造孔劑改性增強鋼渣 CO₂ 捕集性能的研究

中圖分類號：TQ424.2 文獻標志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）07-01093-04

自18世紀以來，溫室效應(yīng)逐漸加劇。目前我國已是 CO₂ 排放世界第一大國[1]。其中鋼鐵行業(yè)占比17% ，為我國碳排放最多的制造行業(yè)之一[2]。因此推動鋼鐵行業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型，積極開展減排工作，是一項重大任務(wù)。鋼渣是鋼鐵行業(yè)的大宗固體廢棄物，主要應(yīng)用于道路建設(shè)、生產(chǎn)水泥、改善土壤等領(lǐng)域[3]。鋼渣中的主要元素有 Ca 、Fe、 Mg 、Si、Al、Mn 等，其中Ca元素占比高達 40%～50%^[4] 。鋼渣中的大量堿性金屬主要以氧化物的形式存在，可以與CO₂ 發(fā)生碳酸化反應(yīng)，具有一定的固碳能力[5]。但鋼渣本身具有結(jié)構(gòu)緊密等局限性，直接用于碳捕集的效果不甚理想。針對這一問題，眾多學者也提出了對鋼渣固碳的研究，主要通過高溫、酸浸和添加劑改性等方式來改善鋼渣的固碳效果[]。彭犇等7]探究了不同條件對鋼渣碳酸化反應(yīng)的影響，結(jié)果表明，單一 CO₂ 氣氛下，鋼渣碳酸化反應(yīng)速率隨著溫度的升高而加快，在 600～700^°C 下達到最高； CO₂ 和水蒸氣同時通入時，鋼渣在 400^°C 已有明顯碳酸化反應(yīng)，溫度升高至 600^°C 左右碳酸化率達到最大。趙樹海等[8]研究了以醋酸為提取劑從低鈣鋼渣原料中浸出鈣離子的方法。實驗結(jié)果表明，在鋼渣粒徑為58～74μm 、浸出時間為 、固液比為 1：10 、酸濃度為 2mol?L^-1 、浸出溫度為 40^°C 的條件下，鈣鐵分離的效果最佳。李志雄等[9考察了不同溫度下精煉渣對 CO₂ 的吸附能力。結(jié)果表明，溫度對精煉渣吸附 CO₂ 反應(yīng)影響顯著，提高溫度可以提高精煉渣對CO₂ 的吸附能力。400 C 時，精煉渣吸附純 CO₂ 的量為 4.7mg?g^-1 ；溫度升至 550‰ 時，精煉渣吸附純CO2的量達到最高，為14.7mgg。

通過向鋼渣中加入造孔劑調(diào)控鋼渣的微觀形貌增加鋼渣的孔隙結(jié)構(gòu)，提高其比表面積。通過一系列的表征手段探究材料的 CO₂ 捕集能力、元素組成、微觀結(jié)構(gòu)和形貌，并進一步分析了造孔劑改性鋼渣的機理。

1 實驗部分

1.1 藥品與儀器

藥品：纖維素粉、石墨粉、葡萄糖粉、可溶性淀粉。鋼渣來自首鋼集團鋼鐵廠，鋼渣的組成成分如表1所示。

儀器：XGB04的行星式球磨機，南京博蘊通儀器科技有限公司；BFC-1200-1L的恒溫箱式馬弗爐合肥科冪儀器有限公司；KD2000熱重分析儀，北京恒久實驗設(shè)備有限公司；D8Advance型號的X射線衍射儀，德國布魯克公司；S-4800型場發(fā)射電子掃描顯微鏡、F-7000FL型號的分子熒光光譜儀，日本日立公司；TU-1901型號的紫外-可見漫反射光譜，北京普析通用儀器有限責任公司。

1.2 實驗過程

1.2.14種造孔劑改性樣品的制備

將鋼渣粉碎研磨后，用80目篩子篩分得到粒徑小于 0.18mm 的鋼渣粉末。取 2g 左右的鋼渣粉末，與造孔劑（纖維素粉、石墨粉、葡萄糖粉、可溶性淀粉）按照 100：2 的質(zhì)量比混合，在球磨機中以400r?min^-1 的轉(zhuǎn)速充分研磨 1h 。然后將混合樣品送入馬弗爐中，在 850^°C 下煅燒 10min 得到改性樣品。其中，4種樣品分別命名為：鋼渣-纖維素、鋼渣-石墨、鋼渣-葡萄糖、鋼渣-淀粉。

1.2.2 添加不同質(zhì)量葡萄糖的改性樣品的制備

將 2g 左右的鋼渣粉末與葡萄糖按照不同的質(zhì)量比（ 100：5，100：10，100：15，100：20，100：30， 100：40，100：50，100：60 混合后送入球磨機中，后續(xù)操作與4種造孔劑改性樣品的制備相同。

1.3 吸附劑的評價

1.3.1 評價程序

采用KD2000熱重分析儀對鋼渣及其造孔劑改性樣品進行熱重分析。首先稱取 100mg 左右的樣品放入熱重分析儀增蝸中，在流量為 100mL?min^-1 的 N₂ 氣氛中，以 10^°C?min^-1 的升溫速率升溫到850^°C ，恒溫 10min 。隨后通入流量為 25mL?min^- 1的 CO₂ 氣體， N₂ 氣體的通入流量改為 75mL?min^- 1，并以 10^°C?min^-1 的降溫速率降溫至 650^°C ，恒溫120min 。實驗樣品熱重分析測試均按照上述測試程序進行，單次循環(huán)。

1.3.2 計算方法

通過對熱重分析數(shù)據(jù)進行處理得到樣品的 CO₂ 吸附容量，來表征樣品的 CO₂ 吸附能力。 CO₂ 吸附容量定義為：一定時間內(nèi)所吸附的 CO₂ 質(zhì)量與所用吸附劑質(zhì)量之比，計算公式如下：

式中： c 一吸附劑對 CO₂ 的吸附容量， g?g^-1 m_CO2 一吸附 CO₂ 后吸附劑的質(zhì)量， g m 一所使用的吸附劑質(zhì)量， g^[10] 0

2 結(jié)果與討論

2.1 吸附性能分析

對比了鋼渣和改性鋼渣的 CO₂ 吸附容量數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖1所示。由圖1（a）可以看出，鋼渣原始樣品的 CO₂ 吸附容量為 0.010 4g?g^-1 ，而葡萄糖改性鋼渣的 CO₂ 吸附容量為 0.017 1g?g^-1 ，在4種造孔劑改性鋼渣中改性效果最好。由圖1（b）可以看出，葡萄糖改性鋼渣的 CO₂ 吸附容量開始隨著葡萄糖添加量的增加而升高，當葡萄糖與鋼渣的質(zhì)量比為 30：100 時，其 CO₂ 吸附容量最大，而后隨著葡萄糖添加量的繼續(xù)增加，改性鋼渣的 CO₂ 吸附容量呈現(xiàn)下降的趨勢?？梢娖咸烟呛弯撛淖顑?yōu)質(zhì)量比為 30：100 ，此時的 CO₂ 吸附容量達到未改性鋼渣的9.49倍。

2.2 XRD分析

選取鋼渣原樣、葡萄糖/鋼渣（ 2：100 、葡萄糖/鋼渣（ 30：100 ）、葡萄糖/鋼渣（ 60：100 ）4種樣品進行了XRD測試，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，對于鋼渣原樣，在 2θ=32.08^° 處出現(xiàn)了CaO的特征衍射峰，在 2θ=33.06^° 處出現(xiàn)了 Ca₂SiO₄ 的特征衍射峰，在 2θ=33.57^° 處出現(xiàn)了 Ca₂Fe₂O₅ 的特征衍射峰，在 2θ=35.43^° 處出現(xiàn)了 SiO₂ 的特征衍射峰，在 2θ=42.95^° 處出現(xiàn)了 Fe₂O₃ 的特征衍射峰，在2θ=62.36^° 處出現(xiàn)了 Al₂O₃ 的特征衍射峰，可知鋼渣中鈣元素為主要成分，且主要以氧化物的形式存在。

在加入葡萄糖后，可以看出 Ca₂Fe₂O₅ 和 Fe₂O₃ 的衍射峰值有明顯增加，說明其結(jié)晶度增大。 Ca₂Fe₂O₅ 對 CO₂ 有一定的還原作用[1]，因此 Ca₂Fe₂O₅ 對 CO₂ 濃度的降低有積極影響。此外， CaO 、 Ca₂SiO₄ 和Al₂O₃ 的衍射峰值也有所提升。研究發(fā)現(xiàn) Ca₂SiO₄ 是鋼渣中主要的與 CO₂ 結(jié)合的低溶解度組分之一[12]。此外，與純 CaO 相比， CaO+Fe₂O₃ 和 CaO+Al₂O₃ 體系的碳礦化反應(yīng)速率分別增加了 5.5% 和 8.5%^[13] 。葡萄糖的加入提升了鋼渣中堿性金屬氧化物的結(jié)晶度，且這些物質(zhì)對鋼渣的碳酸化反應(yīng)均有一定的積極作用，因而鋼渣的整體 CO₂ 吸附能力也隨之提升。

2.3 SEM分析

對鋼渣原樣、葡萄糖/鋼渣（ 2：100 ）、葡萄糖/鋼渣（ 30：100. 、葡萄糖/鋼渣（ 60：100 ）4種樣品進行SEM分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可以看出，鋼渣表現(xiàn)出較為緊密的塊狀形貌，表面有少量小顆粒固體附著，孔隙分布較少。而葡萄糖作為造孔劑，在高溫下可發(fā)生熱解反應(yīng)，該過程會釋放出 CO₂ 和 H₂O 等一系列氣體，這些釋放出的氣體會從材料內(nèi)部逸出而形成孔隙結(jié)構(gòu)，孔隙的增加使材料具有較高的多孔性和吸附能力。對比圖3（a）圖3（b）圖3（c）圖3（d）可以看出，隨著葡萄糖含量的增加，鋼渣材料的孔隙結(jié)構(gòu)逐漸增多，且鋼渣的表面粗糙程度也有了明顯的提高，因而鋼渣的吸附能力也得到了較好的改善。

2.4 UV-VisDRS和PL分析

對鋼渣原樣、葡萄糖/鋼渣（ 2：100? 、葡萄糖/鋼渣（ 30：100 ）、葡萄糖/鋼渣（ 60：100 ）4種樣品進行紫外（UV-visDRS）和光致熒光光譜（PL）分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出，鋼渣對可見光有較好的吸收效果，但光吸收帶邊發(fā)生了藍移現(xiàn)象?？傮w來說鋼渣具有一定的吸光性能。

3結(jié)論

采用纖維素粉、石墨粉、葡萄糖粉和可溶性淀粉4種造孔劑對固廢鋼渣進行改性，通過分析比較熱重數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，葡萄糖的改性效果最佳。在進一步的實驗探究中篩選出葡萄糖和鋼渣的最優(yōu)質(zhì)量比為100：30 。XRD測試結(jié)果表明，葡萄糖改性樣品的譜圖中， Ca₂Fe₂O₅ 和 Fe₂O₃ 的衍射峰值有明顯增加，且 CaO 、 Ca₂SiO₄ 和 Al₂O₃ 的衍射峰值也有所提升，這些物質(zhì)對于碳酸化反應(yīng)均有積極作用，因而使得鋼渣的 CO₂ 吸附能力增強。SEM圖像表明，葡萄糖的添加增加了鋼渣的孔隙結(jié)構(gòu)，提高了鋼渣表面的粗糙程度。UV-VisDRS光譜和PL光譜分析表明，鋼渣具有一定的吸光性，其可為鈣基材料用于聚光太陽能（CSP）發(fā)電技術(shù)提供參考。

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Study on Enhancement of CO₂ Capture Performance by Modifying Steel Slag with Pore-Forming Agent

CHENG Jin， WEN Jialiang， GUO Hongxia

（CollgeofChemicalEnginering，NorthhinaUniversityofienceandTechnology，TangshanHebeiO631，Cina）

Abstract： Steellag，asabulksolidwaste intheironandsteel industrynotonlyoccupiesalotoflandresourcs，butalsocausesa certaindegreeofenvironmentalpolltin.Terefore，explogpotentialaplicatisofstlslagndeancigitsutilzatioateis crucial forsustainableresoue development.Inthispaper，stelslag was modifiedusing fourpore-forming agents，namelyglucose， cellulose， gaphite，andstarch.Te preparedcalcium-basedadsorbents werecharacterzedusingTGA，XRD，SEM，UV-Vis，nd PL techniques to evaluate their CO₂ adsorption capacity， elemental composition and morphology performance. The results revealed that， among the four pore-forming agents， glucose exhibited the most effective modification in improving the CO₂ capture capacity of steel slag. The optimal mass ratio of glucose to steel slag was found to be 30：100 ， indicating superior CO₂ capture ability. Key words： Calcium-based absorbent; CO₂ capture; Pore-forming agent; Steel slag