高溫改性對(duì)鋼渣源鈣基吸附劑性能的影響

摘要：合理使用鋼渣，對(duì)生態(tài)環(huán)境有著非常重要的意義。目前工業(yè)上應(yīng)用的摻雜改性鈣基吸附劑通常是以含鈣的純化學(xué)試劑為原料，尋找廉價(jià)、綠色且量大面廣的鈣源，對(duì)開發(fā)低成本的CO2吸附材料顯得尤為重要。制備了一系列高溫改性后的鈣基吸附劑，結(jié)果表明900 ℃改性后的鋼渣其吸附容量和轉(zhuǎn)化率均有提升，通過XRD對(duì)脫碳和脫磷轉(zhuǎn)爐渣進(jìn)行表征，脫碳轉(zhuǎn)爐渣在900 ℃時(shí)Ca2SiO4的峰變得更明顯，其在鋼渣中的骨架作用使鋼渣穩(wěn)定性提高；脫磷轉(zhuǎn)爐渣在900 ℃時(shí)出現(xiàn)了Ca12Al14O33的特征峰，Ca12Al14O33的支撐骨架作用同樣提高了吸附劑的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：鋼渣；高溫改性；鈣基吸附劑；CO2

中圖分類號(hào)：TQ424文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-0935（2025）02-0241-04

鋼渣是以硅酸鹽、鐵酸鹽為主的在煉鋼過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，很多國(guó)家將鋼渣用于道路工程中[1]。我國(guó)鋼渣產(chǎn)量大，利用率低，堆放造成環(huán)境影響嚴(yán)重。目前鋼鐵行業(yè)中所產(chǎn)生的廢渣綜合利用率低于30%，為了實(shí)現(xiàn)“固廢資源化”和“碳達(dá)峰、碳中和”的雙重目的，合理地使用鋼渣對(duì)當(dāng)前我國(guó)的生態(tài)環(huán)境有著非常重要的意義[2-4]。鋼渣改性是調(diào)整鋼渣化學(xué)成分、提高鋼渣安定性、提升鋼渣易磨性的常用且有效的手段[5]。

采用首鋼產(chǎn)生的脫碳和脫磷轉(zhuǎn)爐渣作為研究對(duì)象，對(duì)其分別在400、600、800、900 ℃高溫改性，并進(jìn)行吸附劑的CO2吸附性能與樣品結(jié)構(gòu)之間的構(gòu)效關(guān)系分析。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1鋼渣源鈣基CO2吸附劑的制備

實(shí)驗(yàn)選用脫碳爐渣以及脫磷爐渣為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)定爐渣組成，脫碳轉(zhuǎn)爐渣的物質(zhì)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為CaO 44.31%、FeO 30.09%、MgO 11.12%、SiO2 10.06%、Al2O3 1.97%；脫磷轉(zhuǎn)爐渣的物質(zhì)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為SiO2 31.58%、FeO 28.6%、CaO 25.6%、Al2O3 5.29%、MgO 3.76%。先對(duì)總質(zhì)量為2 g的鋼渣進(jìn)行破碎，再進(jìn)行研磨、篩分，逐次減小篩分粒徑，循環(huán)直至粒徑符合球磨要求，最后用孔徑為 80目（0.178 mm）的實(shí)驗(yàn)篩進(jìn)行篩分。球磨40 min，裝入密封袋保存。將稱量好的脫碳轉(zhuǎn)爐渣和脫磷轉(zhuǎn)爐渣樣品放入馬弗爐中煅燒，煅燒溫度分別為400、600、800、900 ℃，得到高溫改性后的樣品。

采用的是一體式恒溫爐，最高溫度為1 000 ℃，爐膛尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，加熱功率為1 kW，工作電壓為220 V，流量工作為50/60 mA，升降溫速率為5 ℃·min-1。

1.2吸附劑評(píng)價(jià)

1.2.1吸附劑評(píng)價(jià)程序

實(shí)驗(yàn)采用STA449F3型熱分析儀對(duì)吸附劑樣品進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。對(duì)制備好的樣品進(jìn)行CO2吸附與脫附測(cè)試，稱10 mg的樣品，在流量為50 mL·min-1的N2氣氛中，將以10 ℃·min-1速度升溫到650 ℃，穩(wěn)定10 min后再通入流量為50 mL·min-1的CO2氣體，N2氣體的流量不變，并保持45 min吸附過程。吸附完成后以10 ℃·min-1速度升溫到700 ℃，在流量為50 mL·min-1的N2氣氛中進(jìn)行脫附實(shí)驗(yàn)。脫附完成后，以10 ℃·min-1的速率降溫到650 ℃，穩(wěn)定10 min后繼續(xù)進(jìn)行吸脫附實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行5個(gè)循環(huán)的吸脫附實(shí)驗(yàn)。

1.2.2計(jì)算方法

熱重評(píng)價(jià)之后，對(duì)測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到對(duì)CO2的吸附容量以及對(duì)CO2的轉(zhuǎn)化率，計(jì)算公式如式（1）、式（2）所示。

C=（m_1-m_2）/m_1 （1）

式中：C—吸收劑對(duì)CO2的吸附容量，g·g-1；

m1—吸收劑反應(yīng)后的質(zhì)量，g；

m2—吸收劑吸附前的質(zhì)量，g。

W=56（m_1-m_2 ）/（〖44m〗_2 X_0 ） （2）

式中：W—反應(yīng)完成后CO2的轉(zhuǎn)化率；

m1—吸收劑反應(yīng)后的質(zhì)量，g；

m2—吸收劑吸附前的質(zhì)量，g；

X0—鋼渣中含有CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2樣品的吸附性能

2.1脫碳轉(zhuǎn)爐渣吸附性能

比較了在經(jīng)過不同高溫改性之后的脫碳轉(zhuǎn)爐渣吸附劑對(duì)CO2的吸附性能的影響，結(jié)果如圖1和圖2所示。由圖1、圖2可以看出，經(jīng)高溫改性后的脫碳轉(zhuǎn)爐渣隨著溫度的不斷升高，其吸附性能也在不斷地升高，但是在高于900 ℃時(shí)鋼渣的吸附性能發(fā)生了很大的變化。

鋼渣的吸附能力是隨著溫度的不斷升高而變得更好[6]。這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時(shí)，鋼渣表面發(fā)生了破裂現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼渣的孔隙率增加，比表面積變大，從而使鋼渣的吸附性能變好。在低于900 ℃時(shí)，吸附CO2的主要物質(zhì)可能為鋼渣中的鈣基。在高于900 ℃時(shí)，可能使鋼渣中的各種物質(zhì)發(fā)揮，對(duì)CO2的吸附性能產(chǎn)生了影響。查閱資料發(fā)現(xiàn)CaO、Fe2O3的載體復(fù)合材料對(duì)提升CO2的吸收有一定的作用[7]，而且對(duì)于Ca2Fe2O5來說，其對(duì)CO2具有一定的還原作用[8]。鋼渣中的SiO2與CaO反應(yīng)生成的Ca2SiO4，可以提高吸附劑的支撐作用，使吸附劑更穩(wěn)定[9-10]。

綜上所述，900 ℃時(shí)的鋼渣吸附性能提高可能是由于鋼渣經(jīng)高溫改性后導(dǎo)致比表面積增大，F(xiàn)e2O3的結(jié)晶度提高，生成了Ca2Fe2O5，SiO2與CaO反應(yīng)還生成了Ca2SiO4。

2.2脫磷轉(zhuǎn)爐渣吸附性能評(píng)價(jià)

比較了經(jīng)過不同高溫改性之后的脫磷轉(zhuǎn)爐渣吸附劑對(duì)CO2的吸附性能的影響，結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3、圖4可以看出，在高于900 ℃時(shí)鋼渣的吸附性發(fā)生了很大的變化，可以看出隨著改性溫度的不斷升高，脫磷轉(zhuǎn)爐渣的吸附性能也在不斷地提高。

鋼渣的吸附性能隨著改性溫度的不斷升高而升高，是因?yàn)楫?dāng)溫度升高，鋼渣表面發(fā)生了破裂現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼渣的孔隙率增加，比表面積變大，從而使鋼渣的吸附性能變好。在低于900 ℃時(shí)，吸附CO2的主要物質(zhì)可能為鋼渣中的鈣基。在高于900 ℃時(shí)，可能鋼渣中的各種物質(zhì)發(fā)生了反應(yīng)，對(duì)CO2的吸附性能產(chǎn)生了影響。鋼渣在900 ℃時(shí)生成了Ca12Al14O33，可以提高吸附劑的穩(wěn)定性[11]。

脫碳鋼渣的含鈣量比脫磷鋼渣的要多，由數(shù)據(jù)分析可得，脫碳鋼渣的吸附性能要比脫磷鋼渣的吸附性能要好，由此可知鋼渣中鈣基的含量越多，高溫改性的溫度越高，其對(duì)CO2的吸附性能越好。在900 ℃時(shí)，脫碳鋼渣和脫磷鋼渣的吸附性能升高可能是由于鋼渣內(nèi)CaO、Fe2O3的載體復(fù)合材料增加了吸附的性能，以及脫碳轉(zhuǎn)爐渣中生成了Ca2SiO4和脫磷轉(zhuǎn)爐渣中生成了Ca12Al14O33，提高鋼渣穩(wěn)定性，從而提高鋼渣對(duì)CO2吸附性能。

將脫碳爐渣和脫磷爐渣分別在400、600、800、900 ℃進(jìn)行高溫改性。脫碳轉(zhuǎn)爐渣經(jīng)過高溫改性后其吸附容量在400 ℃時(shí)在0.01 g·g-1之下，當(dāng)溫度升高到900 ℃時(shí)其首個(gè)循環(huán)吸附容量達(dá)0.12 g·g-1；轉(zhuǎn)化率在400 ℃時(shí)為0.02%左右，900 ℃時(shí)升高到0.39%左右。

脫磷轉(zhuǎn)爐渣經(jīng)過高溫改性后，吸附容量在400 ℃時(shí)在0.01 g·g-1之下，當(dāng)溫度升高到900 ℃時(shí)為0.11 g·g-1左右；轉(zhuǎn)化率400 ℃時(shí)在0.05%之下，900 ℃時(shí)升高到0.63%左右。經(jīng)過對(duì)不同改性后的鋼渣對(duì)比發(fā)現(xiàn)，改性溫度越高，吸附性能越好。

3樣品的表征

3.1X射線衍射

用X射線衍射儀分別對(duì)脫碳轉(zhuǎn)爐渣和脫磷轉(zhuǎn)爐渣進(jìn)行物相分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，經(jīng)過高溫改性后脫碳轉(zhuǎn)爐渣在4個(gè)改性溫度下都出現(xiàn)了CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的特征峰，但是在900 ℃時(shí)Fe2O3的特征峰出現(xiàn)得更明顯，它與CaO共同作用增加了鋼渣的吸附性能。脫碳轉(zhuǎn)爐渣在900 ℃時(shí)Ca2SiO4的峰值特別明顯，是因?yàn)樵诖藴囟认缕渚ЯＷ兇?，結(jié)晶度變得更好，在鋼渣中起到骨架的作用，使鋼渣的穩(wěn)定性增加，所以導(dǎo)致鋼渣的吸附性能有了很大的提升。脫磷轉(zhuǎn)爐渣在4個(gè)改性溫度下都出現(xiàn)了CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的特征峰。在900 ℃時(shí)Fe2O3的特征峰出現(xiàn)得更明顯，它與CaO共同作用提高了鋼渣的吸附性能，而且還出現(xiàn)了Ca12Al14O33的特征峰，Ca12Al14O33可以增加吸附劑的穩(wěn)定性，所以鋼渣吸附性能在900 ℃有大幅度的提升。

3.2紅外表征

將改性好的鋼渣進(jìn)行紅外表征，取煅燒好的鋼渣2 mg、溴化鉀400 mg，按照1∶200的比例用研缽將其混合均勻。結(jié)果表明，爐渣在400、600、800、900 ℃改性后，都出現(xiàn)—OH的伸縮振動(dòng)峰、—OH的彎曲振動(dòng)峰、O—Si—O鍵的伸縮振動(dòng)峰、Fe—O鍵的振動(dòng)峰。

4結(jié) 論

采用脫碳爐渣、脫磷爐渣為研究對(duì)象，分別在400、600、800、900 ℃對(duì)其進(jìn)行高溫改性。結(jié)果表明，900 ℃改性后的鋼渣其吸附容量和轉(zhuǎn)化率均有提升，脫碳轉(zhuǎn)爐渣在900 ℃高溫改性之后，Ca2SiO4在鋼渣中的骨架作用使鋼渣穩(wěn)定性提高；脫磷轉(zhuǎn)爐渣在900 ℃時(shí)出現(xiàn)了Ca12Al14O33的特征峰，Ca12Al14O33的支撐骨架作用提高吸附劑的穩(wěn)定性。

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Effect of High-Temperature Modification on Performance of Calcium Based Adsorbent with Steel Slag as Sources

ZHANG Ruohan， LI Tong， YAO Lu， LI Xiaojing， QIU Zhiying， GUO Hongxia

（College of Chemical Engineering， North China University of Science and Technology， Tangshan Hebei 063210， China）

Abstract： The rational use of steel slag is of great significance for the ecological environment. At present， the doped modified calcium based adsorbents used in industry usually use pure chemical reagents containing calcium as raw materials， it is particularly important to find cheap， green and wide-ranging calcium sources for developing low-cost CO2 adsorption materials. In this paper， a series of high-temperature modified calcium based adsorbents were prepared， it was found that the CO2 adsorption capacity and conversion rate of steel slag modified at 900 ℃ were improved. The decarburization and dephosphorization converter slag were characterized by XRD， and the peak of Ca2SiO4 in decarburization converter slag became more obvious at 900 ℃. Its skeleton effect in steel slag improved the stability of steel slag. The characteristic peak of Ca12Al14O33 appeared in the dephosphorization converter slag at 900 ℃， and the supporting skeleton effect of Ca12Al14O33 also improved the stability of the adsorbent.

Key words： Steel slag; High temperature modification; Calcium based adsorbent; CO2