[发明专利]一种全固废矿井充填碳封存膏体及其制备方法

说明书

本发明公开了一种全固废矿井充填碳封存膏体及其制备方法，属于固体废弃物资源化利用和采矿领域，首先将2‑20份粉煤灰和2‑20份钢渣粉混合搅拌2‑5分钟，同时将0.01‑0.3份甲酸和0.01‑0.1份乙酸加入到持续搅拌的粉煤灰和钢渣粉中并持续搅拌5分钟，静置30‑120分钟。然后将40‑80份粒径小于50毫米的煤矸石骨料、10‑30份水、0.02‑0.1份聚羧酸超塑化剂、0.5‑6份石膏和0.5‑6份石灰加入到钢渣粉和粉煤灰中并混合搅拌2分钟，得到充填膏体并进行井下充填，在充填巷道内留存直径1‑10厘米的二氧化碳输送管道。充填结束后，在膏体硬化1天至3天时间段内，通入70％‑100％浓度的二氧化碳气体3‑24小时，实现二氧化碳的井下矿物封存，同时实现充填膏体强度的显著提升。

技术领域

本发明属于固体废弃物资源化利用和采矿领域，具体涉及一种全固废矿井充填碳封存膏体及其制备方法。

背景技术

“碳达峰”和“碳中和”是目前的时代主题，减少水泥使用、加强工矿业固体废弃物的资源化利用和二氧化碳的矿化封存是实现“双碳”目标的重要方式。然而，对于充填采矿行业，如何实现充填膏体的无水泥化、高输送性和高早强性是目前面临的主要问题。

针对充填膏体材料的无水泥化，CN201910203187.8一种利用工业固体废弃物制备注浆充填材料的方法，选取建筑垃圾再生骨料、钢渣粉、凝石和三合土作为原料制备充填膏体。CN202010270377.4一种粉煤灰-矿渣基胶结充填材料的制备方法，采用粉煤灰和矿渣制备出流动性和强度均较优的膏体。而针对膏体的二氧化碳封存技术，CN202011284458.6一种基于充填膏体的二氧化碳封存测定系统及测定方法，但该技术并未说明充填膏体的配比及其性能。此外，常规固废材料由于水化能力较弱对于二氧化碳的固化封存能力较差。

因此，本发明提出以粉煤灰和钢渣粉作为固废胶凝材料，煤矸石为骨料，使用甲酸和乙酸对固废进行预改性，使用石膏和石灰作为激发剂复合激发制备具有高二氧化碳封存能力的充填膏体材料，以期为固废利用、绿色充填、二氧化碳井下矿化封存提供一种新的材料。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种全固废矿井充填碳封存膏体及其制备方法，减少水泥使用、提升废渣利用、达到充填膏体的输送流动性要求、提升充填膏体的早期强度、实现二氧化碳的井下矿化封存。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明的第一个目的是，提供一种全固废矿井充填碳封存膏体的制备方法，包括以下步骤：

S1、粉煤灰和钢渣粉混合搅拌2-5分钟，加入甲酸和乙酸并持续搅拌5-10分钟，静置30-120分钟；

S2、将充填辅料加入到处理好的钢渣和粉煤灰中并混合搅拌1-5分钟，得到充填膏体并进行井下充填，同时在充填巷道内留存二氧化碳输送管道；所述充填辅料包括煤矸石、水、聚羧酸超塑化剂、石膏和石灰其中任意至少一种；

S3、充填结束后，在所述充填膏体硬化1-3天时间段内，通入二氧化碳气体3-24小时。

甲酸和乙酸在预处理过程中能够有效破坏粉煤灰和钢渣等固废中矿物的晶体结构，同时在固废颗粒中产生更多孔，并且预处过程中的粉煤灰和钢渣发生协同激发作用，最终增大CO₂气体与粉煤灰和钢渣等固废的接触面积，提高固废固化封存CO₂能力和膏体的力学性能。

可选的，在本发明的一种实施方式中，步骤S1中，各组分按重量份计包括2-20份粉煤灰、2-20份钢渣粉、0.01-0.3份甲酸、0.01-0.1份乙酸。

可选的，在本发明的一种实施方式中，所述甲酸的原材料质量分数≥85％，所述乙酸的原材料质量分数≥95％。甲酸、乙酸分别为甲酸水溶液、乙酸水溶液，其中甲酸水溶液中甲酸的质量浓度需满足≥85％，乙酸水溶液中乙酸的质量浓度需满足≥95％，通常可直接选用市售的酸水溶液、乙酸水溶液。