关于碳纳米管负载生物炭对水中Cu(Ⅱ)和Pb(Ⅱ)吸附作用的研究

《Journal of Environmental Management》：Study on the adsorption of Cu(Ⅱ) and Pb(Ⅱ) in water by carbon nanotube-loaded biochar

通过建立MgO固体碳化废土碳吸收能力定量分析系统，研究不同MgO含量和碳化时间对CO2吸收及碳化深度的影响，揭示宏观微观碳化机制及反应减缓原因。结果显示MgO含量≥3%时碳化效率提升，9.48%时2小时完全碳化，碳化密度达197kg/m3，年碳封存潜力760,000吨，显著优于传统固化剂。

　　

Bingzhi Li|Fanlu Min|Nan Zhang|Yazhou Zhang|Zhanhu Yao|Yujie Qi

中国江苏省南京河海大学精密爆破国家重点实验室，210024

摘要

MgO固化碳化技术是一种低碳且高效的绿色改良方法，但目前尚不清楚如何分析碳化土壤的碳化程度和碳吸收能力。通过在不同MgO含量和碳化时间条件下定量测量MgO固化碳化土壤的CO₂吸收量和单向碳化深度，建立了该土壤碳吸收能力的定量分析体系。从碳吸收的角度探讨了碳化过程的宏观和微观机制，并分析了碳化反应减速的原因。实验结果表明，增加MgO含量可促进土壤吸收更多CO₂，且土壤完全碳化的时间缩短。碳化反应的程度可通过水分含量的变化趋势来判断：MgO含量越低，完全碳化所需的时间越长。当MgO含量为9.48%时，土壤完全碳化仅需2小时；而当MgO含量低于3%时，碳化过程变得困难。随着碳化反应的进行，增加MgO含量可同时提高碳化速率、碳化比例和碳化密度，最高可达126 kg/(h·m³、0.79、197 kg/m³)。据估算，江阴靖江长江隧道盾构段的废弃土壤可吸收高达76万吨CO₂，相当于生产95万吨生石灰所产生的碳排放量。在碳化反应深入阶段，MgO/Mg(OH)₂会形成包裹层，从而阻碍碳化反应的进行，导致土壤无法完全碳化。

引言

随着盾构技术在隧道工程中的广泛应用，不可避免会产生大量强度不足、无法直接利用的废弃土壤。不当处理这些土壤所带来的安全（Chen等人，2020；Zhu等人，2019；《中国公路与运输杂志》编辑部，2022；Guo，2019）和环境保护（Salazar和Murt，2023；Yang等人，2021；Zhu等人，2018）问题日益严重。以江阴靖江长江隧道为例，该隧道横跨河流部分的长度为6.4公里，开挖直径为16.03米，预计每天会产生约7981.6立方米的废弃泥浆。这些泥浆经过离心处理后与生石灰混合并晾晒，难以有效回收利用。传统固化剂（如水泥、生石灰、粉煤灰等）常被用于改善废弃土壤的物理和力学性能（Zhang等人，2024；Wei等人，2025；Zhang等人，2020），并广泛应用于高液限黏土、疏浚淤泥、海滨黏土和黄土等多种土壤中（Jin，2019；Liu等人，2024；Li等人，2024）。每生产1吨生石灰会释放约0.8吨CO₂，水泥生产的年碳排放量预计到2050年将达到12亿吨（Schneider等人，2011；Matter等人，2009；Meng等人，2007）。这些高能耗和碳排放的问题对中国“双碳”政策的实施构成了严峻挑战（Han等人，2025）。因此，如何实现盾构废弃土壤的低碳化处理并满足“双碳”目标下的基础设施建设需求，已成为工程界亟待解决的问题。

作为一种新型无机固化剂，MgO因其低碳和环保优势逐渐被应用于实际工程中（Cai等人，2017；Yi等人，2016；Lim等人，2010；Ban等人，2024）。已有研究报道了MgO改善废弃土壤的物理和化学性质（Kong等人，2024；Liu等人，2025；Wang等人，2021），同时也有关于固化碳化的研究（Liu等人，2018a；Wang等人，2019；Liu等人，2018b）。研究发现，加速碳化技术可使MgO固化的淤泥、粉质黏土等土壤样品发生碳化，生成碳酸镁等产品，这些产物不仅提升了土壤的力学性能，还具有碳封存和减排效果（Xiao等人，2024）。从电动力学（Lv等人，2024）或水势能（Li等人，2024；Zhu等人，2007）的角度出发，定性分析了固化碳化过程中的宏观和微观机制。该技术通过矿物碳化反应将CO₂永久固定为稳定的碳酸盐矿物，实现了CO₂的有效捕获和长期安全储存（Ban等人，2024；Cai等人，2023）。与传统碳捕获技术相比，矿物碳化可将CO₂转化为热力学性质稳定的固体产物，避免了泄漏风险，是一种可持续的工程技术（Ali等人，2025）。

此外，对于土壤系统而言，碳化性能不仅取决于总CO₂吸收量，还受气体传输和渗透深度的影响。现有研究大多仅关注单一指标（如吸收量或产物类型），缺乏将CO₂吸收、碳化过程和微观结构演变联系起来的统一分析框架，难以全面反映其碳化过程和效率。目前虽有许多关于MgO碳化产物的定性和半定量研究，但碳吸收能力的定量方法仍在探索中。通过XRD强度比校准（Liska Martin，2012）、化学酸化（Unluer等人，2014；Yi，2013）、红外光谱（Monkman，2006；Wang等人，2025）等方法可定量测定碳化土壤中的无机碳含量，但这些方法存在精度有限、安全风险高和设备成本高的问题。现有对MgO碳化土壤的评价主要基于碳化程度和CO₂吸收量等单一指标，缺乏系统的多变量综合分析体系。因此，建立适用于MgO固化碳化土壤的定量评价方法，兼顾碳吸收效率和工程性能，对于实现节能减排目标具有重要意义。

在数值建模方面，基于水势能分类建立了MgO固化碳化全过程的质量变化模型，总结了其三相变化机制。虽然化学产物的定量或半定量分析方法日益丰富，但现有方法往往较为复杂且需依赖高端设备。因此，建立便捷高效的MgO碳吸收能力定量或半定量分析方法对于实现低碳环保目标至关重要。

本研究使用自制的加速碳化装置，在不同MgO含量和碳化时间条件下，研究了MgO固化碳化浆液的CO₂吸收量和单向碳化深度的变化，探讨了MgO固化碳化土壤的碳吸收和渗透性能，并通过XRD和SEM定性分析了碳酸盐产品的矿物组成和微观形态，从而揭示了碳化反应的宏观和微观机制。通过建立碳吸收能力分析体系，利用碳化速率、碳化比例和碳化密度三个指标定量分析了MgO固化碳化土壤的碳吸收能力，为实际工程中的零碳目标提供了技术支持。

测试材料

测试土壤取自江苏省某大直径盾构工程，经过现场浆液循环系统筛选并离心脱水处理。其基本物理性质指标如下：含水量为56.01%，塑限和液限分别为55.1%和70.4%，塑性指数为15。根据ASTM D2487-17e1（2020）标准，该土壤被归类为高塑性淤泥（MH）。

结果

Bingzhi Li研究了MgO固化碳化浆液盾构高塑性淤泥的力学性能变化规律和机制（Li等人，2024）。MgO结合加速碳化技术对废弃土壤的改良效果显著，最大含水量降低了31.7%。碳化后，土壤的抗压强度（UCS）显著提升至776.8 KPa，但过长的碳化时间会导致强度下降。

碳化反应的宏观和微观机制

本研究通过碳化速率、碳化比例和碳密度三个指标系统评估了MgO固化土壤的碳吸收能力。这三个指标的变化规律与XRD和SEM观察到的微观结构演变密切相关。图8展示了碳化过程中矿物组成的变化情况；图9展示了当a_s = 15%时，MgO固化碳化土壤微观结构随时间的变化。

当t = 1小时时，土壤颗粒结构发生明显变化。

结论

本研究通过碳吸收能力分析系统全面分析了MgO固化碳化盾构废弃土壤的CO₂吸收能力，揭示了其宏观和微观机制，为盾构废弃土壤的绿色低碳处理提供了关键技术支持。MgO固化和碳化技术不仅提升了土壤的工程性能，还具有显著的碳封存潜力和废弃物回收价值。

作者贡献声明

Bingzhi Li：负责撰写初稿、数据整理和概念构思。Fanlu Min：负责撰写、审稿和编辑以及数据整理。Nan Zhang：负责撰写、审稿和验证。Yazhou Zhang：负责资料收集和调查。Zhanhu Yao：负责数据可视化处理和监督。Yujie Qi：负责方法设计和形式化分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢云南省国家重点研发计划（202503AC100001）、国家自然科学基金（52378394）以及中央高校基本科研业务费（B230201037）对本研究的支持。