本文将为您分享同济大学蒋正武教授可持续混凝土研究团队近日于Renewable and Sustainable Energy Reviews杂志（IF=15.9，JCR一区，“绿色可持续发展技术”类排名2/46，Top期刊）发表的最新研究成果Carbon dioxide cured building materials as an approach to decarbonizing the calcium carbide related industry。本文第一作者为同济大学可持续混凝土研究团队李晨助理教授，通讯作者为蒋正武教授。
利用碳化反应制备建筑材料、将CO2贮存在材料中，是减少工业碳排放、缓解全球气候变化的有效手段。近年来，世界各国开展了CO2制备建筑材料的理论研究，形成了CO2养护水泥混凝土、CO2活化硅酸钙、CO2养护活性氧化镁等多个门类的新技术。我国自“十三五”期间开始该技术的产业化探索，并在2021年底、2022年初建成了首批示范工程。由于技术原理复杂多样，这类技术的推广、应用受基础理论与工艺设备的制约。作为一种新兴的碳减排手段，其背后的资源、环境效应及碳减排机制，也是国际学术界与产业界关注的热点。
本项研究首先提出了碳化反应耦合火山灰反应的技术思路，设计出利用煤化工行业固废与CO2烟气协同制备全固废建材制品的工艺新路径，实现了资源的有效循环与再生利用。在此基础上，通过实验室与产业尺度的试验验证了相关技术原理，提出了材料力学性能与CO2固定效率（吸收量）优化方案，并提出借助反应热实现反应过程自活化的技术方法，实现了材料的零热能高效制备（图1）。
图 1 CO2养护全固废负碳建筑材料工艺路径与性能分析
利用生命周期评价（LCA）计算CO2养护全固废建材制品制备过程的环境效应，并模拟直接利用化工行业的高浓度CO2尾气与通过氨法捕集低浓度CO2烟气两种工艺路线。计算得出，两种方法下，材料制备过程均可以实现负碳，其碳排放（以全球变暖效应计，负值代表净减排）为–126至–80 kg CO2 eq/m3（图2）。敏感性分析发现，材料的碳减排效应主要受材料的CO2固定量、碳捕集技术的能源消耗、电力结构等因素的影响。
图 2 CO2养护全固废负碳建筑材料制备过程的环境效应
研究提出，固废材料的理化特征与源头CO2浓度，是影响CO2养护建筑材料制备路径与循环经济模式的关键。利用煤化工行业固废制备的全固废负碳建筑材料，不但能够替代传统的砌体材料，也可以作为煤化工行业的碳减排方案，降低电石法PVC生产过程4.7%至7.5%的碳排放（图3）。模拟计算得出，如该技术在煤化工行业推广，可在2050年实现碳减排1.3至3.1亿吨（图4）。
图 3 CO2养护全固废负碳建材制品与传统建材制品的性能对比分析及其应用于电石PVC产生的碳减排效能
图 4 CO2养护全固废负碳建材制品技术应用与煤化工行业的碳减排量预测
本项研究由同济大学与长三角国家技术创新中心有机功能材料与应用技术研究所合作完成，研究受到国家自然科学基金、科技部“十四五”重点研发计划、工信部“2021产业技术基础公共服务平台项目”等支持。蒋正武教授可持续混凝土团队多年来一直致力低碳先进土木工程材料可持续化理论与方法的研究主线，近5年累计在Advanced Materials, CCR, CCC, CBM等期刊发表SCI论文70余篇。
目前论文已经在线发表在Elsevier出版集团Renewable and Sustainable Energy Reviews杂志，欢迎大家在以下链接下载浏览：
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