金屬鎂渣的回收利用現(xiàn)狀

章啟軍，劉育鑫，吳玉鋒

（1.北京工業(yè)大學(xué)循環(huán)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100024；2.北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100024）

鎂和鎂合金因其優(yōu)異的性能已成為現(xiàn)代汽車、電子、通信等行業(yè)的首選材料，被人們譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”。20世紀(jì)90年代以來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家高度重視鎂合金的研究與開發(fā)，美國、日本、德國、澳大利亞等國相繼出臺(tái)了各自的鎂研究計(jì)劃，把鎂原料作為21世紀(jì)的重要戰(zhàn)略物資，加強(qiáng)了鎂合金在汽車、計(jì)算機(jī)、通訊及航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)研究。

中國是鎂資源大國，很多優(yōu)質(zhì)煉鎂原料在中國的儲(chǔ)量十分豐富。由于我國在鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域的開拓嚴(yán)重滯后及鎂深加工能力的不足，鎂工業(yè)還是以生產(chǎn)原鎂為主，其中95％的原鎂是采用皮江法生產(chǎn)，皮江法不僅高能耗，而且會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[1]。金屬鎂企業(yè)每生產(chǎn)1 t粗鎂，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生6～10 t的鎂渣。鎂渣在鎂工業(yè)中屬于廢品，且存在以下危害：（1）鎂渣為粉塵物，其中直徑小于150 μm的顆粒超過60％，懸浮在空氣中很難沉降，在自然環(huán)境中極易形成粉塵污染，吸入呼吸道，會(huì)造成呼吸道疾病；（2）鎂渣具有很強(qiáng)的吸潮性，易使土壤鹽堿化，造成土壤板結(jié)，堆積過鎂渣的土地及其周邊基本無法用于農(nóng)業(yè)耕種，會(huì)造成大量的農(nóng)田減少。因此如何有效合理地處理、開發(fā)利用鎂渣，達(dá)到節(jié)約能源、節(jié)約資源、變廢為寶和變害為利的目的，是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

1 鎂渣的利用研究

我國目前已有不少單位和學(xué)者（如：武漢理工大學(xué)、江西建筑科學(xué)研究院、合肥水泥研究院和西南工學(xué)院等）對(duì)鎂渣的應(yīng)用進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，主要集中在以下幾個(gè)方面。

1.1 鎂渣在煅燒水泥熟料中的應(yīng)用

詹學(xué)斌等[2]對(duì)利用鎂渣作原料生產(chǎn)水泥進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，摻入鎂渣后，出窯熟料安定性合格率大幅度提高，特別是早期強(qiáng)度提高幅度較大，表1為生產(chǎn)線上摻入鎂渣前后的熟料物理性質(zhì)的對(duì)比。

表1 熟料物理性能

范立衛(wèi)等[3]將鎂渣應(yīng)用于水泥生料并進(jìn)行試燒試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)摻入的鎂渣量不同時(shí)，熟料的質(zhì)量也有所不同，鎂渣摻量為1.5％時(shí)，熟料的3 d和28 d抗折、抗壓強(qiáng)度較高；在隨后的試生產(chǎn)中，當(dāng)生料中摻入1.5％的鎂渣作礦化劑時(shí)，立窯臺(tái)時(shí)產(chǎn)量提高18％，熟料標(biāo)準(zhǔn)煤耗降低14％，熟料的f-CaO控制在2.5％以下，熟料的強(qiáng)度一般保持在60 MPa以上。姚洪敏等[4]將鎂渣配料應(yīng)用于1 000 t/d預(yù)分解窯上的生產(chǎn)實(shí)踐，經(jīng)過多次調(diào)整優(yōu)化，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的硅酸鹽水泥熟料，鎂渣配料后熟料的易磨性、易燒性都有明顯改善，強(qiáng)度也明顯提高，并且水化凝結(jié)時(shí)間縮短。

鎂渣摻加到水泥生料中，雖然能夠提高煅燒熟料的質(zhì)量以及減少能耗，但是由于鎂渣在生料中或者替代部分石灰石和粘土，或者作礦化劑，其摻加量會(huì)受到很大的限制，消耗的鎂渣量很少。

1.2 鎂渣做水泥混合材的研究

鄧軍平等[5]研究了鎂渣和礦渣對(duì)復(fù)合水泥性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)鎂渣摻量20％，礦渣摻量30％時(shí)制備的復(fù)合水泥28 d抗折強(qiáng)度達(dá)9.10 MPa，抗壓強(qiáng)度達(dá)42.53 MPa，達(dá)到了國標(biāo)42.5R型復(fù)合硅酸鹽水泥要求；但是摻加鎂渣和礦渣制備的復(fù)合水泥早期強(qiáng)度較低，凝結(jié)時(shí)間偏長；隨著鎂渣礦渣比值（MS/BS）增加，水泥強(qiáng)度逐漸降低，凝結(jié)時(shí)間延長。針對(duì)這種缺陷，趙海晉等[6]提出一些技術(shù)措施：優(yōu)化熟料礦物組成，摻加煅燒石膏，優(yōu)化水泥的顆粒級(jí)配等。

生產(chǎn)鎂渣復(fù)合硅酸鹽水泥，其摻量范圍受到水泥中方鎂石含量的限制。2009年通過審查的國家標(biāo)準(zhǔn)《鎂渣硅酸鹽水泥》特別提出，對(duì)于鎂渣帶入的氧化鎂要嚴(yán)格控制，標(biāo)準(zhǔn)中明確限定了鎂渣的摻量，這在保證水泥質(zhì)量的前提下使鎂渣得到了合理利用。

1.3 利用鎂渣研制墻體材料

陳恩清等[7]探討了以鎂渣和粉煤灰為主要原材料生產(chǎn)加氣混凝土砌塊的工藝，采用該工藝生產(chǎn)的加氣混凝土砌塊性能符合GB11969-1997《蒸壓加氣混凝土砌塊》的要求，且能有效治理鎂冶煉生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的固體廢棄物。趙愛琴等[8]提出以鎂渣和礦渣為基本組分，摻以活性激發(fā)劑配制而成的金屬鎂渣膠結(jié)材用于生產(chǎn)工業(yè)及民用建筑墻體材料。其處理的工藝流程為：金屬鎂渣陳化及活化處理—原料配比計(jì)量—輪碾攪拌—振壓成型—養(yǎng)護(hù)—檢驗(yàn)；采用此工藝生產(chǎn)的240 mm×115 mm×53 mm標(biāo)準(zhǔn)磚和 390 mm×190 mm×190 mm空心砌塊均達(dá)到了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。鎂渣膠結(jié)材料的生產(chǎn)工藝簡單，成本低廉，產(chǎn)品性能優(yōu)良，為墻體材料改革提供全新的思路。

1.4 鎂渣在煤脫硫方面的應(yīng)用

李經(jīng)寬等[9]對(duì)鎂渣在不同氧氣含量、不同粒徑、不同反應(yīng)溫度條件下的脫硫性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，鎂渣脫硫的最佳溫度為900℃，正好處在循環(huán)流化床鍋爐燃燒溫度范圍內(nèi)（850～950℃），脫硫率可達(dá)到76.5％；粒徑對(duì)脫硫效率的影響很明顯，應(yīng)盡量選用粒徑小的鎂渣進(jìn)行脫硫，并且適量的空氣過量系數(shù)，可以提高鎂渣的脫硫效率。樊兆燕等[10]對(duì)鎂渣用于濕法脫硫進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，鎂渣的消溶特性受溫度、漿液pH值、粒徑以及消溶時(shí)間等諸多因素的影響。

利用鎂渣進(jìn)行煤脫硫的缺點(diǎn)是鎂渣的消耗量不大，并且這種應(yīng)用僅僅利用了鎂渣中的CaO和MgO，其中占30％的SiO2等物質(zhì)沒有得到利用，這有可能導(dǎo)致最終形成二次廢渣。

1.5 鎂渣應(yīng)用于混凝土膨脹劑

崔自治等[11]通過鎂渣形成過程、組成、粉化、顆粒分析和安定性試驗(yàn)找出了鎂渣體積膨脹性和膨脹滯后性的機(jī)理，鎂渣顆粒粗以及f-CaO和MgO含量高是產(chǎn)生膨脹性危害和膨脹滯后性的主要原因；實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中可以通過磨細(xì)粒狀渣、摻加其他活性摻合料、充分陳伏、添加引氣劑、加快出罐冷卻速度等方法來減輕鎂渣膨脹帶來的危害。南峰等[12]采用鎂渣及其激發(fā)劑配制混凝土膨脹劑，并按照混凝土膨脹劑標(biāo)準(zhǔn)測試限制膨脹率及膠砂試件強(qiáng)度，結(jié)果表明，單獨(dú)使用鎂渣制備混凝土膨脹劑，水中養(yǎng)護(hù)7d的限制膨脹率達(dá)不到JC476-2001標(biāo)準(zhǔn)0.025％的要求，添加激發(fā)劑后可以顯著提高鎂渣的早期膨脹性能，并且各齡期的限制膨脹率及強(qiáng)度均符合混凝土膨脹劑的標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.6 利用鎂渣研制環(huán)保陶瓷濾料

徐曉虹等[13]對(duì)利用鎂渣研制新型環(huán)保陶瓷濾料進(jìn)行了研究，將鎂渣直接磨細(xì)與一定比例的磨細(xì)成孔劑及天然抗物燒結(jié)助劑混合，然后經(jīng)過成球、干燥，并在隧道窯或梭式窯中于1 050～1 150℃燒成，得到環(huán)保陶瓷濾料。此方法的鎂渣利用效率高，且所燒成的陶瓷濾料抗壓強(qiáng)度達(dá)20 MPa，氣孔率為37％，耐酸性為99.4％，耐堿性為99.9％，是一種具有廣泛應(yīng)用價(jià)值的高品質(zhì)濾料，把該鎂渣陶瓷濾料用于某油田含油廢水處理，其水處理結(jié)果達(dá)到《碎屑巖油藏注水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法SY5329-94》規(guī)定的A1標(biāo)準(zhǔn)，見表2。用鎂渣為原料做環(huán)保陶瓷濾料，能以廢治廢，既節(jié)省了鎂渣的處理費(fèi)用，又能對(duì)各種廢水進(jìn)行有效處理，是一種較佳的鎂渣再生利用方案。

表2 鎂渣陶瓷濾料處理某油田含油廢水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.7 鎂渣作為路用材料

張習(xí)賢等[14]對(duì)鎂渣作為路用材料進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，得出鎂礦渣摻加5％石灰或2％水泥穩(wěn)定土，完全可以用做高級(jí)或者次高級(jí)路面的基層，鎂礦渣經(jīng)過球磨機(jī)或其他工藝磨碎后，其路用效果會(huì)更好，細(xì)度應(yīng)小于0.9 mm為宜，在隨后進(jìn)一步鋪筑試驗(yàn)路的檢驗(yàn)中，證明鎂礦渣穩(wěn)定土有很好的路用技術(shù)性能。鎂渣可作為良好的路用材料在于鎂礦渣中鈣鎂的含量很高，且具有比較高的活性，在基層中與土反應(yīng)，生成不溶性含水硅酸鈣與含水鋁酸鈣，呈凝膠狀態(tài)或纖維狀結(jié)晶體，使混合料顆粒之間的聯(lián)結(jié)和粘結(jié)力加強(qiáng)，隨著齡期的增長，這些水化物日益增多，使鎂礦渣混合料基層獲得越來越大的抵抗荷載作用的能力。

1.8 利用鎂渣改善瀝青粘結(jié)性

杜強(qiáng)等[15]研究了鎂渣對(duì)瀝青常規(guī)指標(biāo)的影響，結(jié)果表明，粉膠比對(duì)改性瀝青性能的影響最顯著，其次是鎂渣取代率，最后是細(xì)度。崔永成等[16]運(yùn)用直剪試驗(yàn)方法，將鎂渣與水泥、粉煤灰分別復(fù)合，分析研究復(fù)合比對(duì)瀝青粘結(jié)性的影響規(guī)律，探討相互作用機(jī)理，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鎂渣與粉煤灰復(fù)合可以提高瀝青的溫度穩(wěn)定性，瀝青的粘性略有降低，總體上抵抗剪切變形和剪切破壞的能力提高；鎂渣與水泥復(fù)合瀝青膠漿的粘聚力減小，適當(dāng)?shù)乃嗫梢愿纳茷r青膠漿的高溫性質(zhì)，而水泥過多則不利。

2 結(jié)語

雖然我國對(duì)鎂渣的應(yīng)用研究相對(duì)滯后，但通過科研和生產(chǎn)工作者的不懈努力，鎂渣開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)并取得顯著的成效。這對(duì)于節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境起到了很好的示范作用，并為以后進(jìn)行深入研究打下了良好的基礎(chǔ)。但目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的金屬鎂渣應(yīng)用途徑比較少，主要集中于建材產(chǎn)品、墻體材料等領(lǐng)域，且鎂渣的利用率不大。因此，在拓寬鎂渣應(yīng)用領(lǐng)域、加大鎂渣利用率等方面還需要科研和生產(chǎn)工作者進(jìn)行大膽創(chuàng)新和不懈努力?？梢源_信，隨著研究的不斷深入，鎂渣的綜合應(yīng)用治理必將取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。

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