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一种高效固碳的生物炭泡沫混凝土及其制备方法与流程

花匠小妙招
2024-11-12 12:32

本发明涉及泡沫混凝土加工，具体涉及一种高效固碳的生物炭泡沫混凝土及其制备方法。

背景技术：

1、生物炭是一种由农业废弃物等生物质原料在缺氧或低氧条件下经过高温裂解制成的多孔性碳质材料。由于其高孔隙率和大比表面积，生物炭具有良好的吸附性能和稳定性，能够有效吸附并固定二氧化碳等温室气体。随着全球气候变化和环境问题的日益严重，减少温室气体排放、实现碳减排已成为国际社会共同关注的重要议题，将生物炭应用到建筑材料中，对于降低碳排放、实现建筑行业绿色可持续发展具有重要意义。

2、现有技术中，公开号为cn116969723a的一篇中国专利，公开了一种具有高效固碳性能的生物炭泡沫混凝土，属于碳封存材料技术领域。采用泡沫混凝土材料对生物炭进行负载，得到生物炭泡沫混凝土材料。本发明的生物炭泡沫混凝土材料其孔隙结构均匀、稳定性好，凭借生物炭自身的特性、对二氧化碳的吸附特性以及水泥基材料的碳化反应特性三方面的协同固碳作用，能够表现出优异的固碳效果，有良好的低碳水泥基材料示范效果。根据实际实验结果，在生物炭取代率为6％和7.5％时，该材料全生命周期的二氧化碳减排率可分别超过50％和60％；根据理论计算，当生物炭取代率达到12％时，二氧化碳减排率可达到100％。

3、现有的生物炭在增强泡沫混凝土材料时，通常是直接的将生物炭加入到泡沫混凝土材料中，为达到预期的减排效果，往往需要加入大量的生物炭材料，但是，生物炭的添加会增加混凝土的孔隙度，尤其是当生物炭掺量较大时，会降低混凝土的密实性和强度，生物炭泡沫混凝土的机械性能与固碳减排性能有待进一步提高。

4、针对此方面的技术缺陷，现提出一种解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高效固碳的生物炭泡沫混凝土及其制备方法，用于解决现有技术中生物炭泡沫混凝土的机械性能与固碳减排性能有待进一步提高的技术问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种高效固碳的生物炭泡沫混凝土，包括按照重量份的以下组成：水泥30-60份、增强骨料70-80份、生物炭复合凝胶7-11份、水50-60份、减水剂2-3份和复合型发泡剂20-40份；

4、所述生物炭复合凝胶的制备方法为：将活化秸秆炭粉、八甲基硅油、硅酸四乙酯、四氢呋喃加入到氮气保护的反应釜中搅拌，室温下搅拌20-30min，向反应釜中加入碱催化溶液，反应釜温度升高至体系回流，反应6-8h，后处理得到生物炭复合凝胶。

5、进一步的，所述水泥为硅酸盐水泥；

6、所述增强骨料由膨胀珍珠岩与河沙按重量比3:2组成，所述膨胀珍珠岩与河沙的粒径均为0.1-2mm；

7、所述复合型发泡剂由改性硅树脂聚醚乳液、十二烷基硫酸钠、硬脂酸钙和纯化水按重量比20:2-4:3-5:6-8组成，其中，改性硅树脂聚醚乳液的含固量为45-55%。

8、生物炭复合凝胶的合成反应原理为：

9、在碱性条件下，活化秸秆炭粉、八甲基硅油、硅酸四乙酯上的硅氧烷键水解生成硅醇后，发生自组装缩聚反应，形成具有三维网络结构的聚硅氧烷，在高温环境下，能够促进硅氧烷网络增长，当硅氧烷网络增长到一定程度时，体系开始凝胶化，从而制备得到具有偏铝酸钙混杂的生物炭复合凝胶。

10、进一步的，所述活化秸秆炭粉、八甲基硅油、硅酸四乙酯、四氢呋喃和碱催化溶液的用量比为5g:10g:2g:100ml:30g，所述碱催化溶液由氢氧化钾、偏铝酸钙和纯化水按重量比1:3:10组成，所述后处理包括：反应完成之后，反应釜温度降低至40-48℃，减压蒸除四氢呋喃，得到生物炭复合凝胶。

11、进一步的，所述活化秸秆炭粉由以下步骤加工得到：

12、a1、以水稻秸秆为原料，对其进行预处理，制备得到预处理秸秆；

13、a2、将预处理秸秆置于氮气保护的管式炉中，进行程序升温煅烧，得到裂解秸秆炭粉；

14、a3、将裂解秸秆炭粉、kh-550、无水乙醇加入到反应釜中搅拌，反应釜温度升高至45-55℃，向反应釜中加入氢氧化钠溶液，保温处理4-6h，后处理得到活化秸秆炭粉前驱体；

15、a4、将活化秸秆炭粉前驱体、四氢呋喃加入到氮气保护的反应釜中搅拌，室温下，向反应釜中加入异氰酸丙基三乙氧基硅烷，反应釜温度升高至45-55℃，保温反应60-80min，后处理得到活化秸秆炭粉。

16、活化秸秆炭粉的制备原理为：

17、在氮气保护下进行煅烧是为了防止秸秆在高温下被空气中的氧气氧化，通过程序性的升温煅烧，可以确保秸秆在控制好的温度和时间下逐渐裂解，形成炭粉，从而去除秸秆中的大部分非碳元素，使碳含量增加，形成裂解秸秆炭粉；裂解秸秆炭粉经过kh-550修饰后，其上的氨基与异氰酸丙基三乙氧基硅烷上的异氰酸酯基发生缩合反应，在炭粉的外部形成三乙氧硅烷修饰，制备得到活化秸秆炭粉。

18、进一步的，步骤a2中，所述程序升温的步骤包括：管式炉先以5℃/min升温速率升高至280-320℃，保温处理1h，然后以5℃/min升温速率升高至460-500℃，保温处理1h，再以3℃/min升温速率升高至680-720℃，保温处理3h，自然降温至室温，出料；步骤a3中，所述裂解秸秆炭粉、kh-550、无水乙醇和氢氧化钠溶液的用量比为5g:2g:40ml:10ml，所述氢氧化钠溶液的浓度为2-3mol/l，所述后处理包括：反应完成之后，反应釜温度降低至室温，抽滤，滤饼用纯化水洗涤2次后抽干，滤饼转移到温度为70-80℃的干燥箱中，干燥至恒重，得到活化秸秆炭粉前驱体；步骤a4中，所述活化秸秆炭粉前驱体、四氢呋喃和异氰酸丙基三乙氧基硅烷的用量比为5g:40ml:4g，所述后处理包括：反应完成之后，反应釜温度降低至室温，抽滤，滤饼用四氢呋喃洗涤2次后抽干，滤饼转移到温度为50-60℃的干燥箱中，真空干燥至恒重，得到活化秸秆炭粉。

19、进一步的，步骤a1中的预处理包括以下步骤：

20、b1、使用铡刀将水稻秸秆铡断，制备成长度为2-3cm的秸秆段；

21、b2、将秸秆段和预处理溶液加入反应釜中搅拌，反应釜温度升高至60-70℃，保温处理2-3h，后处理得到预处理秸秆。

22、预处理秸秆的制备原理为：

23、通过将水稻秸秆铡断成尺寸相对均匀的较短的秸秆段，较短的秸秆段可以更快地受热并均匀裂解，从而提高裂解效率；预处理溶液中的十二烷基硫酸钠作为表面活性剂，可以在秸秆表面形成一层薄膜，有助于改善秸秆的润湿性和分散性，使其在预处理过程中更易于与预处理溶液混合和反应，氢氧化钾是一种强碱，它可以与秸秆中的纤维素、半纤维素等组分发生反应，促进其结构打开，增加秸秆的孔隙度和比表面积，从而有利于后续的裂解过程，使秸秆更容易裂解成细小的炭粉，并提高裂解秸秆炭粉的比表面积和孔隙度。

24、进一步的，步骤b2中，所述预处理溶液由氢氧化钾、十二烷基硫酸钠和饮用水按重量比2:0.5:10组成，所述后处理包括：反应完成之后，反应釜温度降低至室温，抽滤，滤饼用饮用水洗涤2-3次后抽干，滤饼转移到温度为70-80℃的干燥箱中，干燥至恒重，得到预处理秸秆。

25、一种高效固碳的生物炭泡沫混凝土的制备方法，包括以下步骤：

26、s1、将水泥、增强骨料、生物炭复合凝胶、减水剂和水加入到搅拌机中，高速拌和20-30min，降低搅拌机的搅拌转速，保持低速搅拌，得到预混料；

27、s2、将复合型发泡剂加入到发泡机中，以二氧化碳为气源进行发泡，并将制备得到的泡沫加入到预混料中，加入完成之后，保持搅拌1-3min，得到预拌混凝土；

28、s3、将预拌混凝土加入到成型模具中，室温环境下，养护6-8h，试样固化，拆模，将试样转移到养护箱中养护，得到泡沫混凝土。

29、进一步的，步骤s1中，搅拌机高速拌和的转速为60-70r/min，低速搅拌的转速为20-30r/min；步骤s2中，二氧化碳的纯度高于99.9%，发泡机中二氧化碳的输送压力为0.35-0.45mpa，发泡泡沫的密度为60±2kg/m3；步骤s3中，养护箱的温度为18-22℃，湿度为85-95%，养护时间为28天。

30、本发明具备下述有益效果：

31、1、本技术的高效固碳的生物炭泡沫混凝土，在制备时，通过选择水稻秸秆为生物炭原料，对其进行预处理后裂解炭化，制备生物炭，再对生物炭进行活化后，制备具有偏铝酸钙混杂的生物炭复合凝胶，将其与增强骨料对泡沫混凝土进行增强，不仅有效的提高了泡沫混凝土的机械性能，还提高了泡沫混凝土的固碳性能。

32、2、本技术的高效固碳的生物炭泡沫混凝土，在制备时，通过对水稻秸秆进行预处理后，制备得到具有多孔隙结构的裂解秸秆炭粉，对其进行活化后，提高其活性，在碱性环境下，与八甲基硅油、硅酸四乙酯发生反应，形成生物炭与聚硅氧烷交联的三维网络结构，偏铝酸钙作为催化溶液的组成，一方面能够与氢氧化钾相互配合，在反应过程中起到催化反应进行的目的，另一方面能够作为无机物对生物炭复合凝胶进行增强掺杂；生物炭复合凝胶中秸秆炭粉的高比表面积、耐候性和化学稳定性，能够增加其与水泥基体的接触面积，其与聚硅氧烷凝胶相互配合，提高泡沫混凝土耐水性的同时，促进秸秆炭粉与水泥材料形成牢固的结合，提高泡沫混凝土的强度；秸秆炭粉作为一种生物质材料，本身就具有一定的固碳能力，在泡沫混凝土的生产过程中，秸秆炭粉中的碳元素可以被固定在混凝土中，减少碳排放，同时秸秆炭粉的高比表面积和孔隙结构也可能增加其与二氧化碳的接触面积，提高固碳效率；生物炭复合凝胶中引入的偏铝酸钙作为一种早期强度活性剂，能够促进水泥水化反应的进行，增加水泥的早期强度和终期强度，从而改善泡沫混凝土的抗压强度，并且，偏铝酸钙还能够在泡沫混凝土的生产和使用过程中，吸收和固定泡沫中的二氧化碳，并生成氢氧化铝、碳酸钙等，产生微量体积膨胀，提高泡沫混凝土的孔隙率，促进碳的固定和减排。

33、3、本技术的高效固碳的生物炭泡沫混凝土，在制备时，以改性硅树脂聚醚乳液、十二烷基硫酸钠、硬脂酸钙和纯化组成复合型发泡剂，通过以二氧化碳为载气对其进行发泡处理，调节发泡工艺，制备得到高密度的发泡泡沫，以二氧化碳为载气进行发泡处理，还实现了通过化学反应将其固定在泡沫混凝土中，从而提高二氧化碳的减排和再利用，并且，由于泡沫混凝土具有较高的孔隙率和比表面积，通过二氧化碳发泡处理，可以将更多的二氧化碳固定在泡沫混凝土中，进一步提高其固碳性能，减少了环境污染，实现泡沫混凝土的绿色生产和使用；通过以膨胀珍珠岩与河沙为增强剂，对泡沫混凝土进行增强，膨胀珍珠岩具有多孔结构，这些孔隙能够有效吸收和储存水分，减少水分在混凝土中的自由移动，从而降低水分渗透的风险，通过调节增强骨料的粒径，填充混凝土中的空隙，使混凝土更加密实，减少水分和其他有害物质的渗透通道，通过优化增强骨料的粒径，还有助于增强骨料在泡沫混凝土中均匀分散，进一步的提高泡沫混凝土的抗渗透性能，并在泡沫混凝土中形成均匀分布的骨架支撑，提高泡沫混凝土整体结构的稳定性和强度，使泡沫混凝土在受到外力作用时更加坚固，改善泡沫混凝土的机械性能。