鋼渣乙酸浸出液碳酸化固定CO2的工藝研究

張金池，解雪，劉貴清，王芳，張帆

摘要：本文以鋼渣的乙酸浸出液為試驗原料，采用碳酸化方式對CO2進(jìn)行固定，同時再生部分乙酸。試驗結(jié)果表明，溶液pH為8.0，固碳溫度為55 ℃，轉(zhuǎn)化時間為3 h，CO2流量為5 mL/min時，碳酸化轉(zhuǎn)化率最高。在最佳工藝條件下，Ca轉(zhuǎn)化率達(dá)98.38%，Mg轉(zhuǎn)化率為23.61%，固碳后液循環(huán)浸出鋼渣，可節(jié)約37.78%乙酸，固碳產(chǎn)物的主要成分為CaCO3，品位為96.88%。該工藝成本低，試劑消耗少，具有一定工業(yè)應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：鋼渣；乙酸浸出液；固碳；碳酸化；循環(huán)利用

中圖分類號：X757 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2023）11-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.11.006

Study on CO2 Fixation Process by Carbonation of Acetic Acid Leaching Solution of Steel Slag

ZHANG Jinchi， XIE Xue， LIU Guiqing， WANG Fang， ZHANG Fan

（Jiangsu BGRIMM Metal Recycling Science & Technology Co.， Ltd.， Xuzhou 221121， China）

Abstract： Taking acetic acid leaching solution of steel slag as the experimental material， this paper uses carbonation to fix CO2 and regenerate some acetic acid. The experimental results show that the carbonation conversion rate is highest when the solution pH is 8.0， the carbon fixation temperature is 55 ℃， the conversion time is 3 h， and the CO2 flow rate is 5 mL/min. Under the optimal process conditions， the conversion rate of Ca is 98.38%， and the conversion rate of Mg is 23.61%， and the liquid circulation leaching of steel slag after carbon fixation can save 37.78% acetic acid， and the main component of the carbon fixation product is CaCO3， with a grade of 96.88%. This process has low cost， low reagent consumption， and certain industrial application value.

Keywords： steel slag; acetic acid leaching solution; carbon fixation; carbonation; cyclic utilization

工業(yè)革命的成功促進(jìn)社會發(fā)展，也給人類社會帶來重大的不良影響。工業(yè)排放的CO2成為引起全球氣候變暖的主要因素，已嚴(yán)重威脅人類的生存環(huán)境。作為目前CO2排放第一大國，我國迫切需要采取有效措施減少CO2排放量。國家“十四五”規(guī)劃指出，要完整、準(zhǔn)確、全面地貫徹新發(fā)展理念，落實碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略。鋼鐵工業(yè)作為碳排放的重點行業(yè)，必須實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展，但時間緊迫、任務(wù)艱巨[1]。鋼渣作為轉(zhuǎn)爐煉鋼過程產(chǎn)生量最大的廢渣，具有長期利用率低、堆存量大、污染隱患大的問題，其無害化處置和資源化綜合利用對鋼鐵行業(yè)的綠色發(fā)展具有重要意義[2-5]。因此，將碳排放和煉鋼固廢集成耦合，減少鋼鐵行業(yè)CO2排放量是當(dāng)今冶金行業(yè)的重要課題。本文以鋼渣的乙酸浸出液為試驗原料，通過碳酸化方式對CO2進(jìn)行固定，得到CaCO3產(chǎn)品，同時使部分乙酸再生，有利于降低試劑消耗量及生產(chǎn)成本。該工藝可以減少碳排放量，實現(xiàn)鋼渣高值化利用和資源循環(huán)利用，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

1 試驗部分

1.1 試劑和儀器

主要試劑有乙酸浸出液、飽和氫氧化鈉溶液和CO2等，主要儀器有燒杯、攪拌器和過濾器等。乙酸浸出液來自國內(nèi)某企業(yè)鋼渣浸出過程，根據(jù)浸出條件，鋼渣粒度大于200目（0.074 mm），浸出溫度為55 ℃，液固比為5∶1，反應(yīng)時間為2 h，乙酸濃度為1.5 mol/L。乙酸浸出液pH約為5，主要含有Ca、Mg兩種元素，其含量分別為16.64 g/L、0.72 g/L。

1.2 試驗方法

首先準(zhǔn)確量取一定量的乙酸浸出液置于燒杯中，用飽和氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH，然后在一定溫度和攪拌強度下通入CO2，待保溫反應(yīng)結(jié)束后，進(jìn)行固液分離。濾渣于105 ℃溫度下烘焙8 h，濾液和洗水合并送檢，以固碳前后溶液中Ca、Mg含量計算Ca、Mg的轉(zhuǎn)化率。本研究系統(tǒng)考察溶液pH、固碳溫度、轉(zhuǎn)化時間和CO2流量等因素對固碳效果的影響，并利用固碳后液在最佳條件下對鋼渣進(jìn)行循環(huán)浸出，驗證乙酸再生效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶液pH對固碳效果的影響

固碳溫度為70 ℃，CO2流量為10 mL/min，轉(zhuǎn)化時間為4 h時，考察溶液pH對碳酸化轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如圖1所示。隨著溶液pH的增加，Ca、Mg的碳酸化轉(zhuǎn)化率逐漸增加。當(dāng)溶液pH由6.0增加至8.0時，Ca的轉(zhuǎn)化率增加至98.89%，Mg的轉(zhuǎn)化率增加到29.32%。經(jīng)分析，乙酸的酸性強于碳酸，當(dāng)溶液pH較低時，碳酸化反應(yīng)形成的乙酸可將CaCO3、MgCO3溶解，故碳酸化轉(zhuǎn)化率較低；溶液pH較高時，碳酸鹽可以穩(wěn)定存在。因此，溶液pH需要控制在8左右。

2.2 轉(zhuǎn)化時間對固碳效果的影響

溶液pH為8.0，固碳溫度為70 ℃，CO2流量為10 mL/min時，轉(zhuǎn)化時間對固碳效果的影響如圖2所示。隨著轉(zhuǎn)化時間的延長，Ca、Mg的碳酸化轉(zhuǎn)化率逐漸增加。當(dāng)轉(zhuǎn)化時間由0.5 h延長到3.0 h時，Ca的轉(zhuǎn)化率由37.27%增加至98.88%，Mg的轉(zhuǎn)化率由6.63%增加至29.36%。繼續(xù)延長轉(zhuǎn)化時間，Ca、Mg的轉(zhuǎn)化率不再明顯變化，說明碳酸化反應(yīng)已達(dá)到動態(tài)平衡。因此，最佳轉(zhuǎn)化時間為3 h。

2.3 固碳溫度對固碳效果的影響

溶液pH為8.0，CO2流量為10 mL/min，轉(zhuǎn)化時間為3 h時，固碳溫度對固碳效果的影響如圖3所示。隨著固碳溫度的升高，Ca、Mg的轉(zhuǎn)化率逐漸提高。當(dāng)固碳溫度由25 ℃升高至55 ℃時，Ca的轉(zhuǎn)化率由19.89%增加至98.25%，Mg的轉(zhuǎn)化率由5.37%增加至24.93%。經(jīng)分析，溫度升高有利于碳酸化反應(yīng)的進(jìn)行，但繼續(xù)升高溫度至85 ℃，Ca的轉(zhuǎn)化率變化不大，Mg的轉(zhuǎn)化率提高至32.79%。綜合考慮轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)成本，固碳溫度選擇55 ℃。

2.4 CO2流量對固碳效果的影響

溶液pH為8.0，固碳溫度為55 ℃，轉(zhuǎn)化時間為3 h時，考察CO2流量對碳酸化轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果如圖4所示。隨著CO2流量的增大，Ca、Mg的轉(zhuǎn)化率逐漸增加。當(dāng)CO2流量由1 mL/min增加至5 mL/min時，Ca的轉(zhuǎn)化率由49.94%增加至98.06%，Mg的轉(zhuǎn)化率由11.96%增加至24.55%；繼續(xù)增大CO2流量，Ca、Mg的轉(zhuǎn)化率基本不變，說明轉(zhuǎn)化反應(yīng)達(dá)到動態(tài)平衡。因此，CO2流量選擇5 mL/min。

2.5 驗證試驗

經(jīng)條件試驗，鋼渣乙酸浸出液碳酸化固碳的最佳工藝參數(shù)為：溶液pH 8.0、固碳溫度55 ℃、轉(zhuǎn)化時間3 h、CO2流量5 mL/min。在最佳條件下進(jìn)行驗證試驗，結(jié)果如表1所示，固碳產(chǎn)物的化學(xué)成分如表2所示。由表1可知，在最佳條件下，碳酸化過程中，溶液Ca、Mg含量分別由16.64 g/L、0.72 g/L降低至0.27 g/L、0.55 g/L，Ca的轉(zhuǎn)化率達(dá)98.38%，Mg的轉(zhuǎn)化率為23.61%，實現(xiàn)Ca的高效轉(zhuǎn)化和部分Mg的協(xié)同轉(zhuǎn)化。由表2可知，固碳產(chǎn)物的主要成分為Ca，品位達(dá)38.75%，含有少量Mg、Fe、Mn、Na等雜質(zhì)，經(jīng)計算，CaCO3品位為96.88%，有待進(jìn)一步提純。

2.6 循環(huán)浸出試驗

反應(yīng)溫度為55 ℃，液固比為5∶1，反應(yīng)時間為2 h時，取固碳后液對100 g粒度200目以上的鋼渣進(jìn)行浸出，不同乙酸添加量的Ca、Mg浸出率如表3所示。乙酸添加量為28 mL時，Ca、Mg的浸出率已接近原條件水平，分別為84.88%、25.91%，繼續(xù)增加乙酸用量，Ca、Mg的浸出率不再增加，此時乙酸用量減少37.78%。因此，在本文固碳條件下，可實現(xiàn)部分乙酸的再生和循環(huán)利用，利用固碳后液循環(huán)浸出鋼渣，能有效減少37.78%的乙酸用量。

3 結(jié)論

針對鋼渣的乙酸浸出液，本文采用碳酸化方式固定CO2得到CaCO3產(chǎn)品，并使部分乙酸再生，降低工藝過程試劑消耗量及生產(chǎn)成本，該工藝有一定工業(yè)應(yīng)用價值。在溶液pH 8.0、固碳溫度55 ℃、轉(zhuǎn)化時間3 h、CO2流量5 mL/min的最佳條件下，Ca轉(zhuǎn)化率達(dá)98.38%，Mg轉(zhuǎn)化率為23.61%，實現(xiàn)Ca的高效轉(zhuǎn)化和部分Mg的協(xié)同轉(zhuǎn)化。固碳產(chǎn)物的主要成分為CaCO3，品位為96.88%。固碳后液用于循環(huán)浸出鋼渣，可減少37.78%的乙酸用量。

參考文獻(xiàn)

1 汪旭穎，李 冰，呂 晨，等.中國鋼鐵行業(yè)二氧化碳排放達(dá)峰路徑研究[J].環(huán)境科學(xué)研究，2022（2）：339-346.

2 Takahashi T，Yabuta K.New applications for iron and steelmaking slag[J].NKK Technical Review，2002（87）：38-44.

3 朱蓓蓉，楊全兵.利用鋼渣固結(jié)CO2制備沉淀碳酸鈣的試驗研究[J].建筑材料學(xué)報，2011（4）：560-563.

4 Teir S，Eloneva S，F(xiàn)ogelholm C，et al.Dissolution of steelmaking slags in acetic acid for precipitated calcium carbonate production[J].Energy，2007（4）：528-539.

5 Huijgen W J J，Comans R N J，Witkamp G J.Cost evaluation of CO2 sequestration by aqueous mineral carbonation[J].Energy Conversion and Management，2007（7）：1923-1935.