃低温煅烧条件下，当没有混合外加剂加入时，碳吸附材料抗压强度仅仅15.8 MPa，随着B2O3和BaO的混合外加剂加入量增加至5 wt%、8 wt%和10 wt%，碳吸附材料抗压强度先升高后降低，在B2O3和BaO的混合外加剂掺量为8 wt%时达到最大强度124.5MPa。取外B2O3和BaO的混合加剂掺量为8 wt%，进一步提升煅烧温度至800℃，碳吸附材料强度进一步提升至155.6MPa。
[0043]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
说明书附图(2)
声明：
“工业固废改性加速碳化制备碳吸附材料的方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
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编辑：中冶有色网
来源：中国科学院过程工程研究所
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2025年03月28日 ~ 30日 
