隨著快速的城市化和工業(yè)化進(jìn)程，近年來產(chǎn)生了大量富含有機(jī)污染物與病原體的市政污泥。此類固廢的傳統(tǒng)處置方式包括填埋、焚燒等，對環(huán)境產(chǎn)生巨大負(fù)荷。然而，污泥限氧熱解可減少溫室氣體排放并實現(xiàn)碳的穩(wěn)定儲存，產(chǎn)物生物炭的高比表面積、豐富的官能團(tuán)和多界面反應(yīng)位點，為污泥資源化利用提供了經(jīng)濟(jì)環(huán)保的出路。

中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所環(huán)境土力學(xué)與工程學(xué)科方向組研究團(tuán)隊采用常規(guī)限氧熱解污泥得到多孔生物炭，將其作為綠色工程材料與水泥復(fù)配，制備了巖土工程固化用生態(tài)膠凝材料。污泥生物炭在反應(yīng)體系中降低了局部水灰比，起到內(nèi)部養(yǎng)護(hù)作用，并提供更多成核位點，促進(jìn)水化產(chǎn)物的生成，從而增強(qiáng)了復(fù)合材料機(jī)械性能（如圖1）。盡管污泥生物炭在土壤改良、環(huán)境修復(fù)以及水處理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，然而，作為工程材料應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域尚屬首次探索。污泥生物炭生態(tài)水泥的制備與使用，為污泥資源化利用和水泥行業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了新思路。

生物炭膠凝材料的性能取決于原材料的類型和熱解溫度工藝，污泥的熱化學(xué)特性表明，160-580℃溫度范圍是主要和有效的熱解區(qū)。因此，在不同溫度工藝制備污泥生物炭的比表面積、孔隙特征隨溫度變化具有較大差異性。H/C和O/C比值揭示了污泥生物炭具有穩(wěn)定的化學(xué)和生物性質(zhì)及較強(qiáng)的親水能力。這些特征為污泥生物炭作為工程材料的應(yīng)用提供了條件。

為探明生物炭水泥復(fù)合材料的性能與水化反應(yīng)過程，研究人員采用多尺度表征手段揭示了固化體的力學(xué)強(qiáng)度、水化產(chǎn)物以及水化程度演化規(guī)律（如圖2，3），優(yōu)化得到了污泥生物炭水泥的最佳制備工藝（500℃熱解溫度，60min保溫時間）。

為進(jìn)一步揭示生物炭水泥復(fù)合材料的水合機(jī)理，研究人員采用等溫量熱法，確定了水化反應(yīng)過程水化反應(yīng)熱流曲線。盡管不同溫度工藝的反應(yīng)體系具有相似的放熱特性，但最優(yōu)的溫度工藝使復(fù)合材料具有相對較高的放熱速率、累計水化熱和較短的休眠期，表明了生物炭的加速水化效應(yīng)。此外，采用Krstulovic Dabic動力學(xué)模型很好地模擬了污泥生物炭的水合過程（如圖4），在生物炭-水泥復(fù)合體系中揭示了其水合作用機(jī)制：NG-I-D。最優(yōu)工藝生物炭提供的成核位點最多，在各反應(yīng)階段的反應(yīng)速率常數(shù)最高，并且具有最短的相邊界反應(yīng)階段（I）。

結(jié)合生物炭優(yōu)勢和復(fù)合材料固穩(wěn)特性，污泥生物炭生態(tài)水泥應(yīng)用潛力巨大。

該研究成果已在線發(fā)表在Construction and Building Materials上。上述工作得到了國家杰出青年科學(xué)基金、國家重點研究與發(fā)展計劃、國家自然科學(xué)基金委員會與香港研究資助局聯(lián)合科研資助合作研究項目、國家科學(xué)基金會科學(xué)儀器基礎(chǔ)研究專項基金等共同資助。

論文鏈接

圖1 污泥生物炭生態(tài)水泥制備工藝圖

圖2 不同工藝污泥生物炭水泥復(fù)合材料機(jī)械強(qiáng)度特征

圖3 不同工藝污泥生物炭水泥復(fù)合材料水合程度

圖4 不同工藝污泥生物炭水泥復(fù)合材料水化動力學(xué)曲線