电炉镍渣碳固碳及其在混凝土中的高值化利用方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种电炉镍渣碳固碳及其在混凝土中的高值化利用方法。

背景技术

镍渣是镍金属冶炼过程中，熔融态的镍渣经自然风冷等方式而形成的粒化高炉废渣，其在物质组成上具有Si0

通过调查发现，国内对镍渣的资源化利用尝试起步较早，研究方向也很多样。总结起来主要是从镍渣中提取金属元素，用镍渣制作微晶玻璃，将镍渣用作水泥生产配料、矿物掺合料、碱激发胶凝材料和集料等方法。国外对镍渣的研究起步较晚，主要是用镍渣作为辅助胶凝材料和集料为主。

据世界气象组织报告，大气中的二氧化碳浓度在过去半个世纪急剧上升，至2021年全球平均浓度已经创下了近420ppm的新高，随之带来的全球气候变暖和相应环境灾害频发，需要迫切的发展绿色低碳经济体系，大力减少二氧化碳的排放，同时需要开发高效经济的二氧化碳捕获，封存和资源化利用技术。

大量资料显示，目前仍存在镍渣的处置问题以及镍渣固废资源的综合利用问题。同时，二氧化碳浓度也在逐步上升，全球变暖的趋势越来越明显。针对以上问题，本发明提出电炉镍渣固碳的方法，一方面可以处理大量堆积的镍渣，减少环境污染；另一方面又能固定二氧化碳，减少大气中二氧化碳的含量。

专利CN104030633B公布了一种镍渣混凝土的制备方法。将镍渣不经过磨细，直接筛分成建筑用砂，作为混凝土细集料部分代替砂。这种方法能减少砂的用量，但是未能充分利用镍渣的活性。本发明利用电炉镍渣中含有的镁橄榄石，在溶液中与CO2发生反应，生成稳定的碳酸盐，同时释放无定型SiO2。无定型的SiO2能与水泥水化生成水硬性产物，由于无定型的SiO2分子非常的小，能填充在微小的孔隙当中，大大优化孔隙结构，提高水泥砂浆的强度。

专利CN108863255A公布了一种镍渣混凝土的制备方法，使用水泥、镍渣粉、石、砂、镍渣、砂混合进行制备，制备的镍渣混凝土抗压强度高，生产成本低。但是选取的镍渣粉平均颗粒直径较高，作为矿物掺合料对混凝土的抗压强度提升较低，同时耐久性能较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种电炉镍渣碳固碳及其在混凝土中的高值化利用方法。电炉镍渣中含有60％以上的镁橄榄石，采用通二氧化碳的湿磨方式，减小镍渣的粒径，增大电炉镍渣的比表面积，提高镁橄榄石与二氧化碳在液相中的反应效率，该反应可使镁橄榄石分解，生成碳酸镁和无定形二氧化硅，从而达到固碳目的。碳化后的电炉镍渣含有大量的无定形二氧化硅，将碳化后的电炉镍渣加入到混凝土中，活性极大的电炉镍渣释放二氧化硅，从而具有较高的活性，提高了其建材化利用率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种电炉镍渣碳固碳在混凝土中的高值化利用方法，其特征在于：

首先，按照重量份数计准备如下组分原料：电炉镍渣20-50份，水20-50份，NaHCO

所述的电炉镍渣中含有60％以上的镁橄榄石，比表面积为450-750m

S1：清洗粉磨机：先称取10kg的电炉镍渣倒入粉磨机中磨料，磨20-40分钟；

S2：再称取40kg的电炉镍渣倒入粉磨机中磨料，磨2-3小时，磨出的粉末用袋子装好密封；

S3：取步骤S2电炉镍渣粉末20-50份，放入烘干箱中烘干24h，装入袋子中密封保存；

S4：将准备的组分原料，取20-50份步骤S3中电炉镍渣和20-50份水，加入0.2-0.5份NaHCO

S5：往湿磨机中通入CO

S6：湿磨结束后，再保温1.5-2.5小时，得到碳化增强电炉镍渣浆料；

S7：其次，按照重量份数计，再准备如下组分：普通硅酸盐水泥90-120份，水45-80份，河砂180-240份，碳化增强电炉镍渣浆料20-50份；

S8：配置步骤S6制备的碳化增强电炉镍渣浆料和步骤S7中制备的混凝土浆料的混合浆料；其中，碳化增强电炉镍渣浆料含量为5％～20％，水泥砂浆含量为95％～80％；以质量比计，水：胶凝材料：砂＝1：2：4。

作为优选方案，所述步骤S1中采用10kg镍渣磨料，目的是清洗粉磨机，所述步骤S2中用40kg电炉镍渣磨料是制备电炉镍渣粉末。

进一步地，所述步骤S4中，加入0.2-0.5份的NaHCO

所述步骤S5中，采用湿磨法能减小镍渣颗粒的粒径，增大镁橄榄石的比表面积，为3500-3800m

所述步骤S5中，在温度为80-90℃且不断搅拌的情况下，能有效防止富硅层生长，大幅提升镁橄榄石的溶解度，使CO

在所述步骤S5研磨过程中，每2小时取一次样，目的是检测有无其他物质生成以及反应是否充分。

更进一步地，所述碳化增强电炉镍渣浆料为微米级浆料，所述碳化增强电炉镍渣浆料的平均粒径为3-7μm。

第二方面，本发明还提供一种电炉镍渣碳固碳，其特征在于：采用如上述任一方法中步骤S1-步骤S6制备得到。

相较于现有技术，本发明的优点及有益效果如下：

在湿磨过程中加入少量NaHCO

本发明将镍渣粉末在球磨机中湿磨之后，得到平均粒径为3-7μm的浆料，在机械搅拌和碳化协同作用下，能更好的让电炉镍渣中碱性金属离子与CO

本发明的工作原理如下：

1、电炉镍渣在湿磨过程中由于镍渣之间相互碰撞和挤压使镍渣表面的结构被破坏，通过控制湿磨的温度并通入足量CO

2、镁橄榄石中的Mg-O键能较高，需要一定的机械力或化学作用迫使Mg-O断裂，从而破坏橄榄石晶体结构，以便释放出无定形二氧化硅。采用湿磨的方法是通过物理手段来增加电炉镍渣中镁橄榄石的比表面积，促进碱金属离子溶出。然而，在CO

3、碳化后的电炉镍渣加入到混凝土中，利用碳矿化后释放出的无定形二氧化硅与水泥中的氢氧化钙反应生成水硬性产物。由于无定形二氧化硅具有很强的活性，加入到混凝土中，能大大提高混凝土的活性，混凝土的早期强能够大幅提高。

4、本发明的电炉镍渣碳固碳方法主要是以冶炼金属镍的过程中排放的工业废渣和CO

具体实施方式

以下结合具体实施例和试验数据对本发明的技术方案进行更加清楚、完整地描述和分析。

试验准备阶段：

S1：清洗粉磨机：先称取10kg的电炉镍渣倒入粉磨机中磨料，磨20-40分钟；

S2：再称取40kg的电炉镍渣倒入粉磨机中磨料，磨2-3小时，磨出的粉末用袋子装好密封；

S3：取步骤S2电炉镍渣粉末20-50份，放入烘干箱中烘干24h，装入袋子中密封保存。

实施例1

S4：取20份步骤S3制备的电炉镍渣粉末和20份水，0.2份NaHCO

S5：将实施例1步骤S4中的镍渣浆料倒入大湿磨机的容器中，通入速率2L/min的CO

S6：湿磨结束后，再保温1小时，得到碳化增强电炉镍渣浆料。

S7：配置混凝土浆料，按照重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥120份，水60份，河砂240份，配置水：胶凝材料：砂的配比为1：2：4的混凝土浆料。

S8：配置1份实施例1中步骤S6制备的碳化增强电炉镍渣浆料和步骤S7中制备的混凝土浆料的混合浆料，编号为A。其中，A组碳化增强电炉镍渣浆料含量为5％，水泥砂浆含量为95％。

实施例2

S4：取30份步骤S3制备的电炉镍渣粉末和30份水，0.3份NaHCO

S5：将实施例1步骤S4中的镍渣浆料倒入大湿磨机的容器中，通入速率2L/min的CO

S6：湿磨结束后，再保温1小时，得到碳化增强电炉镍渣浆料。

S7：配置混凝土浆料，按照重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥110份，水55份，河砂220份，配置水：胶凝材料：砂的配比为1：2：4的水泥浆料。

S8：配置1份实施例1中步骤S6制备的碳化增强电炉镍渣浆料和步骤S7中制备的水泥砂浆的混合浆料，编号为B。其中，B组碳化增强电炉镍渣浆料含量为10％，水泥砂浆含量为90％。

实施例3

S4：取40份步骤S3制备的电炉镍渣粉末和40份水，0.4份NaHCO

S5：将实施例1步骤S1中的镍渣浆料倒入大湿磨机的容器中，通入速率2L/min的CO

S6：湿磨结束后，再保温1小时，得到碳化增强电炉镍渣浆料。

S7：配置混凝土浆料，按照重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥100份，水50份，河砂200份，配置水：胶凝材料：砂的配比为1：2：4的水泥浆料。

S8：配置1份实施例1中步骤S6制备的碳化增强电炉镍渣浆料和步骤S7中制备的水泥砂浆的混合浆料，编号为C。其中，C组碳化增强电炉镍渣浆料含量为15％，水泥砂浆含量为85％。

实施例4

S4：取50份步骤S3制备的电炉镍渣粉末和50份水，0.5份NaHCO

S5：将实施例1步骤S4中的镍渣浆料倒入大湿磨机的容器中，通入速率2L/min的CO

S6：湿磨结束后，再保温1小时，得到碳化增强电炉镍渣浆料。

S7：配置砂浆，按照重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥90份，水45份，河砂180份，配置水：胶凝材料：砂的配比为1：2：4的水泥浆料。

S8：配置1份实施例1中步骤S6制备的碳化增强电炉镍渣浆料和步骤S7中制备的水泥砂浆的混合浆料，编号为D。其中，D组碳化增强电炉镍渣浆料含量为20％，水泥砂浆含量为80％。

对比例1

配置砂浆，按照重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥120份，水60份，河砂240份，配置水：胶凝材料：砂的配比为1：2：4的水泥浆料。制备砂浆浆料，编号为E。其中，E组碳化增强电炉镍渣浆料含量为0，水泥砂浆含量为100％。

对比例2

此试验准备阶段同上述实施例部分，此处省略准备阶段的步骤1)-3)；

4)取50份电炉镍渣粉末和50份水，0.5份NaHCO

5)将实施例1步骤S4中的镍渣浆料倒入大湿磨机的容器中，但不通入CO

6)湿磨结束后，再保温1小时，得到镍渣浆料。

7)配置砂浆，按照重量份数计包括以下组分：普通硅酸盐水泥90份，水45份，河砂180份，配置水：胶凝材料：砂的配比为1：2：4的水泥浆料。

8)配置1份上述步骤6)制备的镍渣浆料和步骤7)中制备的水泥砂浆的混合浆料，编号为F。其中，F组镍渣浆料含量为20％，水泥砂浆含量为80％。

实施例及对比例中掺入碳化镍渣的混凝土各项性能参数结果：

对比上述实施例(1-4)和对比例(1-2)，用电炉镍渣碳化增强浆料替代部分水泥，其工作性能和凝结时间略有下降，这个问题可以在实际应用中通过加入少量减水剂来解决。但是A、B、C、D的3d和7d的抗压强度有较大的提升。其中，A组相对于E组，3d抗压强度提升了10.7％，7d抗压强度下降了3.3％；B组相对于E组，3d抗压强度提升了23.2％，7d抗压强度提升了4.2％；C组相对于E组，3d抗压强度提升了36.8％，7d抗压强度提升了10.6％；D组相对于E组，3d抗压强度提升了48.9％，7d抗压强度提升了19.4％，D组相对于F组，3d抗压强度提升了87.6％，7d抗压强度提升了48.1％。