冶金固廢材料化利用的研究進展

朱曉東，吳照金

（安徽工業(yè)大學冶金減排與資源綜合利用教育部重點實驗室，安徽馬鞍山243000）

隨著國家經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國工業(yè)所占比重日益增加，其中冶金行業(yè)作為國家基礎性產(chǎn)業(yè)，帶來巨大經(jīng)濟利益的同時，也產(chǎn)生了大量的固體廢棄物。有數(shù)據(jù)表明，冶金行業(yè)每年所產(chǎn)生的固體廢棄物約為6 億噸，但其綜合利用率僅為30%左右。這些固體廢棄物數(shù)量巨大，如果不能有效地回收利用，不僅嚴重污染環(huán)境，而且造成資源浪費。目前，冶金固廢循環(huán)利用主要著眼于大宗量利用，但存在低附加值的問題，無法充分利用其資源價值，由此，冶金固廢的材料化高附加值利用是其大宗量利用的有效補充，也是今后的發(fā)展方向。

1 冶金固廢的研究現(xiàn)狀

冶金固體廢棄物污染是一個很嚴重的環(huán)境和資源浪費問題，由于人類頻繁的冶金工業(yè)活動，產(chǎn)生了大量的固體廢棄物。冶金固體廢棄物主要包括冶金渣、冶金塵泥等，對于這些廢棄物，國內外眾多研究者在傳統(tǒng)處理工藝上進行了深入的探索，從簡單地填埋，做鋪路材料、水泥原料等，到高性能玻璃、陶瓷、混凝土制品等，再到多種材料添加劑、吸附劑、催化劑等。研究者們由簡入深，一步步細化冶金固廢的利用，提高了冶金固廢的附加值。

自二十世紀50 年代，我國對于冶金固廢的處理尚處于起始階段，除了填埋等基礎措施，也已經(jīng)將冶金渣投入水泥等建筑鋪路材料的生產(chǎn)中。到二十世紀90年代，我國已大量使用冶金固廢作為多種工業(yè)生產(chǎn)的原料，對于廢渣中金屬元素的提取、混凝土等材料的制造也更加廣泛。在國家對冶金行業(yè)的大力支持下，我國處理冶金固廢的方式漸漸由粗放型向精細型轉變。從二十一世紀向后，固廢綜合利用技術提高，處理方式更加高效、環(huán)保，有利于資源的材料化利用。

2 冶金固廢材料化利用的研究現(xiàn)狀

2.1 鋼渣的材料化利用

鋼渣是鋼鐵生產(chǎn)過程中的固體廢棄物，每年的產(chǎn)生量超過4億噸。在當前工業(yè)環(huán)境下，鋼渣大多被用作建筑材料、筑路材料、廢水處理添加劑等，處理方式單一且利用率較低。因此，將鋼渣進行高附加值材料化，將帶來巨大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

Tang 等以砂頁巖和鋼渣為原料，以SiC 為原料發(fā)泡劑，成功制備了高強度泡沫陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)，重量占比為94%砂頁巖、6%鋼渣的泡沫陶瓷的綜合性能較高。Zhang 等以鋼渣為主要原料，以石英粉、NaO、金剛砂粉、CaO、MgO、TiO等為混合添加劑，成功制備了綜合性能優(yōu)異的玻璃陶瓷。Jiao等將鋼渣作為熱骨料添加到瀝青混合料中制成新型鋼渣瀝青混凝土，此種材料具有高熱導率，在電熱路面積雪消融技術上發(fā)揮了重要的作用。

Kang等以鋼渣、NaOH、硅粉和丙烯酸樹脂乳液等為原料，通過浸漬法合成了一種新型的負載CeO的多孔堿活化鋼渣基光催化劑，然后用于光催化水分解制氫，實現(xiàn)了鋼渣的高附加值利用。Tang等采用鋼渣粉與三聚氰胺焦磷酸鹽組合的方法，制備硬質聚氨酯泡沫的阻燃添加劑，顯著提高了該材料的阻燃性和耐熱性。Kuwahara等通過酸處理去除鋼渣中的CaO并進行水熱處理，成功制備了Na型FAU沸石，并發(fā)現(xiàn)此種材料光催化性能優(yōu)異，有望用作TiO光催化劑的載體。

2.2 高爐渣的材料化利用

高爐渣是冶金行業(yè)生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物，通過淬火離開高爐的熔融爐渣獲得。高爐渣通常被用作鋪路材料、水泥原料等?，F(xiàn)今，國內外很多學者對高爐渣進行了更深入地研究，開創(chuàng)了高爐渣材料化利用的新局面。

Kuwahara等通過分別使用HCl和NaOH的兩步簡便的溶解-共沉淀方法，成功制備了渣制硅酸鈣水合物，此種材料有很好的吸附特性，可以被用來處理大量廢水。Zhang等利用改性后具有多孔結構的高爐渣和石蠟為原料，成功研究出了具有優(yōu)異熱性能的復合相變材料，提高了高爐渣的附加值。褚亮等采用均勻沉淀的方法，以高爐渣酸解提硅的廢液為原料，尿素為沉淀劑，成功合成了鎂鋁尖晶石粉體。

Zhang 等采用聚合、離子、交換三步反應法，合成了堿活化的粒狀高爐礦渣基膠凝材料與FeO偶聯(lián)的新型催化劑，實現(xiàn)了高爐渣的高附加值材料化利用。Zhang 等研究了一種CaWO/堿活化的高爐渣基膠凝復合材料，并證明此材料催化活性較強，成功將其應用于催化水分解制氫工藝。

2.3 高爐塵的材料化利用

高爐塵是煉鐵過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，含有大量的鐵和有色金屬，具有很高的廢物利用價值。高爐塵通常被直接燒結、礦物加工來回收鐵和碳，或被用作水泥原料等。由此，研究者們對高爐塵進行了大量的高附加值材料化研究。

楊浩以高爐含鋅除塵灰和軋鋼污泥為原料混配得到復配含鋅塵泥，而后用稀硫酸酸解，取酸解液，再采用恒溫回流均相沉淀法制備α-FeO/ZnFeO復合材料，并發(fā)現(xiàn)了其優(yōu)良的催化性能。Zhang等以高爐粉塵和鋁渣為原料，鹽酸為稀釋劑，采用共聚反應合成了聚合氯化鋁鐵混凝劑，此混凝劑是一種優(yōu)異的無機高分子混凝劑，提高了高爐塵的資源綜合利用率。

Wu等以硫酸酸解高爐爐灰，制備出金屬（鋁、鋅、鈦）摻雜赤鐵礦，并研究發(fā)現(xiàn)其可作為一種處理水污染的高效光催化材料。Shen 等以硫酸酸解高爐煙塵得到的溶液為原料，成功研究了一種納米級氧化鐵黑顏料，實現(xiàn)了高爐塵的高附加值材料化利用。

2.4 電爐塵的材料化利用

電弧爐粉塵是煉鋼時在熔爐中熔化廢料的過程中產(chǎn)生的廢物，含有大量的有毒元素，嚴重威脅環(huán)境和人類的健康。現(xiàn)今，研究者多用電爐塵來提取重金屬，以制備各種高附加值材料。

Wang 等通過水熱反應，從含鋅電弧爐粉塵中提取了多種有價元素，成功合成了純金屬摻雜尖晶石鐵氧體MFeO；同時，Wang等還采用固相反應法直接合成了摻金屬鎳鐵鋅氧體，為電爐塵的高附加值材料化利用做出了貢獻。

Nazari 等將電弧爐粉塵、SiO、NaCO和CaO 按一定比例混合，制備了一種耐腐蝕、高穩(wěn)定性的微晶玻璃。Fares 等研究了使用電弧爐粉塵生產(chǎn)含有粉煤灰和硅灰的綠色混凝土。Su等以電弧爐粉塵和AlO為原料，合成了一種吸附硫化氫的可再生吸附劑。Massarweh 等利用電弧爐粉塵制成了水泥水化緩凝劑。這些研究者們成功地將固體廢棄物轉化成了高附加值材料。

3 現(xiàn)狀與展望

作為對冶金固廢大宗量利用的有效補充，其材料化利用近年來受到廣泛的關注和研究，為冶金固廢的高附加值精細化利用積累了初步的理論和實驗基礎，但距產(chǎn)業(yè)化尚有一定的距離，某些關鍵問題仍需進一步深入研究。

（1）鋼渣的處理問題一直受人們的關注，經(jīng)過眾多研究者的不懈努力，其資源化利用的技術漸漸成熟，被大量應用于建筑、工業(yè)等行業(yè)。鋼渣的高附加值材料的研究也有了很大的成果，如多種添加劑、催化劑的研制，高性能陶瓷、混凝土的合成。但由于每年所產(chǎn)的鋼渣數(shù)量極為巨大，鋼渣的綜合利用率還比較低，因此，在繼續(xù)研究鋼渣高附加值材料化的基礎上，如何將已有的及新開發(fā)的各種處理方式聯(lián)合高效地應用于實際，是未來需要考慮的一大問題。

（2）高爐渣每年的產(chǎn)生量較大，會有一大部分被用作鋪路、水泥等基礎材料來使用，也有很多國內外研究者以高爐渣為原料制備了綜合性能優(yōu)異的復合材料，以及高效的催化劑等高附加值材料，為資源化利用做出了貢獻。綜合近年來高爐渣的研究情況，可以很明顯地看出高爐渣還處于低附加值材料化狀態(tài)，雖然不斷有高附加值材料的研制成功，但真正投入到大宗量生產(chǎn)當中，還不切實際。因此，還需要繼續(xù)深化高爐渣的材料化研究。

（3）高爐塵是一種非常寶貴的二次資源，其主要組分是碳，并且含有大量的有色金屬元素，如鋅、鉛、堿金屬等。同時，由于多種重金屬的存在，其粉塵有很大的毒性，增加了回收再利用的難度。研究者們對于高爐塵的研究多為提取其中的有價元素，再合成高性能的多元復合材料、催化劑等高附加值材料。但是，這些研究多缺乏對高爐塵全組分的無害化探索，并且提取有價金屬的過程也未考慮到經(jīng)濟性和廣泛性，限制了成果的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

（4）電爐塵含有鋅、鉛等多種重金屬和危險金屬，于1991 年被美國環(huán)境保護署列為危險廢品。目前，有許多學者研究了電爐塵的化學成分和礦物學相，并依此發(fā)表了眾多研究成果，也得到了很多高附加值材料。但是他們忽略了電爐塵中的少量有毒元素，如鉛、鉻等，造成了資源的二次浪費和環(huán)境污染。因此，對電爐塵的研究不能局限于鋅、鐵等金屬的提取，未來也需要著重處理含量較少的有毒元素，以達到電爐塵的全面高附加值的材料化利用。