生物固碳钢渣建材制品中的固碳胶结机制与调控技术基础研究

Steel slag and CO2, major wastes emitted form steel manufacture in China, have increasingly impact the global natural ecosystems and human society. Especially, as the global largest emitter of steel slag and CO2, China is facing tremendous pressure on emissions reduction. Inspired by the phenomenon of microbial mineralization in nature, steel slag and CO2 are comprehensively utilized through synergistic effect of two microbial enzymes, acted as carbon sequestration microbial enzyme and carbon emission one, respectively. The whole process of strength forming can be divided into three steps. At first, the steel slag absorbed and fixed CO2, and then carbonated uniformly from the inside out, finally calcite with cementing property formed owing to in-situ mineralization in the steel slag body in a short period. The novel method to prepare steel slag building materials based on biological carbon sequestration not merely enhances efficiency and velocity of carbon sequestration, so as to lower the cost of curing, but reduces the amount of cement to zero. The focus of the project is to explore the mechanism of synergistic carbon sequestration and in situ bio mineralization of two microbial enzymes in the steel slag body, as well as characteristic and theory of carbon sequestration products. Not only will this project provide a theoretical basis for the preparation of steel slag carbon sequestration building materials based on accelerating regulation of microorganisms, but also concise a set of principle of preparation of novel microbial cementitious material with the capacity of carbon sequestration.

钢渣和二氧化碳是我国钢铁工业生产中排放的主要固体、气体废弃物，对自然生态系统和人类社会正产生着越来越深刻的影响。我国钢渣和二氧化碳排放总量均居全球第一，减排压力巨大。本项目从自然界微生物矿化现象中得到启发，拟将钢渣和二氧化碳进行综合资源化利用，巧妙地通过两类分别可固碳和可产碳的微生物酶机制协同作用，以钢渣固定吸收二氧化碳，提升固碳效率和固碳速率，促使钢渣制品由内至外均匀碳化，降低养护成本，短时间内在钢渣坯体内部原位矿化形成具有胶凝特性的方解石，形成强度，实现钢渣建材制品中水泥的“零添加”，制备出新型生物固碳钢渣建材制品。项目将重点探明钢渣坯体中两种微生物酶协同固碳效应、原位生物矿化机制，以及固碳产物的胶凝特性与原理，为微生物加速调控制备固碳钢渣建材制品提供理论基础，凝练出一套具有固碳固渣能力的新型微生物胶凝材料制备原理。

钢渣和二氧化碳是我国钢铁工业生产中排放的主要固体、气体废弃物，对自然生态系统和人类社会正产生着越来越深刻的影响。我国钢渣和二氧化碳排放总量均居全球第一，减排压力巨大。本项目从自然界微生物矿化现象中得到启发，将钢渣和二氧化碳进行综合资源化利用，通过微生物分泌的碳酸酐酶，促进钢渣常温常压下矿化吸收二氧化碳，在钢渣坯体内部原位矿化形成具有胶凝特性的方解石，成功制备新型生物固碳钢渣建材制品。. 项目研究揭示了微生物酶促作用下钢渣碳化增效机制，重点探讨了钢渣中两种典型单矿β-C2S和γ-C2S的碳化产物晶型、形貌、胶凝特性与微观结构演变过程，发现了钢渣矿物颗粒早期在孔溶液中溶解钙离子，发生缓慢水化，伴随着微生物在水分作用下复苏与活性酶的释放，促进二氧化碳的溶解与迁移，利用溶液中的钙离子促进细化的碳酸钙成核沉积，逐渐在钢渣颗粒表面形成由碳酸钙、C-S-H和硅胶组成的水化和碳化产物，获得紧密胶结的硬化结构。. 项目研究探讨了湿含量对生物碳化钢渣制品的影响及作用机制，综合水分对生物碳化速率的影响（二氧化碳传输速率、微生物酶促速率、碳化反应速率、钢渣矿物水化速率），充分研究了不同剩余水灰比条件下钢渣制品的碳化温升、碳化产物、碳化深度和孔结构，阐明水分在生物碳化过程中的作用机制，为新型固碳胶凝材料的制备提供了设计依据和理论基础。. 项目研究构建了微生物作用下钢渣碳化活性弱酸激发方法，钙源是影响微生物固碳钢渣制品碳化效率和碳化效果的核心要素，研究发现醋酸的加入能够促进钢渣中矿物的溶解，释放内部钙源参与固碳反应，包括难溶的RO相中镁离子、亚铁离子等也由化合态转变为游离态，矿化反应的自由能显著降低，固碳效率得以提升，且还可以一定程度促进钢渣水化，并优化界面过渡区。. 综上所述，本项目利用微生物矿化作用，充分激发固废钢渣的碳化潜力和胶凝能力，成功实现了水泥“零添加”条件下的钢渣固碳胶结，抗压强度可达60MPa以上，揭示了其固碳胶结机制，并从根源上解决了钢渣安定性不良的顽疾。本项目采用以废治废的策略，制备1平方米的生物固碳钢渣透水铺装材料可以矿化固定2立方米的二氧化碳和100kg的钢渣，可促进传统建材行业的制备绿色化升级，为凝练新一代固碳胶凝材料的制备方法与原理提供理论基础。