高溫改性對鋼渣源鈣基吸附劑性能的影響

摘要：合理使用鋼渣，對生態(tài)環(huán)境有著非常重要的意義。目前工業(yè)上應用的摻雜改性鈣基吸附劑通常是以含鈣的純化學試劑為原料，尋找廉價、綠色且量大面廣的鈣源，對開發(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，結果表明900 ℃改性后的鋼渣其吸附容量和轉化率均有提升，通過XRD對脫碳和脫磷轉爐渣進行表征，脫碳轉爐渣在900 ℃時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；脫磷轉爐渣在900 ℃時出現(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。

關鍵詞：鋼渣；高溫改性；鈣基吸附劑；CO2

中圖分類號：TQ424文獻標志碼：A 文章編號：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生的固體廢棄物，很多國家將鋼渣用于道路工程中[1]。我國鋼渣產量大，利用率低，堆放造成環(huán)境影響嚴重。目前鋼鐵行業(yè)中所產生的廢渣綜合利用率低于30%，為了實現(xiàn)“固廢資源化”和“碳達峰、碳中和”的雙重目的，合理地使用鋼渣對當前我國的生態(tài)環(huán)境有著非常重要的意義[2-4]。鋼渣改性是調整鋼渣化學成分、提高鋼渣安定性、提升鋼渣易磨性的常用且有效的手段[5]。

采用首鋼產生的脫碳和脫磷轉爐渣作為研究對象，對其分別在400、600、800、900 ℃高溫改性，并進行吸附劑的CO2吸附性能與樣品結構之間的構效關系分析。

1實驗部分

1.1鋼渣源鈣基CO2吸附劑的制備

實驗選用脫碳爐渣以及脫磷爐渣為實驗對象，測定爐渣組成，脫碳轉爐渣的物質組成（質量分數）為CaO 44.31%、FeO 30.09%、MgO 11.12%、SiO2 10.06%、Al2O3 1.97%；脫磷轉爐渣的物質組成（質量分數）為SiO2 31.58%、FeO 28.6%、CaO 25.6%、Al2O3 5.29%、MgO 3.76%。先對總質量為2 g的鋼渣進行破碎，再進行研磨、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）的實驗篩進行篩分。球磨40 min，裝入密封袋保存。將稱量好的脫碳轉爐渣和脫磷轉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吸附劑評價

1.2.1吸附劑評價程序

實驗采用STA449F3型熱分析儀對吸附劑樣品進行性能評價。對制備好的樣品進行CO2吸附與脫附測試，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氣氛中進行脫附實驗。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)進行吸脫附實驗，進行5個循環(huán)的吸脫附實驗。

1.2.2計算方法

熱重評價之后，對測出的數據進行處理，得到對CO2的吸附容量以及對CO2的轉化率，計算公式如式（1）、式（2）所示。

C=（m_1-m_2）/m_1 （1）

式中：C—吸收劑對CO2的吸附容量，g·g-1；

m1—吸收劑反應后的質量，g；

m2—吸收劑吸附前的質量，g。

W=56（m_1-m_2 ）/（〖44m〗_2 X_0 ） （2）

式中：W—反應完成后CO2的轉化率；

m1—吸收劑反應后的質量，g；

m2—吸收劑吸附前的質量，g；

X0—鋼渣中含有CaO的質量分數。

2樣品的吸附性能

2.1脫碳轉爐渣吸附性能

比較了在經過不同高溫改性之后的脫碳轉爐渣吸附劑對CO2的吸附性能的影響，結果如圖1和圖2所示。由圖1、圖2可以看出，經高溫改性后的脫碳轉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]。這是因為當溫度升高時，鋼渣表面發(fā)生了破裂現(xiàn)象，導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，吸附CO2的主要物質可能為鋼渣中的鈣基。在高于900 ℃時，可能使鋼渣中的各種物質發(fā)揮，對CO2的吸附性能產生了影響。查閱資料發(fā)現(xiàn)CaO、Fe2O3的載體復合材料對提升CO2的吸收有一定的作用[7]，而且對于Ca2Fe2O5來說，其對CO2具有一定的還原作用[8]。鋼渣中的SiO2與CaO反應生成的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 ℃時的鋼渣吸附性能提高可能是由于鋼渣經高溫改性后導致比表面積增大，F(xiàn)e2O3的結晶度提高，生成了Ca2Fe2O5，SiO2與CaO反應還生成了Ca2SiO4。

2.2脫磷轉爐渣吸附性能評價

比較了經過不同高溫改性之后的脫磷轉爐渣吸附劑對CO2的吸附性能的影響，結果如圖3和圖4所示。由圖3、圖4可以看出，在高于900 ℃時鋼渣的吸附性發(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，是因為當溫度升高，鋼渣表面發(fā)生了破裂現(xiàn)象，導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，吸附CO2的主要物質可能為鋼渣中的鈣基。在高于900 ℃時，可能鋼渣中的各種物質發(fā)生了反應，對CO2的吸附性能產生了影響。鋼渣在900 ℃時生成了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，由數據分析可得，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CO2的吸附性能越好。在900 ℃時，脫碳鋼渣和脫磷鋼渣的吸附性能升高可能是由于鋼渣內CaO、Fe2O3的載體復合材料增加了吸附的性能，以及脫碳轉爐渣中生成了Ca2SiO4和脫磷轉爐渣中生成了Ca12Al14O33，提高鋼渣穩(wěn)定性，從而提高鋼渣對CO2吸附性能。

將脫碳爐渣和脫磷爐渣分別在400、600、800、900 ℃進行高溫改性。脫碳轉爐渣經過高溫改性后其吸附容量在400 ℃時在0.01 g·g-1之下，當溫度升高到900 ℃時其首個循環(huán)吸附容量達0.12 g·g-1；轉化率在400 ℃時為0.02%左右，900 ℃時升高到0.39%左右。

脫磷轉爐渣經過高溫改性后，吸附容量在400 ℃時在0.01 g·g-1之下，當溫度升高到900 ℃時為0.11 g·g-1左右；轉化率400 ℃時在0.05%之下，900 ℃時升高到0.63%左右。經過對不同改性后的鋼渣對比發(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射線衍射儀分別對脫碳轉爐渣和脫磷轉爐渣進行物相分析，結果如圖5所示。由圖5可以看出，經過高溫改性后脫碳轉爐渣在4個改性溫度下都出現(xiàn)了CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的特征峰，但是在900 ℃時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。脫碳轉爐渣在900 ℃時Ca2SiO4的峰值特別明顯，是因為在此溫度下其晶粒變大，結晶度變得更好，在鋼渣中起到骨架的作用，使鋼渣的穩(wěn)定性增加，所以導致鋼渣的吸附性能有了很大的提升。脫磷轉爐渣在4個改性溫度下都出現(xiàn)了CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3的特征峰。在900 ℃時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。結果表明，爐渣在400、600、800、900 ℃改性后，都出現(xiàn)—OH的伸縮振動峰、—OH的彎曲振動峰、O—Si—O鍵的伸縮振動峰、Fe—O鍵的振動峰。

4結 論

采用脫碳爐渣、脫磷爐渣為研究對象，分別在400、600、800、900 ℃對其進行高溫改性。結果表明，900 ℃改性后的鋼渣其吸附容量和轉化率均有提升，脫碳轉爐渣在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；脫磷轉爐渣在900 ℃時出現(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。

參考文獻：

[1] 張蕊，田鑫，陳夢真，等.鋼渣改性實驗研究[J].節(jié)能，2020，39（3）：83-84.

[2] 王會剛，彭犇，岳昌盛，等.鋼渣改性研究進展及展望[J]. 環(huán)境工程，2020，38（5）：133-137.

[3] 郝帥，羅果萍，盧元元，等.鋼渣改性與固碳研究現(xiàn)狀及展望[J].燒結球團，2022，47（6）：31-38.

[4] O'CONNOR J， NCUYEN B T. Production， characterisation， utilisation， and beneficial soil application of steel slag： A review [J]. Journal of hazardous materials， 2021，419： 126478.

[5] DONDI G L，MAZZOTTAF S，LANTIERI C，et al.Use of steel slag as an alternative to aggregate and filler in road pavements[J]. Materials， 2021， 14（2） ：345.

[6] 張有晶.鈣基CO2吸附劑的改性和活化實驗研究[D]. 太原：中北大學，2019.

[7] 孫榮岳，邊彩霞，譚雪瑩，等.電石渣流態(tài)化捕集燃煤電站煙氣中CO2特性[J].鍋爐技術，2019，50（3）：13-17.

[8] 金帥，賈慶明，陜紹云，等.廢棄物制備鈣基二氧化碳吸附劑的研究進展[J].硅酸鹽通報，2018，37（11）：3475-3480．

[9] 邰運龍. 金屬氫化物還原殼類廢棄物制備二氧化碳吸附劑及甲烷的研究[D]. 揚州：揚州大學，2021.

[10] 榮振洋，祁路明，劉清，等.硅基固體胺吸附劑捕集空氣中CO2的研究進展[J].石油化工高等學校學報，2022，35（4）：1-9.

[11] TIAN S， JIANG J， YAN F， et al. Synthesis of highly efficient CaO- based， self-stabilizing CO2 sorbents via structure-reforming of steel slag[J]. Environmental Science amp; Technology， 2015， 49（12）： 7464-7472.

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