《Case Studies in Construction Materials》：Performance and Environmental Assessment of Portland Cement Incorporating Waste-Derived Ferrous Sulfate as a Gypsum Substitute: A Case Study
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為應對水泥行業高碳排放及天然石膏開采帶來的環境壓力，本研究創新性地以鋼鐵（Linz–Donawitz, LD）污泥和廢硫酸（WSA）為原料，合成硫酸亞鐵水合物（FeSO4·xH2O）作為波特蘭水泥中的石膏替代品。研究通過評估不同替代比例（25%-100%），發現50%替代（F50）為最優水平，可顯著改善水泥力學性能（28天抗壓強度提升12.3%），優化微觀結構，并能有效還原六價鉻Cr(VI)。生命周期評估（LCA）進一步揭示，該技術可大幅降低全球變暖潛能（GWP）約52%，實現工業廢物的資源化利用與水泥生產的綠色轉型。
當我們仰望城市中拔地而起的高樓大廈，或驅車行駛在縱橫交錯的高架橋上，支撐這些現代文明奇跡的基石——水泥，其背后隱藏著一個令人驚嘆又憂慮的事實：水泥生產是全球最主要的碳排放工業活動之一，貢獻了約7%-8%的人為二氧化碳（CO2）排放。在人們將目光聚焦于如何降低熟料煅燒這一核心過程的碳排放時，另一種看似不起眼但不可或缺的原材料——石膏，其環境代價正悄然積累。石膏是調控水泥水化、防止“急凝”的關鍵組分，然而，它的開采、加工和運輸過程伴隨著土地退化、資源消耗和額外的溫室氣體排放，成為水泥低碳化進程中一個結構性的挑戰。
與此同時，工業生產中源源不斷地產生著兩類棘手的廢棄物：鋼鐵制造過程中產生的林茨-多納維茨（LD）污泥，以及半導體行業排放的廢硫酸（WSA）。這些廢棄物因酸性和重金屬含量，常被歸類為危險廢物，處理成本高昂，環境負擔沉重。那么，能否化腐朽為神奇，將這些“環境包袱”轉化為水泥工業的“綠色原料”？一項發表于《Case Studies in Construction Materials》的研究，正是針對這一核心問題展開的探索。由Bilguun Mend、Youngjun Lee、Jeong-Hwan Bang、Jang-Ho Jay Kim和Yong Sik Chu組成的研究團隊，開創性地提出并驗證了一條新路徑：利用LD污泥和廢硫酸合成硫酸亞鐵水合物（FeSO4·xH2O），以此替代波特蘭水泥中部分乃至全部的天然石膏。這項研究不僅著眼于替代材料的技術可行性，更從全生命周期的角度，系統評估了其環境效益，旨在為水泥行業的清潔生產和循環經濟提供兼具性能優勢與環境友好的創新解決方案。
為了驗證這一構想，研究人員綜合運用了多種關鍵技術方法。他們首先通過一個循環反應過濾工藝，以LD污泥和廢硫酸為原料，經過溶解、過濾、低溫結晶等步驟，成功合成了以水鐵礬（FeSO4·7H2O）、四水鐵礬（FeSO4·4H2O）等為主的硫酸亞鐵水合物晶體。隨后，將其以25%、50%、75%和100%的硫酸根當量替代率摻入普通波特蘭水泥（OPC）中。研究團隊系統表征了原材料及合成產物的理化性質，并通過維卡儀測試、抗壓強度測試、X射線衍射（XRD）與Rietveld精修定量分析、熱重-微分熱重（TG/DTG）分析、掃描電子顯微鏡（SEM）觀察等手段，全面評估了FeSO4·xH2O對水泥凝結時間、力學性能、水化進程、物相演變及微觀結構的影響。此外，研究還特別檢測了其對水泥中六價鉻[Cr(VI)]的還原能力，并依據ISO標準進行了從“搖籃到大門”的生命周期評估（LCA），量化了其環境效益。
研究結果揭示了以下重要發現：
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合成與表征：循環工藝成功合成了以硫酸亞鐵水合物為主的晶體，產率穩定，證實了利用工業廢物規�；a的可行性。XRD分析顯示產物主要為水鐵礬、四水鐵礬等相。
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化學組成：X射線熒光（XRF）分析表明，隨著FeSO4·xH2O替代率增加，水泥中的三氧化硫（SO3）含量降低，氧化鐵（Fe2O3）含量升高，化學改性可控。
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凝結時間：維卡測試發現，替代會延緩凝結，在50%替代（F50）時初凝和終凝時間達到最長（154/191分鐘），但仍在可接受范圍內，更高替代率下凝結延遲有所恢復。
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水化行為與物相演變：TG/DTG和XRD分析共同表明，50%替代水平提供了最平衡的硫酸鹽釋放環境。它能促進早期鈣礬石（AFt，一種針狀水化硫鋁酸鈣）的穩定形成，同時適度調控單硫型硫鋁酸鈣（AFm）的發展，并維持了較高的氫氧化鈣[CH，又稱波特蘭石]含量，這表明硅酸鹽相的水化也得以持續。而過高的替代率（如F75、F100）會導致硫酸鹽過早耗盡，加速AFt向AFm轉化，并抑制CH的生成。
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微觀結構發展：SEM觀察直觀顯示，F50樣品在3天齡期時形成了更致密、交織更緊密的AFt針狀晶體網絡，并伴有片狀水化產物，微觀結構比對照組更為密實。
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抗壓強度：力學性能測試證實，FeSO4·xH2O的加入普遍提升了砂漿強度。其中，F50表現最優，其3、7、14和28天抗壓強度分別為37.1、40.9、44.2和47.5 MPa，28天強度相較于對照組提升了約12.3%。
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六價鉻還原：FeSO4·xH2O展現出強大的Cr(VI)還原能力。當摻量達到1.5 wt.%時，即可將水泥中的可溶性Cr(VI)濃度降至歐盟限值（2 ppm）以下。最優配比F50的摻量（約2.5 wt.%）足以實現Cr(VI)的完全還原，提升了水泥的環境安全性。
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生命周期評估：這是本研究的一大亮點。LCA結果顯示，用廢物衍生的FeSO4·xH2O替代天然石膏，可帶來顯著的環境效益。全球變暖潛能（GWP）降低了約52%，這主要歸功于避免了石膏開采和上游加工帶來的負擔。此外，酸性化潛能、富營養化潛能和資源消耗潛力均有下降。尤為突出的是，通過濾液循環利用，該工藝的耗水量比傳統石膏路線減少了近三分之二。敏感性分析表明，即使關鍵能耗參數波動±20%，該路徑的環境優勢依然穩固。
結論與討論：本研究系統論證了利用LD污泥和廢硫酸合成FeSO4·xH2O，作為波特蘭水泥中天然石膏部分替代品的綜合可行性。50%的替代被確定為最佳比例，它能在維持可接受凝結特性的同時，通過優化水化進程（穩定AFt、平衡AFm、維持CH）和細化微觀結構，顯著提升水泥的力學性能。此外，該添加劑還兼具高效還原有害Cr(VI)的環保功能。
這項研究的重要意義在于，它超越了單一的性能驗證，實現了“技術性能”與“環境效益”的雙重論證。它不僅為水泥工業提供了一種性能優異的石膏替代品，更重要的是，開辟了一條將兩類難處理的工業危險廢物協同資源化的新途徑。通過將“廢物”轉化為“資源”，該技術直指循環經濟的核心，在降低水泥行業對不可再生天然石膏資源依賴的同時，顯著削減了其全生命周期的碳足跡和環境沖擊。研究結果為推動水泥這一高載能、高排放基礎材料的綠色低碳轉型，提供了一個兼具創新性、實用性和可持續性的示范案例。未來的工作可聚焦于大規模工藝集成、工業廢物成分波動的適應性以及長期耐久性驗證，以加速該項技術的產業化應用，為構建資源節約、環境友好的現代建筑材料體系貢獻力量。
