评估利用铝土矿残渣生产碱激活混凝土的潜在环境影响和效益

《Journal of Cleaner Production》：Evaluation of the potential environmental impacts and benefits of producing alkali-activated concrete from bauxite residue

铝渣与粉煤灰制备的碱激发混凝土在魁北克省的环境效益研究，通过生命周期评估发现理想条件下碳排放减少43%-59%，但效益高度依赖低碳碱激发剂及铝硅质原料的供应链配置优化。

　　

卢西亚诺·维亚纳（Luciano Viana）|若昂·奥古斯托·拉戈·阿劳霍·塞伊沙斯（Jo?o Augusto Lago Araújo Seixas）|皮埃尔-吕克·德苏罗（Pierre-Luc Dessureault）|朱莉-埃莉兹·盖兰（Julie-élize Guérin）|埃斯特万·冈萨雷斯（Esteban Gonzalez）|雷扎·贾法里（Reza Jafari）|艾哈迈德·拉赫姆（Ahmed Rahem）|马蒂厄·菲塞（Mathieu Fiset）|安妮·莱瓦索尔（Annie Levasseur）|让-弗朗索瓦·布歇（Jean-Fran?ois Boucher）

魁北克大学奇库蒂米分校基础科学系，加拿大奇库蒂米

摘要

铝土矿残渣的处理是铝工业面临的最具挑战性的问题之一。加拿大唯一的氧化铝精炼厂位于魁北克省，每年产生约一百万吨铝土矿残渣。为应对这一挑战，以及建筑行业对低环境影响混凝土日益增长的需求，利用铝土矿残渣制造碱激活混凝土成为一种有前景的增值途径。本研究对使用铝土矿残渣和燃煤电厂产生的粉煤灰制成的碱激活混凝土进行了生命周期评估（LCA）。主要目的是确定在何种条件下，碱激活混凝土能够比传统混凝土具有更环保的优势。结果表明，在最有利的情况下，即使用未经处理的铝土矿残渣、铝硅酸盐前体靠近混凝土生产设施，并且有低碳氢氧化钠和热液硅酸钠供应时，大多数环境影响类别都可以得到改善。在温室气体排放方面，减排幅度可达43%至59%。然而，这些好处高度依赖于低碳硅酸钠和氢氧化钠的可用性，以及铝硅酸盐前体的来源、位置和运输方式。这些发现强调了供应链配置的重要性。需要采取多学科方法来评估魁北克及其他产生此类残渣地区的碱激活混凝土行业的环境、技术和物流可行性。

引言

铝土矿残渣的生命周期管理是铝工业面临的最具挑战性的问题之一（Evans, 2016）。全球每年产生约1.5亿吨铝土矿残渣，累计存量已达40亿吨，到2050年可能增至90亿吨（国际铝业协会, 2022）。加拿大唯一的氧化铝生产商位于魁北克省，每年产生约100万吨铝土矿残渣。这些残渣目前被储存在专门的储存设施中，不仅造成了潜在宝贵资源的浪费，还增加了环境风险（Evans, 2016）。此外，由于储存设施靠近城市和娱乐区，其扩建受到社会和物理条件的限制。为克服这些限制，铝工业可以实施产业共生机制，以保留可供其他行业利用的资源，并减少铝土矿残渣储存带来的环境和社会经济影响。

混凝土行业是回收铝土矿残渣最具潜力的领域之一。一方面，该行业能够长期大量吸收残渣；例如，2022年魁北克的混凝土产量达到了550万立方米（ABQ, 2023）。另一方面，混凝土行业也是最大的温室气体排放源之一，必须大幅减少产品的碳足迹（Cao et al., 2021）。2022年，水泥生产占魁北克总温室气体排放量的约4.5%，使其成为该省的主要排放源之一（MELCCFP, 2024）。由于约80%的混凝土相关温室气体排放来自波特兰水泥（Cao et al., 2021），减少其使用并替换为替代材料是实现脱碳目标的关键策略。在这种情况下，使用铝土矿残渣作为碱激活混凝土的前体符合铝工业和混凝土工业的利益（Joyce et al., 2018; Shi et al., 2024）。碱激活混凝土是通过碱性激活剂与富含铝硅酸盐的前体（如燃煤电厂产生的粉煤灰和铝土矿残渣）反应制成的，可作为波特兰水泥的替代品（Feng et al., 2024; Hertel and Pontikes, 2020）。根据所用材料的不同，碱激活混凝土的温室气体排放量可比波特兰水泥混凝土减少多达80%（Nikravan et al., 2023）。此外，由铝土矿残渣和粉煤灰制成的碱激活混凝土混合物具有满意的力学性能，抗压强度超过40 MPa（Hertel and Pontikes, 2020）。

尽管使用铝土矿残渣生产碱激活混凝土具有潜在优势，但若干因素令人担忧，担心这些材料是否能提升魁北克生产的波特兰水泥混凝土的环境性能。首先，将铝土矿残渣作为前体进行增值的过程及其运输到混凝土工厂的过程可能会大幅降低其环境性能。此外，铝土矿残渣的低反应性和低SiO₂/Al₂O₃比例（通常小于1）限制了其作为唯一前体的使用（Hertel and Pontikes, 2020）。因此，铝土矿残渣常与其他SiO₂/Al₂O₃比例较高的工业副产品（如燃煤电厂产生的粉煤灰）结合使用（Seixas et al., 2024; Shalaby, 2023; Shalaby et al., 2024）。

在本研究中，将粉煤灰与铝土矿残渣结合用于生产碱激活混凝土产品。然而，使用粉煤灰存在一些挑战：魁北克省没有燃煤电厂，因此混凝土生产商必须从其他省份（如新斯科舍省、萨斯喀彻温省和新不伦瑞克省）或美国进口粉煤灰。这突显了运输对铝土矿残渣和粉煤灰制成的碱激活混凝土环境性能的影响。

生命周期评估（LCA）是一种成熟的工具，用于量化产品从原材料提取到环境排放整个生命周期中的潜在环境影响（ISO, 2006），并已越来越多地应用于碱激活混凝土系统（Nikravan et al., 2023）。迄今为止，关于含有铝土矿残渣的碱激活混凝土的LCA研究仍较少（Guha et al., 2024; Joyce et al., 2018; Occhicone et al., 2022）。这些研究通常未能充分说明技术、能源和物流条件（尤其是不同供应链配置）对环境性能的影响。此外，这些配置与当地混凝土行业的脱碳目标之间的兼容性也未进行定量评估。

本研究采用基于探索性情景的LCA方法，旨在从早期设计阶段就开始识别影响环境性能的关键参数，从而超越了以往的LCA评估。研究旨在确定在魁北克背景下，使用铝土矿残渣和F级粉煤灰（低钙含量）制成的碱激活混凝土是否能在环境影响方面优于传统波特兰水泥混凝土。为此，本研究比较了使用铝土矿残渣和粉煤灰制成的结构构件（梁）和非结构构件（公园长椅）与相应传统波特兰水泥混凝土的环境影响。每种构件分别进行评估，并仅与其设计用于相同应用和功能要求的传统对应产品进行比较，从而更清晰地了解碱激活混凝土在实现混凝土行业环境目标方面的潜力。

实验设计

碱激活混凝土的实验室设计

本研究基于最近开展的实验项目数据，这些项目专注于开发利用铝土矿残渣制成的碱激活混凝土，涉及铝土矿残渣生产商、混凝土制造商和学术研究人员的合作（Lapointe et al., 2021; Seixas et al., 2024; Shalaby, 2023; Shalaby et al., 2024; Simard and Fiset, 2022）。这些研究成功制备出了力学性能优良的碱激活混凝土，并对其进行了应用研究。

结果

总体而言，大多数中间指标表明传统混凝土产品的环境性能更优（支持信息S2，表S2.4和S2.5）。然而，碱激活混凝土产品在生态系统质量和人类健康方面的指标表现与传统产品相当或更优（支持信息S2，表S2.6）。这解释了传统混凝土为何在某些方面具有更好的环境性能。

与其他研究的比较

根据Nikravan等人（2023）的文献综述，碱激活混凝土有望将温室气体排放量平均减少49%，尽管这可能会在其他环境影响类别中带来权衡。在本研究中，只有在乐观或高度乐观的情景下才能实现类似的减排效果。

结论

本研究旨在确定在加拿大魁北克省的具体背景下，使用铝土矿残渣制成的碱激活混凝土的生产是否会在环境影响方面低于或高于传统波特兰水泥混凝土。为此，对使用铝土矿残渣和粉煤灰制成的碱激活混凝土产品进行了LCA分析。

有利于生产的条件

作者贡献声明

卢西亚诺·维亚纳（Luciano Viana）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。若昂·奥古斯托·拉戈·阿劳霍·塞伊沙斯（Jo?o Augusto Lago Araújo Seixas）：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。皮埃尔-吕克·德苏罗（Pierre-Luc Dessureault）：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。朱莉-埃莉兹·盖兰（Julie-élize Guérin）：撰写 – 审稿与编辑、验证

利益冲突声明

作者声明以下可能构成利益冲突的财务关系/个人关系：若昂·奥古斯托·拉戈·阿劳霍·塞伊沙斯与力拓萨格奈（Rio Tinto Saguenay）存在雇佣关系；朱莉·埃莉兹·盖兰与力拓萨格奈存在雇佣关系；埃斯特万·冈萨雷斯与力拓萨格奈存在雇佣关系。其他作者声明没有已知的利益冲突。

致谢

作者感谢参与本研究项目的学生。同时感谢力拓公司提供所需的数据和信息。本研究得到了可持续发展操作化跨学科研究中心（CIRODD）和力拓公司的财政支持，后者为第一作者的博士研究提供了奖学金，本研究便是该研究的一部分成果。