1 　鋼渣的物理、化學(xué)特性

　　在鋼鐵企業(yè)中,鋼渣產(chǎn)出量是僅次于高爐渣的第二大固體副產(chǎn)品。2004 年中國(guó)的粗鋼產(chǎn)量約為2. 7 億t , 鋼渣排放量約占粗鋼產(chǎn)量的12 %～15 % ,以此推算,中國(guó)鋼渣去年的產(chǎn)出量至少為3 200 萬(wàn)t 。鋼渣的體積密度一般為3. 1～3. 6 g/ cm3 ,通過(guò)0. 175 mm 標(biāo)準(zhǔn)篩的渣粉的體積密度為1. 74 g/ cm3 左右, 比表面積約為0. 32 m2 / g ,平均孔徑5. 3 nm ,具有良好的過(guò)濾性能。由于鋼渣屬于多種金屬氧化物的熔融混合物,因此其耐酸、耐堿及熱穩(wěn)定等性能比較優(yōu)良。

　　鋼渣按生產(chǎn)工藝可分為轉(zhuǎn)爐渣和電爐渣。鋼渣的巖相組成: 硅酸二鈣( 2CaO ·SiO2 ) 、硅酸三鈣(3CaO·SiO2 ) 、鐵酸鈣(2CaO·Fe2O3 ) 、RO 相( Fe(Ca , Mn , Mg) O) 、游離氧化鈣(CaOf ree) 、游離氧化鎂(MgOf ree) 等。轉(zhuǎn)爐渣的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1 。
?表1 　轉(zhuǎn)爐鋼渣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) % 
CaO                     MgO          SiO2             Al2 O3        TFe            MnO           S          P2 O5
40 . 00～46 . 00 6 . 00～10 . 00 9 . 00～11. 00 1. 50～2 . 50 16 . 00～22 . 00 4 . 00～5. 00 0 . 04～0 . 05 2 . 00～3 . 00
  f . CaO 
6 . 00～18 . 00

　　注:數(shù)據(jù)是以寶鋼的轉(zhuǎn)爐渣為例。

　　國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)以前對(duì)鋼渣的綜合利用渠道單一,利用附加值較低。還有大量鋼渣未能得到及時(shí)處理和利用。鋼鐵企業(yè)和科研工作者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)鋼渣中不僅含有一定量的金屬鐵(見(jiàn)表1) ,還含有CaO , SiO2 和FeO 等有價(jià)資源,有多種回收和利用途徑。它不再是廢棄物,而是可以被循環(huán)利用的資源。目前,鋼渣的廠內(nèi)利用主要是做高爐、轉(zhuǎn)爐原料。此外,鋼渣還用于道路工程、建材原料、鋼渣肥料及填坑造地等。近年來(lái),基于對(duì)鋼渣吸附沉淀性能及有價(jià)成分的發(fā)掘,鋼渣用于污水處理及生態(tài)研究方面的報(bào)道也日漸增多。

　　2 　鋼渣在污水處理上的應(yīng)用

　　2. 1 　重金屬離子廢水處理

　　重金屬離子廢水是對(duì)環(huán)境及人類危害最為嚴(yán)重的廢水,若處理不當(dāng)重金屬會(huì)在環(huán)境中發(fā)生富集作用,然后通過(guò)食物鏈對(duì)人體健康造成傷害。到目前為止,重金屬?gòu)U水的處理方法主要有中和沉淀法、硫化物沉淀法、生物吸附法、隔膜電解法、反滲透法、電滲析法、蒸發(fā)濃縮法、離子交換法、電凝聚法等等。鋼渣由于含有 SiO2 、Fe2O3 、Al2O3 、P2O5 和游離CaO、MgO 等成分,可加工成與活性炭孔徑相當(dāng)?shù)念w粒,平均孔徑為52. 8ÜA (約5. 3 nm) ,密度大,在水中沉降速度快,固液分離處理周期短,具有一定的堿性和吸附能力,對(duì)廢水中重金屬離子既具有化學(xué)沉淀作用,又具有吸附作用,因此近年來(lái)將鋼渣應(yīng)用于重金屬離子廢水處理的研究也越來(lái)越多。研究證明,這種方法具有一定的實(shí)用性,而且為重金屬離子廢水的治理開(kāi)辟了一個(gè)“以廢治廢”的新途徑。鋼渣處理含鎳廢水的研究結(jié)果表明[ 1 ] :在廢水p H 值≥3 、Ni2 + (質(zhì)量濃度) ≤300 mg/ L ,按鎳與鋼渣重量比1/ 15 投加鋼渣進(jìn)行處理,接觸時(shí)間為40 min 時(shí),鎳去除率大于99 % ,廢水經(jīng)處理后可達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)。從鋼渣對(duì)含鉻廢水處理的研究獲知 2 ,3 ] :鋼渣對(duì)Cr3 + 有較強(qiáng)的去除作用,對(duì)質(zhì)量濃度在400 mg/ L 以內(nèi)的含鉻廢水,按鉻/ 鋼渣重量比1/ 35 投加鋼渣進(jìn)行處理,鉻去除率達(dá)99 %以上,處理后的廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于Cr3 + 、Cr6 + 共存含鉻廢水,需首先用硫酸亞鐵進(jìn)行還原,而后的處理方法與處理效果Cr3 + 廢水的處理完全相同。該方法對(duì)酸度適應(yīng)范圍寬,可直接處理p H 值在2. 5～12 范圍內(nèi)的含鉻廢水。鋼渣對(duì)重金屬離子的去除是2 個(gè)過(guò)程綜合作用的結(jié)果,一是鋼渣溶液呈強(qiáng)堿性,金屬離子可部分形成氫氧化物沉淀?；瘜W(xué)反應(yīng)方式如下:鋼渣除鎳的化學(xué)反應(yīng)式:Ni2 + + 2OH- = Ni (OH) 2 ↓鋼渣除鉻的化學(xué)反應(yīng)式:

6Fe2 + + Cr2 O7
2 - + 14 H + = 6Fe3 + + 2Cr3 + + 7 H2 O
Cr3 + + 3OH- = Cr (OH) 3 ↓
Fe3 + + 3O H- = Fe (OH) 3 ↓

　　二是鋼渣經(jīng)粉碎后粒徑和孔徑都小,比表面積較大,對(duì)金屬離子有一定吸附作用,非常有利于金屬離子的去除。這個(gè)過(guò)程通過(guò)吸附實(shí)驗(yàn)研究得到證實(shí)。即在固定鋼渣用量的情況下做金屬離子的吸附曲線。結(jié)果表明,鋼渣對(duì)金屬離子的去除規(guī)律基本符合Freundlich 吸附等溫式。除此之外,鋼渣用于處理含砷廢水的技術(shù)近年也有報(bào)道[ 4 ] 。砷雖然不是金屬,但其化學(xué)性質(zhì)與金屬十分接近,因此鋼渣對(duì)含砷廢水的治理效果也十分明顯。當(dāng)廢水含砷量為10～200 mg/ L時(shí),按砷/ 鋼渣1/ 2 000 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)比) 投加鋼渣,砷去除率可達(dá)98 %以上。且在p H 1. 5～9. 0時(shí)均可進(jìn)行,但出水偏堿性,需中和后排放。隨著鋼渣處理污水技術(shù)研究的深入,鋼渣處理廢水的范圍也將不斷擴(kuò)大。

　　2. 2 　污水處理藥劑合成

　　無(wú)機(jī)高分子絮凝劑( IPF) 作為一種新型水處理藥劑,近年已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。一些文獻(xiàn)報(bào)道:不僅可用純的化學(xué)試劑制備這些無(wú)機(jī)高分子絮凝劑,還可以從一些礦渣中提煉制得無(wú)機(jī)高分子絮凝劑,這不僅可以廢物再利用,降低絮凝劑的成本,還可以減少?gòu)U渣給環(huán)境帶來(lái)的污染。鋼渣因?yàn)楦缓F元素,所以成為絮凝劑研究的重要材料。徐美娟等[ 5 ] 采用鋼渣做原料來(lái)制備絮凝劑。在裝有錨式攪拌器的反應(yīng)器中加入計(jì)量的鋼渣和硫鐵礦渣和足夠量的稀鹽酸及少量催化劑,讓渣質(zhì)在一定溫度有攪拌作用下反應(yīng)聚合一定時(shí)間,反應(yīng)完后取出過(guò)濾,取濾液做絮凝劑備用。用這種自制絮凝劑處理厭氧好氧后棉漿黑液時(shí),出水均能達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。王獻(xiàn)科等[ 6 ] 研究了利用鋼渣生產(chǎn)聚合硫酸鐵。以煉鋼煙塵、氧化鋼渣(粒度為50～200 目) 、廢硫酸(含有H2 SO4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13 %～15 %的軋鋼車間酸洗溶液) 和工業(yè)硫酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96 %) 為原料,選擇了一種溶解酸度和氧化催化劑,經(jīng)過(guò)配料、溶解、過(guò)濾、氧化、中和、水解和聚合等步驟,生產(chǎn)出了優(yōu)質(zhì)聚合硫酸鐵(簡(jiǎn)稱聚鐵) 。生產(chǎn)原理為:

Fe (或Fe2 + ) + H2 SO4 + 7 H2 O →FeSO4 ·7 H2 O + H2進(jìn)一步反應(yīng)生成Fe2 (SO4 ) 3
Fe2O3 + 3 H2 SO4 →Fe2 (SO4 ) 3 + 3 H2O
Fe3 + 在水中水解為[ Fe ( H2O) 6 ]3 +
中和條件下:
[ Fe ( H2 O) 6 ]3 + + OH2 →[ Fe ( H2 O) 5 (OH) ]2 + + H2 O
[ Fe ( H2O) 5 (OH) ]2 + + OH2 →[ Fe ( H2O) 4 (OH) 2 ] + + H2O

　　聚合物反應(yīng)的結(jié)果,減少了水解產(chǎn)物的濃度,從而大大促進(jìn)水解反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行。水解、中和反應(yīng)的硫酸根,又促使氧化反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行,中和、氧化、水解、聚合相互促成,最后形成了聚合鐵: [ Fe (O H) 2 (SO4 ) 3 - 0. 5 n ] m , n 為堿化度,m 為聚合度。孫劍輝等[ 7 ] 對(duì)利用軋鋼廢渣制取凈水劑進(jìn)行了研究,并提出了2 種鋼渣處理工藝。一種是直接酸溶法溶解鋼渣,另一種是還原酸溶法溶解鋼渣。采用的酸都是工業(yè)廢硫酸,還原劑采用的是碳粉。結(jié)果表明: 廢渣在H2 SO4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16 % ,HCl 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11. 1 %混酸中加熱回流1h ,鐵的溶出率達(dá)92. 4 %; 廢渣與碳粉按5 : 1 混合,于1 000 ℃灼燒1 h ,而后在H2 SO4 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16 %中加熱回流1 h ,鐵的溶出率為73 . 6 %,鐵溶出液是2 價(jià)、3 價(jià)鐵的混合液,可直接作為凈水劑處理污水。此凈水劑凈化效果優(yōu)于硫酸亞鐵。除此之外,還利用H2 SO42HCl 混酸溶解鋼渣的溶出液做原料,選用氧氣做氧化劑、硝酸做催化劑,制成一種新型無(wú)機(jī)高分子絮凝劑聚合氯硫酸鐵(簡(jiǎn)稱PFCS) ,試驗(yàn)了它的絮凝性能,并與聚合硫酸鐵( PFS) 的效果進(jìn)行了比較,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: PFCS 在p H = 6～9 的范圍內(nèi)具有良好的絮凝去濁性能,絮凝條件相同,將濁度為425°的黃河水樣處理至5°以下, PFCS 的投加量?jī)H需10mg/ L ,而PFS 的投加量至少需要25 mg/ L 。PF2CS 的絮凝沉淀效果要好于PFS。