作者單位：中南大學(xué)礦物加工與生物工程學(xué)院

摘要：鋼渣的豐富資源使其成為通過礦物碳化進行長期 COstore 的有趣前景。本文研究了鋼渣在乙酸 （HAc） 溶液中的溶解以及 COin 在鋼渣滲濾液中的固定以合成高價值的 CaCO。結(jié)果表明，微波水浴條件有利于提高鋼渣中 Ca 和 Mg 元素的浸出速率，而低濃度 HAc 溶液對 Ca + Mg 表現(xiàn)出高選擇性。在微波增強的水浴反應(yīng)中，可以通過提高反應(yīng)溫度、延長浸出時間、降低 HAc 溶液濃度和增加攪拌速率來提高 Ca + Mg 的浸出速率和選擇性。鈣元素的動力學(xué)參數(shù)（包括表觀活化能）為 14.51 kJ⋅mol，表明通過表面化學(xué)反應(yīng)進行控制。最后，通過在滲濾液中引入 20% 的 CO，可以在 400 W 超聲條件下合成高純度 CaCO晶須，反應(yīng)溫度為 70 °C，反應(yīng)時間為 15 分鐘，溶液 pH 值為 9.1。該策略促進了稀煙氣和大量固體鋼渣廢料的并行利用，從而提高了鋼鐵行業(yè)的經(jīng)濟和環(huán)境績效。

關(guān)鍵詞：鋼渣 微波增強 浸出動力學(xué) 固定晶須CaCO

簡介：由于CO排放在推動氣候變化方面發(fā)揮著重要作用，因此CO排放量的增加，加上自前工業(yè)化時代以來氣溫上升了約1.0°C至1.5 °C，已成為一個緊迫的全球性問題[1–2]。然而，用于能源生產(chǎn)、運輸和工業(yè)活動而燃燒煤、石油和天然氣等化石燃料仍然是 CO排放的主要來源 [3,4]。令人不安的是，大氣中二氧化碳的持續(xù)釋放導(dǎo)致了溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球變暖，從而對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康產(chǎn)生負面影響[5–6]。因此，當務(wù)之急是探索和推進減少二氧化碳排放的高效技術(shù)。

CCUS（碳捕獲、利用和儲存）技術(shù)是一種關(guān)鍵的碳減排技術(shù)，旨在捕獲和利用 CO，同時對其進行長期安全儲存，從而有效減少排放到大氣層。盡管如此，傳統(tǒng)的CCUS技術(shù)面臨著高成本、地質(zhì)儲存限制和運輸過程中的安全問題等挑戰(zhàn)[7–11]。為了克服這些障礙，已經(jīng)提出了新興的方法，例如鈣鎂礦物和廢渣的碳化。鈣鎂礦物的碳化涉及富含鎂和鈣的礦物與 CO 的自然反應(yīng)，從而形成穩(wěn)定的碳酸鹽化合物。該技術(shù)不僅可以長期儲存 CO，還可以促進轉(zhuǎn)化為高價值的礦物產(chǎn)品，例如具有不同粒徑和形態(tài)的 CaCO[12]。另一方面，含有鈣和鎂成分的工業(yè)固體廢物可以通過礦化永久封存工業(yè)過程中產(chǎn)生的二氧化碳排放。這種方法不僅可以減少廢物排放和對自然資源的依賴，還可以將廢渣轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)品，從而減少二氧化碳排放。例如，鋼鐵廠排放的 CO 可以發(fā)生化學(xué)與鋼渣廢料中發(fā)現(xiàn)的鈣鎂礦物反應(yīng)。這種反應(yīng)最終產(chǎn)生了耐用的碳酸鹽產(chǎn)品，同時解決了與鋼渣的不穩(wěn)定和資源利用受限相關(guān)的問題。

鋼渣的碳化方法主要包括直接法和間接法。直接方法涉及 CO與鋼渣的直接反應(yīng)，形成碳酸鹽化合物。然而，這種方法需要高溫和高壓，導(dǎo)致大量能源消耗、復(fù)雜操作和緩慢的反應(yīng)速率。相比之下，間接方法包括在溶液環(huán)境中引入浸出劑，如強酸[13–16]、弱酸[17–20]或銨鹽[21,22]，以從鋼渣中提取鈣和鎂元素。然后利用富含鈣鎂的溶液來封存 CO 并生產(chǎn)碳酸鹽產(chǎn)品。間接方法提供更溫和的反應(yīng)條件、更簡單的操作、更容易控制碳酸化產(chǎn)物和更高的碳酸化效率。理論上，每噸鋼渣可以潛在地固定 240-580 公斤的 CO[23-25]。然而，浸出過程中目前存在挑戰(zhàn)，包括浸出劑成本高、對鋼渣中各種元素的浸出選擇性差，以及使用與銨鹽浸出劑相關(guān)的弱酸難以實現(xiàn)完全浸出。

Hong等[26]利用生物質(zhì)廢棄物中提取的有機酸作為增強劑（如HAc、丙酸、丁酸和戊酸）來提高鋼渣中金屬提取的效率。他們探索了兩種廢物流的整合，以實現(xiàn)碳酸化技術(shù)的整體可持續(xù)性。研究表明，與強酸相比，有機酸對鋼渣中元素的提取效率更高，有機酸混合物的提取效率最高，表明具有不同尺寸和穩(wěn)定性常數(shù)的配體具有協(xié)同作用。然而，增加有機酸的濃度會導(dǎo)致對鈣和鎂元素的選擇性降低，而降低濃度會導(dǎo)致更高的選擇性但較低的提取效率[27,28]。因此，探索在低濃度有機酸下提高鈣離子和鎂離子浸出效率的方法，同時保持其選擇性是有價值的。

近年來，微波技術(shù)作為一種綠色環(huán)保的特殊加熱方法，在礦物浸出領(lǐng)域取得了重大進展。Olubambi等[29]在微波輔助下研究了復(fù)雜硫化物礦石的浸出行為。他們發(fā)現(xiàn)，微波場的存在會增加表面裂紋并降低礦石強度，從而提高浸出率。Krishnan等[30]研究了微波輔助浸出對尾礦鋅提取的影響，觀察到在微波條件下，鋅的浸出速率在6 min內(nèi)超過90%，明顯高于傳統(tǒng)水浴條件下的浸出速率。與傳統(tǒng)的水浴加熱相比，微波輔助加熱具有無與倫比的優(yōu)勢，例如滲透到礦物的熱傳遞和選擇性元素浸出[31]。微波加熱可快速加熱極性溶劑，促進浸出反應(yīng)，提高貴重金屬元素的浸出速率，減少反應(yīng)時間和能耗。

在這篇手稿中，我們介紹了一種使用乙酸 （HAc） 作為浸出溶劑的鋼渣碳化技術(shù)。此外，我們深入研究了不同實驗參數(shù)對微波環(huán)境下鋼渣浸出過程的影響。它揭示了鋼渣中的鈣浸出動力學(xué)機制，并通過吸附滲濾液中的低濃度 CO 合成高價值的 CaCO產(chǎn)物。該工藝將 HAc 的選擇性浸出能力與微波增強加熱提供的均勻性和效率相結(jié)合。因此，鈣和鎂元素被選擇性地分離并從鋼渣中浸出。它解決了鋼渣性質(zhì)不穩(wěn)定和資源利用受限等挑戰(zhàn)，展示了廣闊的發(fā)展前景。此外提取的溶液可用于 COsequestation 和高純度、高價值碳酸鹽材料的合成。這極大地促進了鋼鐵行業(yè) CCUS 技術(shù)的進步，同時產(chǎn)生了巨大的社會和經(jīng)濟優(yōu)勢。

祥鵠儀器在本文中的使用：

結(jié)論：

在微波水浴反應(yīng)場中，以綠色溶劑作為 HAc，研究了煉鋼渣中 Ca 的浸出動力學(xué)。初步的XRD、SEM-EDS和粒度分析儀對原始樣品的檢測確保了煉鋼渣中存在Ca、Fe、Mg和Al的主相、微觀外觀和粒度分布。然后，深入研究了鋼渣浸出過程中各種元素的浸出行為、鈣的浸出動力學(xué)機制以及浸出液中晶須型 CaCOin 的合成，得出以下發(fā)現(xiàn)。

（1）. 與傳統(tǒng)加熱相反，微波加熱會導(dǎo)致鋼渣中礦物之間的熱應(yīng)力斷裂，增加顆粒破碎以及鈣和鎂的浸出速度。

（2）.在條件為 0.5 M HAc，反應(yīng)溫度為 60 °C，反應(yīng)時間為 30 min，攪拌速率為 300 r/min，料液比為 25 g/L，微波功率為 600 W。

（3）.鋁鈣礦物保留在浸出資源中Idue 的，而鐵成分則以氧化鈣、磁鐵礦或少量鎂鐵礦礦物的形式保留，從而提高資源利用率。

（4）.鈣活化能的浸出動力學(xué)為 14.51

kJ⋅mol 的原理強烈支持表面化學(xué)控制機制。

（5）.當煙氣中 CO濃度為 20% 時，固化溫度70 °C，反應(yīng)時間為 15 min，超聲反應(yīng)場為 400 W，鋼渣浸出液可吸附 CO合成晶須狀 CaCO。該工藝有效地實現(xiàn)了 276 kg 的 CO永久固定，每噸鋼渣產(chǎn)生 607 kg 高價值的 CaCO產(chǎn)品。