鋼渣(zhā)碳化技術研究(jiu)進展
鋼渣是煉鋼(gang)過程中産生的(de)工業固體廢物(wu)，近10年我國㊙️累計(ji)鋼渣排放量達(da)到了7億t，但綜合(he)利用率較低，僅(jin)有20%左右🚩，而國外(wài)發達國家已超(chāo)過90%。大量堆存的(de)鋼渣不僅會侵(qīn)占🤩土地，浪費資(zi)源，如果排入水(shuǐ)中還可能會造(zao)成河流淤塞，周(zhou)邊土壤堿化，其(qí)中的有害物質(zhi)還會爲人類及(jí)其生存環境帶(dài)來嚴⭐重危害。
全(quán)球氣候變暖是(shi)全球氣候變化(hua)的核心熱點問(wèn)題，化石燃料燃(rán)燒産生大量的(de)CO2導緻溫室效應(ying)的發生，随着人(ren)類工農業活動(dong)的不斷進行，CO2的(de)排放量也逐年(nián)增加，2017年，全球碳(tàn)排放👅增長了1.6%。這(zhe)不僅會威脅我(wo)們的身心健康(kang)，也會對人類的(de)生存環境帶💋來(lai)嚴重危害。
研(yán)究者針對此項(xiang)技術進行了大(da)量的研究：鋼渣(zhā)種類、粒度不同(tóng)，碳化能力不盡(jin)相同；碳化過程(chéng)的環境條件不(bú)同，所得碳化鋼(gāng)渣制品的強度(du)也不同，其中溫(wēn)度、pH值及水化程(chéng)度成爲主要研(yan)究對❤️象。适宜的(de)環境，可以極㊙️大(da)促進反應的發(fa)生，使得碳化後(hou)的鋼渣性能更(gèng)加優越，從而更(geng)好實現固體廢(fèi)物資源化。本文(wén)主要針對以上(shàng)研究内容進行(hang)總結歸納，并針(zhen)對現階段碳化(hua)反應👅影響因素(sù)的研究進展提(ti)出展望及有待(dai)解決的問題🏃🏻。
鋼(gang)渣的基本性質(zhì)
目前，我國大部(bu)分鋼渣爲轉爐(lú)渣，在發達國家(jia)電爐鋼渣占🧑🏽🤝🧑🏻據(ju)主導地位，現階(jiē)段大多數研究(jiu)者主要以轉爐(lu)鋼渣爲研究對(duì)象。鋼渣的化學(xué)組成主要有CaO(34%～48%)、Fe2O3(7%～12%)、SiO2(9%～15%)、MgO(2.5%～10%)、Al2O3(0.9%～2.8%)，同(tóng)時還有🥰少量MnO、TiO2等(děng)氧化物，這樣氧(yang)化物主‼️要以C2S、C3S、Ca2Fe2O5、ＲO相(xiàng)及f－CaO等礦物相形(xing)式存在于鋼渣(zha)中。鋼渣中大量(liang)✂️的CaO、MgO等堿性氧化(huà)物能夠有效的(de)固定CO2，爲固碳技(jì)術的實現提供(gong)♋了物質條件。
按(an)照鋼渣的堿度(dù)大小，可分爲低(dī)堿度鋼渣(Ｒ＜1.80)、中堿(jian)度鋼渣(Ｒ=1.8～2.50)和高堿(jiǎn)度鋼渣(Ｒ＞2.50)，其堿度(du)Ｒ主要由CaO與SiO2和P2O5含(hán)量和的比值求(qiú)得，即Ｒ=CaO/(SiO2+P2O5)。鋼渣堿度(du)不同，顔色不同(tong)，其礦物組成也(ye)不盡相同。
鋼渣(zhā)碳化研究進展(zhǎn)
3.1 碳化機理研究(jiū)
在(zai)CO2及一定濕度養(yang)護下，鋼渣中的(de)化學成分主要(yào)發生🈲下✉️列反應(ying)：
鋼渣碳化的吉(ji)布斯自由能爲(wei)負值，即是一個(ge)自發進行的過(guò)程，隻要提供适(shì)宜的環境條件(jian)，這個反應就會(huì)自行發生♌，常鈞(jun1)、塗茂霞等的試(shi)驗結論中均證(zheng)明了此觀點。
以上的(de)熱力學分析及(ji)計算，共同說明(ming)了鋼渣碳化反(fan)應在理論上的(de)可行性與自發(fā)性，爲探索反應(ying)規律和機理奠(diàn)定了重要的理(li)論基礎。
3.1.2 物相分(fèn)析
綜上所述，鋼渣(zhā)碳化過程中發(fā)生反應的主要(yao)化學成分爲C2S、C3S、Ca(OH)2和(hé)CaO，他們均與CO2反應(yīng)生成CaCO3，且ＲO相及C2F基(ji)本不參與🈲反應(ying)，這可能是因爲(wèi)C2S、C3S等化合物先發(fa)生了水化反應(yīng)生成相應氫氧(yang)化物後繼續與(yu)CO2反應生😍成CaCO3和SiO2，而(er)ＲO相中🌐的金屬氧(yang)化物反應活性(xìng)低，基本不發生(sheng)水化反應，則無(wu)法參與碳化反(fan)應。鋼♍渣的化學(xue)組成中含Ca化合(he)🤩物将作爲研究(jiu)🚶♀️的重點，這些物(wù)♻️質的化學反應(ying)🌈行爲😄極大影響(xiang)着鋼渣的碳化(hua)規律、特點👄，以及(ji)碳化所需最佳(jia)條件。
3.1.3 熱重分析(xi)
梁曉傑對鋼(gāng)渣碳化前後進(jin)行了熱重分析(xi)，得到它們👉的TG－DTG曲(qu)線，經計算确定(ding)生成物爲CaCO3。BoPang等熱(rè)重分析結果表(biao)明：鋼渣中Ca(OH)2幾乎(hū)碳化完⭐全，生成(chéng)産物爲CaCO3，同時産(chan)物CaCO3因其有較高(gao)的活性而被吸(xi)附☂️，這就導🏃緻了(le)相反的結果：CaCO3的(de)吸附阻礙了Ca(OH)2與(yu)CO2的化學反應速(sù)率。他們同樣證(zhèng)實了鋼渣碳化(huà)産物爲CaCO3，且在反(fǎn)應過程中固體(ti)顆粒的吸附常(cháng)會導緻化學反(fǎn)應速率的減慢(màn)。
3.2 碳化反(fǎn)應的影響因素(sù)研究
3.2.1 加水量(liang)及水化時間
梁(liang)曉傑對不同加(jiā)水量下的鋼渣(zha)碳化效果進行(hang)了研⭕究，結果表(biao)明當加水量W水(shui)=3%～19%時，鋼渣碳化質(zhì)量增加率不斷(duan)提高，碳🔞化效果(guo)增💋加：當W水=19%，碳化(huà)效果最好，但W水(shuǐ)超過19%一直到21%，碳(tàn)化質量曲線💋出(chū)現明顯下降，這(zhe)是因爲出現了(le)泌水結👨❤️👨團現象(xiang)，積聚的水分将(jiang)鋼渣包裹，不利(li)于反應的進行(háng)，而且外層反應(yīng)生成的CaCO3顆粒阻(zǔ)礙了鋼渣的進(jìn)一步碳化。
鋼渣(zhā)碳化前先發生(sheng)水化，而水化時(shi)間的不同也會(hui)影⭐響碳♋化的效(xiao)果：這可能是因(yin)爲在水化初期(qī)，随着水化時間(jian)的增加，反應速(su)🐉率較快，從而促(cù)進碳化反應生(shēng)成較多的CaCO3顆粒(li)，但後期生成的(de)CaCO3形成了一層殼(ké)包裹在鋼渣外(wài)側，會阻礙反應(yīng)的進行。
劉梅将(jiang)鋼渣水化0h～7d後碳(tan)酸化2h，發現在2～6h時(shi)，鋼渣碳酸化增(zeng)重率較高，但10h後(hòu)，鋼渣碳酸化增(zēng)重率逐漸降低(di)。
以上試驗結果(guo)均證明了在碳(tan)化前進行一定(dìng)時間的水化對(duì)反應具有一定(dìng)的促進作用，這(zhe)是因爲水化生(shēng)成的産物❗可以(yi)作爲碳化反應(yīng)的反應物發生(shēng)反應；但水化時(shí)間較長，不僅對(dui)碳化反應的促(cu)進效果降低，又(yòu)♋會造成時間及(jí)試驗設備的浪(lang)♻️費與消耗💋。所以(yi)，探索最佳水化(huà)時間🌂對于鋼渣(zhā)碳化反應的實(shi)際應用具有重(zhong)💚要意義。
3.2.2 外加劑(ji)
在碳化反應中(zhong)，外加劑的加入(ru)可以促進反應(ying)的進行，激💃🏻發鋼(gāng)渣的反應活性(xìng)，使鋼渣碳化制(zhì)品的性能得以(yi)改善提高。
通過(guo)設計外加劑對(duì)鋼渣碳酸化影(ying)響的探究試驗(yàn)，向鋼渣🤞試樣中(zhong)摻加CaSO4·2H2O、Na2CO3、NaHCO3、Na2SiO3、沸石、膠粉(fěn)和羧甲基纖維(wéi)素鈉七種外加(jia)劑，養護2h，結🐆果與(yu)不摻入外加劑(ji)試樣組對比發(fā)現，摻入NaHCO3、Na2SiO3和羧甲(jia)基纖維素鈉的(de)鋼渣試樣碳化(hua)較好，将三種外(wài)加劑兩兩複摻(chan)，進一步探索得(de)到羧甲基纖維(wéi)素鈉和CaSO4、NaHCO3的加入(ru)對碳化反應⭕的(de)促進沒有明顯(xian)效果。這🈲說明外(wai)加劑的摻入對(dui)固碳效果🏃♀️的影(yǐng)響不是很大，且(qie)很有可能會導(dǎo)緻鋼渣的結構(gou)向不利方向發(fā)生改變，從而影(yǐng)響碳化鋼渣制(zhi)品的性能💞。
3.2.3 溫度(dù)
柳倩分别對比(bi)了不同養護條(tiao)件對鋼渣水泥(ní)基膠凝🈲材料性(xìng)能的影響，結果(guǒ)得到最佳的養(yǎng)護條件是60℃、碳化(huà)7h，高溫碳化養護(hù)可以提高其抗(kang)壓強度，且升高(gāo)溫度可以提高(gāo)水化進程，進而(ér)促進碳🚶♀️化反應(yīng)；郜效嬌等觀察(chá)分析不同溫度(dù)下鋼♊渣試樣碳(tan)化3d的體積👌膨脹(zhang)率與力學強度(du)，發現鋼渣體積(ji)膨脹率随碳化(hua)🏃🏻溫度的升高而(er)增大，并得出碳(tan)化3d力學強度與(yǔ)碳化溫度的線(xiàn)性方程y=0.062x+33.04(y爲力學(xué)強度值，單位MPa；x爲(wei)碳化溫度，單位(wei)℃)；姚星亮等通過(guo)🐪儀器檢測及固(gù)碳公式的計算(suàn)得到：提高溫度(du)，反應速🈲率加快(kuai)❓，但鋼渣固碳率(lü)增大幅度較小(xiǎo)，且溫度☀️超過一(yī)定值時，反應速(sù)率變化不明顯(xian)。
3.2.4 pH值
鋼渣的碳化(huà)反應主要是鈣(gài)離子與CO2生成碳(tàn)酸鈣化合🤞物的(de)過程，其中環境(jing)的pH值會影響鈣(gai)離子的溶解，進(jin)而影響碳化反(fan)應的效果，則調(diào)節溶液的pH值對(dui)于反應的進行(hang)至關重要♈。
向鋼(gāng)渣試樣中加入(ru)不同pH值的溶液(ye)，分别養護2h、10h、1d、7d，碳化(hua)相同時間，結果(guo)表明強酸不利(lì)于碳酸化反應(ying)，弱酸和強‼️堿環(huán)境均有利♊于鋼(gāng)渣試樣的碳酸(suan)化反應，且随着(zhe)養護時間增長(zhǎng)，鋼⭐渣碳化效果(guo)提高，即在pH值=12.55、養(yang)護7d時，鋼渣試樣(yang)碳酸化增重率(lǜ)最高。
王日偉等(děng)利用固碳效率(lü)公式研究計算(suan)堿與鋼渣❗不❓同(tóng)的質😄量百分比(bǐ)對鋼渣固定CO2的(de)影響，結果發現(xian)鋼渣中加⭐入少(shao)量的NaOH後，固碳量(liàng)明顯增加，且随(suí)着堿⚽增加，鋼渣(zha)固定CO2呈上升趨(qu)勢，在上述試驗(yàn)中得到堿與鋼(gang)渣最佳質量百(bǎi)分比爲8%，繼續增(zeng)大比值時，固碳(tàn)量呈下降趨勢(shi)。
潘凱通過試驗(yan)研究同樣證實(shi)了在鋼渣碳化(hua)過程中加💃🏻入低(dī)濃度堿溶液可(kě)以提高固碳效(xiào)率；BonenfantD等研究了常(chang)溫常壓下鋼渣(zhā)👌碳酸化固定CO2的(de)潛力，研究發現(xian)強堿性及Ca(OH)2含量(liang)是鋼渣📧具有較(jiào)高CO2固定☀️潛力的(de)主要原因；其中(zhōng)有研究者向鋼(gang)渣中摻入消石(shí)灰以提高體系(xì)pH值，結果🚩發現摻(chan)入與鋼渣等量(liàng)的消石灰，其固(gu)碳效果最佳，可(ke)達到27.81%。
3.2.5 碳化(huà)時間
在(zài)碳化開始的一(yī)段時間内，反應(ying)速率加快，生成(cheng)較多的CaCO3物質📐，但(dàn)一段時間後由(yóu)于反應物濃度(dù)較小、生成固體(ti)顆粒具有阻礙(ài)作用等因素，反(fan)應速率減慢，反(fan)應效果減弱。
3.2.6 成(cheng)型壓力
P.DeSilva等研究發現在(zai)一定範圍内随(sui)着成型壓力的(de)提高，試樣的✉️碳(tan)化☎️效率逐漸降(jiang)低；而在李勇的(de)試驗研究♊中，設(shè)計成💚型壓力範(fan)圍爲0～14MPa，對碳化試(shì)樣進行SEM、TGA及XＲD分析(xi)得到，随着成型(xing)壓力的👨❤️👨增加，碳(tan)化效率先增加(jia)後降👣低，且碳化(hua)産物的形貌也(yě)發生了相應改(gai)變，由典型💜的方(fāng)解石晶體形貌(mào)變爲橢球形的(de)方解石，這說明(ming)成型壓力對碳(tan)化反應有着很(hen)大的影響，成型(xing)壓力的改變導(dao)🐇緻試樣内部的(de)㊙️保水能力不同(tóng)、空隙率不♊同💔，則(zé)反應過程中的(de)🈲速度與碳化産(chǎn)物的形貌也不(bú)盡相同。
3.2.7 其他因(yīn)素
鋼渣碳化(hua)反應是一個較(jiao)爲複雜的化學(xué)反應，影響因素(su)較多，但相對來(lai)說反應要求環(huan)境較爲容易達(dá)到，以上的研究(jiū)也爲📧鋼渣碳化(hua)制品的工業化(hua)生産與應用提(tí)供了一定的數(shu)據基礎。
鋼渣碳(tàn)化技術的應用(yòng)
從上文可見，已(yi)有大量學者對(duì)鋼渣碳化技術(shù)進行了機理💛以(yi)👄及水化時間、外(wài)加劑、溫度、pH值等(děng)因素對碳化過(guo)程影響的試驗(yàn)研究，這也爲此(ci)項技術的建材(cái)㊙️化應用提供了(le)一定的理論基(ji)礎。碳化後的鋼(gang)渣制🌂品強度高(gao)、性能優良、投入(rù)生産成本低、且(qiě)應用途徑💰較爲(wei)廣泛，具有高附(fù)加價值。而在碳(tàn)化制品的應用(yòng)✉️中，通常也會摻(chan)入其他成分以(yi)進一步提高産(chǎn)品的🛀優良性能(neng)。
依據現有碳化(huà)制度及條件，史(shǐ)迪以首鋼鋼渣(zhā)爲原📧料，利用堿(jian)激發與CO2的協同(tóng)作用制成強度(dù)較高的鋼渣磚(zhuān)🔆，該學者選擇Na2CO3爲(wei)💛激發劑。試驗發(fā)現，當摻入溶液(yè)态Na2CO3時，其碳化效(xiao)果要好于固态(tai)Na2CO3，這是因爲反應(ying)物之間發生了(le)離子反應，而固(gù)體物質需溶解(jie)後反應，這就導(dǎo)緻了固态的Na2CO3的(de)碳化速率不如(rú)Na2CO3溶⭕液。進一步試(shì)驗發現，當激👅發(fā)劑Na2CO3的摻入量爲(wei)13.12kg/m3時，鋼渣碳化磚(zhuan)的抗壓效果最(zuì)好。
除了Na2CO3溶液外(wài)，也可以以熟石(shí)灰爲激發劑，當(dang)加入到鋼渣與(yu)熟石灰質量比(bǐ)爲0.20時，碳化磚強(qiang)度達到最佳值(zhí)，且抗壓和抗折(shé)強度爲😍對比磚(zhuan)(未加熟石灰)的(de)4～5倍，摻入激發劑(ji)的碳化磚☔在吸(xi)水率、幹燥收縮(suo)率及安⭐定性方(fāng)面也達到了良(liang)好的指标。
從上(shàng)述試驗結果可(ke)以看出，在制備(bèi)鋼渣碳化磚的(de)過程中，摻入一(yī)定量的激發劑(ji)會使鋼渣的碳(tan)化速率以及碳(tan)化磚🔴的性能得(de)到很大提高，但(dàn)激發劑的用量(liang)需适當，如⛷️果摻(chān)入量過多🌈，不僅(jin)會造成原料的(de)💜浪費，而且有些(xie)種類的激發劑(ji)過量使用還會(huì)減弱鋼渣的碳(tan)化效果。
此外，有(you)研究者向鋼渣(zha)中摻入砂子和(he)石子等原料，經(jing)碳化養護🔱一定(ding)時間後，制備滲(shen)水路面磚，在進(jin)行💋增重率、透水(shui)系數、抗壓強度(du)等實驗室測試(shi)後，發現該滲水(shuǐ)路面磚🤩滲水性(xing)🚶♀️能、安定性等均(jun)達到标準，同時(shí)以此方法得到(dao)的滲水磚兼具(jù)強度高、多孔結(jie)構吸聲減噪、補(bǔ)充地下水分且(qiě)美化城市環境(jing)等優點。
也有學(xue)者基于此項碳(tan)化技術，向鋼渣(zhā)中加入一定量(liàng)的🐉膨脹珍㊙️珠岩(yan)制備得到牆體(tǐ)輕質闆材，強度(du)高且質量輕🐇；摻(chān)入🤩抛光廢石粉(fen)制備得到人造(zào)大理石，不僅可(kě)以節省原材料(liào)，而且有❄️助于有(yǒu)效解決空氣中(zhōng)粉塵污染的問(wèn)題😍；同時，碳化後(hou)的鋼渣也可以(yǐ)代☀️替部分水泥(ni)作爲吸聲材料(liao)：在吸聲材料中(zhong)摻入30%～50%的碳化鋼(gang)渣後進行吸聲(shēng)性能的測試，結(jié)果表明☀️，摻入的(de)碳化鋼💋渣對材(cai)料的強度和吸(xī)聲性能并無不(bú)利影響，而且減(jian)少了部分水泥(ní)用量，這說♈明鋼(gāng)渣碳化技術的(de)應✂️用不僅可以(yi)綠色高效地利(li)用固體廢棄💃🏻物(wu)，同時也達到了(le)節約資🌍源、降低(dī)生産成本的效(xiao)果，實現環境效(xiào)🐕益與經濟效🛀🏻益(yi)相統一。
碳化鋼(gang)渣技術可以廣(guǎng)泛應用于建築(zhù)領域，作爲主要(yao)原💃料⭐或摻入料(liào)生産制備鋼渣(zhā)水泥、鋼渣磚、砌(qì)塊、牆體材料、吸(xī)聲材料等，以上(shàng)制品具有強度(du)高、安定性好、耐(nài)磨損、耐腐蝕等(deng)🐅優點，但由于鋼(gāng)渣本身活性較(jiao)低，即使在最佳(jiā)工💛藝條件下碳(tan)化後，仍有部分(fèn)鋼渣碳化不完(wán)全，這又降低了(le)鋼渣的利用率(lü)。
展望
目前，我國(guó)仍爲發展中國(guo)家，爲解決“雙剛(gāng)性”矛盾，必須要(yào)注重♻️資💜源的綜(zong)合利用。現階段(duan)，鋼渣仍是我國(guo)鋼鐵行業的主(zhǔ)要固💞體廢棄物(wù)之一，碳化技術(shu)的應用不僅可(ke)以緩解溫室💚效(xiao)應，還🍉可以解決(jué)鋼渣大量堆存(cun)、利用率低的問(wen)題，實現資🏃源的(de)綜合利用與開(kāi)發。但鋼渣碳☎️化(hua)制品制備技術(shu)目前仍處于實(shi)驗室😍階段，所以(yi)，爲了🆚這一技術(shu)的廣🈲泛應用與(yǔ)開發，應對以下(xià)幾個🌍方面進✌️一(yi)步研究：
(1)對鋼渣(zhā)的物質組成和(he)化學性質進行(háng)深入研究，鋼渣(zha)成🥵分的多變性(xing)将會導緻化學(xué)反應的不穩定(ding)性及反應産物(wu)的多樣📐性，使得(dé)研究結果具有(yǒu)較大波動性和(he)差異性。因此，進(jin)一步探索鋼渣(zha)😄成分及性能對(dui)研究碳化機理(li)、揭示反應規律(lü)具有重要意義(yi)。
(2)鋼渣的碳化過(guo)程将會受到很(hěn)多因素的影響(xiǎng)，雖然已經有學(xué)者對影響因素(sù)進行了大量的(de)探索與研究，但(dan)仍缺乏系🔱統性(xing)和深入性，根據(ju)以上綜述，溫度(dù)、pH值及水化程度(du)三個影響因素(su)仍作爲主要研(yán)究對象。而且在(zai)碳化反應中，泌(mì)水結團現象及(ji)CaCO3殼的形成⛹🏻♀️阻礙(ai)CO2的擴散，從而阻(zǔ)礙反應的進行(háng)，以上問題有待(dài)進一步研究解(jiě)決。
(3)爲了使鋼渣(zha)碳化制品制備(bei)技術廣泛應用(yòng)于工業生産，我(wo)們仍需開發新(xin)技術，研發新設(shè)備，爲鋼渣的碳(tan)化提供穩定良(liang)好且投入低廉(lian)的環境，使鋼渣(zha)碳化技術真正(zheng)從實驗室階段(duàn)進入到實際生(sheng)産階段🌂。使其在(zai)變廢爲寶、保護(hù)生态環境的同(tong)時實現利益🎯的(de)最大化，真正做(zuo)到經濟🔞、環境和(he)社會效益相統(tong)一。
作者：魏欣蕾(lěi)、倪文、王雪、李克(ke)慶
