A Mini Review of Direct Aqueous Carbonation of Calcium Carbide Residue and Ferrous Slag for Carbon Mineralization and Cementitious Applications

世界生产了大量的工业废物，这些废物往往堆积在填埋场中，不仅占用空间，有时还会向土壤和水中泄漏有害化学物质。与此同时，化石燃料的燃烧和水泥的生产向大气中释放了大量的二氧化碳，驱动着气候变化。科学家们长期以来一直在寻找将这两个问题转化为一个解决方案的方法：即捕捉二氧化碳并将其锁定在固体材料中。一种极具前景的方法涉及一种被称为“矿化”的过程，即在含有工业废物的水性混合物中通入二氧化碳气体。气体与废物中的矿物质发生反应，形成稳定的固体岩石，从而有效地将碳永久封存。这种方法不仅减少了温室气体，还将无用的垃圾转化为可能具有用途的建筑材料。

有两种特定类型的工业废物在这一领域引起了特别关注。第一种是碳化钙残渣，它是制造乙炔气过程中的副产品，富含一种能与二氧化碳快速反应的化合物。第二种是钢渣，这是一种在制造钢铁过程中产生的玻璃状物质。虽然这两种材料都很有前景，但它们在单独处理时都存在一个主要缺陷。富钙废物反应得非常快，以至于会在自身表面包裹上一层坚硬的碳酸盐层，从而阻碍进一步的反应，导致大量材料无法被转化。另一方面，钢渣的反应速度却非常缓慢，几乎没有任何变化。研究人员 Fon Alain Zoum 的一项新综述研究了将这两种废物结合起来如何解决上述两个问题，从而将一个化学死路转变为一条清洁空气并创造新建筑材料的可行路径。

该综述综合了近期的研究，解释了当这两种废物在引入二氧化碳之前混合在水中时会发生什么。当碳化钙残渣单独处理时，反应开始得很快，但会突然停止。二氧化碳溶解在水中并攻击废物的表面，产生一层固体碳酸钙壳。这个壳就像一层防护装甲，阻止二氧化碳接触到内部的新鲜材料，从而在反应完成前就停止了反应。相比之下，钢渣由复杂的玻璃结构组成，紧紧锁住其矿物质，使得二氧化碳很难将其提取出来以形成新的岩石。结果是，单独处理其中任何一种材料都是低效的，导致大量的潜在碳存储未能得到利用。

然而，当研究人员将碳化钙残渣与钢渣或铁渣混合时，整个过程发生了变化。综述强调，这两种材料以一种绕过“阻塞问题”的方式协同工作。富钙废物溶解得很快，将钙离子释放到水中。这些离子并没有立即撞击二氧化碳并在钙废物本身表面形成外壳，而是穿过水流并降落在渣矿颗粒的表面。在那里，它们发生反应形成固体碳酸盐岩石。这种位置的转移至关重要。通过将固体岩石的形成位置从钙废物转移开，钢渣充当了一个安全的“着陆区”，防止了钙废物被覆盖和阻塞。这使得钙废物能够持续溶解和反应，直到几乎被完全利用，而原本反应迟缓的钢渣也成为了这一过程的积极参与者。

研究人员发现，这种伙伴关系在很大程度上取决于反应的具体条件，例如温度、使用的气体量以及与废物混合的水量。不存在适用于每种混合物的单一“完美”设置。如果水太少，混合物会变得太稠，难以混合；如果水太多，化学物质会变得太稀释，从而无法有效反应。同样，虽然温水通常会加速反应，但也可能降低气体的溶解度，从而产生一种权衡关系。综述建议，最好的方法是针对每种特定类型的废物仔细平衡这些因素，而不是试图应用一个普遍规则。目标是保持反应足够快以保证效率，同时又足够慢以避免过早堵塞系统。

一旦碳化过程完成，所得的固体材料可以用作混凝土和砂浆中水泥的替代品。该综述分析了当这些新材料被混合到建筑产品中时的表现。研究结果表明，碳化废物主要起到了填充物和辅助水泥硬化的作用，而非作为一种强力的化学粘合剂。当使用较小比例（通常为总混合物的百分之十到百分之二十）时，这种材料实际上可以提高混凝土的早期强度。这是因为微小的固体颗粒为水泥的生长提供了表面，从而加速了硬化过程。然而，如果添加过多的碳化废物，则会稀释活性水泥，导致最终产品的强度下降。颗粒的形状和大小也很重要；某些形式的固体岩石有助于提高混合物的流动性，而另一些则会使混合物变得僵硬且难以操作。

尽管在强度和施工性能方面取得了这些令人鼓舞的结果，但该综述指出，我们在其长期安全性方面的知识仍存在显著空白。虽然这些新形成的固体是稳定且坚硬的，但目前还没有研究测试它们在严苛环境下的表现，例如盐水、酸雨或冬季的冻融循环。目前尚不清楚用这些材料制造的混凝土是否能像传统混凝土一样持久，或者是否会随着时间的推移而开裂或退化。综述总结道，虽然这种通过混合废物来捕获碳的方法在科学上是合理的，在机械原理上也是有效的，但在这些耐久性问题得到解答之前，它无法在建筑领域广泛应用。未来的研究路径需要确保那些由今日之废料制成的未来建筑，能够保持数十年如一日的安全与坚固。