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      冶金固廢材料化利用的研究進展

      2021-11-13 04:35:55朱曉東吳照金
      安徽化工 2021年1期
      關鍵詞:高附加值電爐鋼渣

      朱曉東,吳照金

      (安徽工業(yè)大學冶金減排與資源綜合利用教育部重點實驗室,安徽馬鞍山243000)

      隨著國家經(jīng)濟的迅速發(fā)展,我國工業(yè)所占比重日益增加,其中冶金行業(yè)作為國家基礎性產(chǎn)業(yè),帶來巨大經(jīng)濟利益的同時,也產(chǎn)生了大量的固體廢棄物。有數(shù)據(jù)表明,冶金行業(yè)每年所產(chǎn)生的固體廢棄物約為6 億噸,但其綜合利用率僅為30%左右。這些固體廢棄物數(shù)量巨大,如果不能有效地回收利用,不僅嚴重污染環(huán)境,而且造成資源浪費。目前,冶金固廢循環(huán)利用主要著眼于大宗量利用,但存在低附加值的問題,無法充分利用其資源價值,由此,冶金固廢的材料化高附加值利用是其大宗量利用的有效補充,也是今后的發(fā)展方向。

      1 冶金固廢的研究現(xiàn)狀

      冶金固體廢棄物污染是一個很嚴重的環(huán)境和資源浪費問題,由于人類頻繁的冶金工業(yè)活動,產(chǎn)生了大量的固體廢棄物。冶金固體廢棄物主要包括冶金渣、冶金塵泥等,對于這些廢棄物,國內外眾多研究者在傳統(tǒng)處理工藝上進行了深入的探索,從簡單地填埋,做鋪路材料、水泥原料等,到高性能玻璃、陶瓷、混凝土制品等,再到多種材料添加劑、吸附劑、催化劑等。研究者們由簡入深,一步步細化冶金固廢的利用,提高了冶金固廢的附加值。

      自二十世紀50 年代,我國對于冶金固廢的處理尚處于起始階段,除了填埋等基礎措施,也已經(jīng)將冶金渣投入水泥等建筑鋪路材料的生產(chǎn)中。到二十世紀90年代,我國已大量使用冶金固廢作為多種工業(yè)生產(chǎn)的原料,對于廢渣中金屬元素的提取、混凝土等材料的制造也更加廣泛。在國家對冶金行業(yè)的大力支持下,我國處理冶金固廢的方式漸漸由粗放型向精細型轉變。從二十一世紀向后,固廢綜合利用技術提高,處理方式更加高效、環(huán)保,有利于資源的材料化利用。

      2 冶金固廢材料化利用的研究現(xiàn)狀

      2.1 鋼渣的材料化利用

      鋼渣是鋼鐵生產(chǎn)過程中的固體廢棄物,每年的產(chǎn)生量超過4億噸。在當前工業(yè)環(huán)境下,鋼渣大多被用作建筑材料、筑路材料、廢水處理添加劑等,處理方式單一且利用率較低。因此,將鋼渣進行高附加值材料化,將帶來巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

      Tang 等以砂頁巖和鋼渣為原料,以SiC 為原料發(fā)泡劑,成功制備了高強度泡沫陶瓷,研究發(fā)現(xiàn),重量占比為94%砂頁巖、6%鋼渣的泡沫陶瓷的綜合性能較高。Zhang 等以鋼渣為主要原料,以石英粉、NaO、金剛砂粉、CaO、MgO、TiO等為混合添加劑,成功制備了綜合性能優(yōu)異的玻璃陶瓷。Jiao等將鋼渣作為熱骨料添加到瀝青混合料中制成新型鋼渣瀝青混凝土,此種材料具有高熱導率,在電熱路面積雪消融技術上發(fā)揮了重要的作用。

      Kang等以鋼渣、NaOH、硅粉和丙烯酸樹脂乳液等為原料,通過浸漬法合成了一種新型的負載CeO的多孔堿活化鋼渣基光催化劑,然后用于光催化水分解制氫,實現(xiàn)了鋼渣的高附加值利用。Tang等采用鋼渣粉與三聚氰胺焦磷酸鹽組合的方法,制備硬質聚氨酯泡沫的阻燃添加劑,顯著提高了該材料的阻燃性和耐熱性。Kuwahara等通過酸處理去除鋼渣中的CaO并進行水熱處理,成功制備了Na型FAU沸石,并發(fā)現(xiàn)此種材料光催化性能優(yōu)異,有望用作TiO光催化劑的載體。

      2.2 高爐渣的材料化利用

      高爐渣是冶金行業(yè)生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物,通過淬火離開高爐的熔融爐渣獲得。高爐渣通常被用作鋪路材料、水泥原料等?,F(xiàn)今,國內外很多學者對高爐渣進行了更深入地研究,開創(chuàng)了高爐渣材料化利用的新局面。

      Kuwahara等通過分別使用HCl和NaOH的兩步簡便的溶解-共沉淀方法,成功制備了渣制硅酸鈣水合物,此種材料有很好的吸附特性,可以被用來處理大量廢水。Zhang等利用改性后具有多孔結構的高爐渣和石蠟為原料,成功研究出了具有優(yōu)異熱性能的復合相變材料,提高了高爐渣的附加值。褚亮等采用均勻沉淀的方法,以高爐渣酸解提硅的廢液為原料,尿素為沉淀劑,成功合成了鎂鋁尖晶石粉體。

      Zhang 等采用聚合、離子、交換三步反應法,合成了堿活化的粒狀高爐礦渣基膠凝材料與FeO偶聯(lián)的新型催化劑,實現(xiàn)了高爐渣的高附加值材料化利用。Zhang 等研究了一種CaWO/堿活化的高爐渣基膠凝復合材料,并證明此材料催化活性較強,成功將其應用于催化水分解制氫工藝。

      2.3 高爐塵的材料化利用

      高爐塵是煉鐵過程中產(chǎn)生的固體廢棄物,含有大量的鐵和有色金屬,具有很高的廢物利用價值。高爐塵通常被直接燒結、礦物加工來回收鐵和碳,或被用作水泥原料等。由此,研究者們對高爐塵進行了大量的高附加值材料化研究。

      楊浩以高爐含鋅除塵灰和軋鋼污泥為原料混配得到復配含鋅塵泥,而后用稀硫酸酸解,取酸解液,再采用恒溫回流均相沉淀法制備α-FeO/ZnFeO復合材料,并發(fā)現(xiàn)了其優(yōu)良的催化性能。Zhang等以高爐粉塵和鋁渣為原料,鹽酸為稀釋劑,采用共聚反應合成了聚合氯化鋁鐵混凝劑,此混凝劑是一種優(yōu)異的無機高分子混凝劑,提高了高爐塵的資源綜合利用率。

      Wu等以硫酸酸解高爐爐灰,制備出金屬(鋁、鋅、鈦)摻雜赤鐵礦,并研究發(fā)現(xiàn)其可作為一種處理水污染的高效光催化材料。Shen 等以硫酸酸解高爐煙塵得到的溶液為原料,成功研究了一種納米級氧化鐵黑顏料,實現(xiàn)了高爐塵的高附加值材料化利用。

      2.4 電爐塵的材料化利用

      電弧爐粉塵是煉鋼時在熔爐中熔化廢料的過程中產(chǎn)生的廢物,含有大量的有毒元素,嚴重威脅環(huán)境和人類的健康。現(xiàn)今,研究者多用電爐塵來提取重金屬,以制備各種高附加值材料。

      Wang 等通過水熱反應,從含鋅電弧爐粉塵中提取了多種有價元素,成功合成了純金屬摻雜尖晶石鐵氧體MFeO;同時,Wang等還采用固相反應法直接合成了摻金屬鎳鐵鋅氧體,為電爐塵的高附加值材料化利用做出了貢獻。

      Nazari 等將電弧爐粉塵、SiO、NaCO和CaO 按一定比例混合,制備了一種耐腐蝕、高穩(wěn)定性的微晶玻璃。Fares 等研究了使用電弧爐粉塵生產(chǎn)含有粉煤灰和硅灰的綠色混凝土。Su等以電弧爐粉塵和AlO為原料,合成了一種吸附硫化氫的可再生吸附劑。Massarweh 等利用電弧爐粉塵制成了水泥水化緩凝劑。這些研究者們成功地將固體廢棄物轉化成了高附加值材料。

      3 現(xiàn)狀與展望

      作為對冶金固廢大宗量利用的有效補充,其材料化利用近年來受到廣泛的關注和研究,為冶金固廢的高附加值精細化利用積累了初步的理論和實驗基礎,但距產(chǎn)業(yè)化尚有一定的距離,某些關鍵問題仍需進一步深入研究。

      (1)鋼渣的處理問題一直受人們的關注,經(jīng)過眾多研究者的不懈努力,其資源化利用的技術漸漸成熟,被大量應用于建筑、工業(yè)等行業(yè)。鋼渣的高附加值材料的研究也有了很大的成果,如多種添加劑、催化劑的研制,高性能陶瓷、混凝土的合成。但由于每年所產(chǎn)的鋼渣數(shù)量極為巨大,鋼渣的綜合利用率還比較低,因此,在繼續(xù)研究鋼渣高附加值材料化的基礎上,如何將已有的及新開發(fā)的各種處理方式聯(lián)合高效地應用于實際,是未來需要考慮的一大問題。

      (2)高爐渣每年的產(chǎn)生量較大,會有一大部分被用作鋪路、水泥等基礎材料來使用,也有很多國內外研究者以高爐渣為原料制備了綜合性能優(yōu)異的復合材料,以及高效的催化劑等高附加值材料,為資源化利用做出了貢獻。綜合近年來高爐渣的研究情況,可以很明顯地看出高爐渣還處于低附加值材料化狀態(tài),雖然不斷有高附加值材料的研制成功,但真正投入到大宗量生產(chǎn)當中,還不切實際。因此,還需要繼續(xù)深化高爐渣的材料化研究。

      (3)高爐塵是一種非常寶貴的二次資源,其主要組分是碳,并且含有大量的有色金屬元素,如鋅、鉛、堿金屬等。同時,由于多種重金屬的存在,其粉塵有很大的毒性,增加了回收再利用的難度。研究者們對于高爐塵的研究多為提取其中的有價元素,再合成高性能的多元復合材料、催化劑等高附加值材料。但是,這些研究多缺乏對高爐塵全組分的無害化探索,并且提取有價金屬的過程也未考慮到經(jīng)濟性和廣泛性,限制了成果的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

      (4)電爐塵含有鋅、鉛等多種重金屬和危險金屬,于1991 年被美國環(huán)境保護署列為危險廢品。目前,有許多學者研究了電爐塵的化學成分和礦物學相,并依此發(fā)表了眾多研究成果,也得到了很多高附加值材料。但是他們忽略了電爐塵中的少量有毒元素,如鉛、鉻等,造成了資源的二次浪費和環(huán)境污染。因此,對電爐塵的研究不能局限于鋅、鐵等金屬的提取,未來也需要著重處理含量較少的有毒元素,以達到電爐塵的全面高附加值的材料化利用。

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