1 　鋼渣的物理、化學特性

　　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,中國鋼渣去年的產(chǎn)出量至少為3 200 萬t 。鋼渣的體積密度一般為3. 1～3. 6 g/ cm3 ,通過0. 175 mm 標準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)爐渣的主要化學成分見表1 。
?表1 　轉(zhuǎn)爐鋼渣的化學成分(質(zhì)量分數(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。

　　國內(nèi)鋼鐵企業(yè)以前對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處理和利用。鋼鐵企業(yè)和科研工作者通過研究發(fā)現(xiàn)鋼渣中不僅含有一定量的金屬鐵(見表1) ,還含有CaO , SiO2 和FeO 等有價資源,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,基于對鋼渣吸附沉淀性能及有價成分的發(fā)掘,鋼渣用于污水處理及生態(tài)研究方面的報道也日漸增多。

　　2 　鋼渣在污水處理上的應用

　　2. 1 　重金屬離子廢水處理

　　重金屬離子廢水是對環(huán)境及人類危害最為嚴重的廢水,若處理不當重金屬會在環(huán)境中發(fā)生富集作用,然后通過食物鏈對人體健康造成傷害。到目前為止,重金屬廢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?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,對廢水中重金屬離子既具有化學沉淀作用,又具有吸附作用,因此近年來將鋼渣應用于重金屬離子廢水處理的研究也越來越多。研究證明,這種方法具有一定的實用性,而且為重金屬離子廢水的治理開辟了一個“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 投加鋼渣進行處理,接觸時間為40 min 時,鎳去除率大于99 % ,廢水經(jīng)處理后可達排放標準。從鋼渣對含鉻廢水處理的研究獲知 2 ,3 ] :鋼渣對Cr3 + 有較強的去除作用,對質(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 投加鋼渣進行處理,鉻去除率達99 %以上,處理后的廢水達到排放標準。對于Cr3 + 、Cr6 + 共存含鉻廢水,需首先用硫酸亞鐵進行還原,而后的處理方法與處理效果Cr3 + 廢水的處理完全相同。該方法對酸度適應范圍寬,可直接處理p H 值在2. 5～12 范圍內(nèi)的含鉻廢水。鋼渣對重金屬離子的去除是2 個過程綜合作用的結(jié)果,一是鋼渣溶液呈強堿性,金屬離子可部分形成氫氧化物沉淀?；瘜W反應方式如下:鋼渣除鎳的化學反應式:Ni2 + + 2OH- = Ni (OH) 2 ↓鋼渣除鉻的化學反應式:

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。這個過程通過吸附實驗研究得到證實。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)近年也有報道[ 4 ] 。砷雖然不是金屬,但其化學性質(zhì)與金屬十分接近,因此鋼渣對含砷廢水的治理效果也十分明顯。當廢水含砷量為10～200 mg/ L時,按砷/ 鋼渣1/ 2 000 (質(zhì)量分數(shù)比) 投加鋼渣,砷去除率可達98 %以上。且在p H 1. 5～9. 0時均可進行,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大。

　　2. 2 　污水處理藥劑合成

　　無機高分子絮凝劑( IPF) 作為一種新型水處理藥劑,近年已經(jīng)成為研究熱點。一些文獻報道:不僅可用純的化學試劑制備這些無機高分子絮凝劑,還可以從一些礦渣中提煉制得無機高分子絮凝劑,這不僅可以廢物再利用,降低絮凝劑的成本,還可以減少廢渣給環(huán)境帶來的污染。鋼渣因為富含鐵元素,所以成為絮凝劑研究的重要材料。徐美娟等[ 5 ] 采用鋼渣做原料來制備絮凝劑。在裝有錨式攪拌器的反應器中加入計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聚合一定時間,反應完后取出過濾,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,出水均能達到國家排放標準。王獻科等[ 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)量分數(shù)為13 %～15 %的軋鋼車間酸洗溶液) 和工業(yè)硫酸(質(zhì)量分數(shù)為96 %) 為原料,選擇了一種溶解酸度和氧化催化劑,經(jīng)過配料、溶解、過濾、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(簡稱聚鐵) 。生產(chǎn)原理為:

Fe (或Fe2 + ) + H2 SO4 + 7 H2 O →FeSO4 ·7 H2 O + H2進一步反應生成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

　　聚合物反應的結(jié)果,減少了水解產(chǎn)物的濃度,從而大大促進水解反應的繼續(xù)進行。水解、中和反應的硫酸根,又促使氧化反應的進一步進行,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 ] 對利用軋鋼廢渣制取凈水劑進行了研究,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)量分數(shù)為16 % ,HCl 質(zhì)量分數(shù)為11. 1 %混酸中加熱回流1h ,鐵的溶出率達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)量分數(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、3 價鐵的混合液,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,制成一種新型無機高分子絮凝劑聚合氯硫酸鐵(簡稱PFCS) ,試驗了它的絮凝性能,并與聚合硫酸鐵( PFS) 的效果進行了比較,實驗結(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 的投加量僅需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。