电弧炉粉尘的减少及生物质衍生多孔活性炭的制备：生物质活化与废物回收之间的协同效应

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Reduction of electric arc furnace dust and preparation of biomass-derived porous activated carbon: Synergy between biomass activation and waste recycling

生物质热解与气化协同电弧炉尘还原制备多孔活性炭，形成内部碳氢循环与外部碳循环体系，实现低排放高值化利用。

　　在当前的工业实践中，废弃物的处理和资源的再利用已成为一个重要的研究方向。特别是对于高碳排放行业而言，寻找能够有效降低碳排放的替代方案显得尤为迫切。本研究提出了一种创新的工艺，旨在同时实现生物质衍生多孔活性炭的生产以及电弧炉粉尘（EAFD）的减量化处理。这一过程不仅能够高效、低成本地利用废弃生物质，还能在减少碳排放的同时回收EAFD，展现出良好的环境效益和经济价值。

生物质是一种重要的可再生资源，尤其在碳排放控制方面具有独特优势。随着全球对清洁能源和可持续发展的重视，生物质的利用正在不断拓展。预计到2050年，全球生物质的总能量产出将达到1×10^17 kJ，这表明生物质在未来能源结构中的重要地位。生物质主要由纤维素、木质素和半纤维素等生物聚合物组成，这些成分可以通过热解和气化等过程转化为合成气（主要由CO和H?组成）。与传统的化石燃料相比，生物质具有可再生性、成本低廉、硫含量低以及碳中性等特性，使其成为减少全球碳排放的重要手段。

然而，现有的热解和气化工艺通常需要高温条件，超过900℃的反应温度不仅增加了能源消耗，还带来了技术上的挑战，例如气体产物的分离与纯化，以及气体的运输和储存问题。此外，热解和气化过程中产生的生物炭通常具有较低的孔隙率，这限制了其在实际应用中的价值。生物炭的低表面功能性和小比表面积使其难以直接用于高附加值产品，因此，为了获得具有优良孔结构的生物质衍生多孔活性炭（BPAC），通常需要引入活化剂对生物炭进行活化处理。

活化方法主要分为化学活化和物理活化。化学活化能够实现较低的活化温度，并有助于形成更多的孔隙，这在提高活性炭性能方面具有优势。然而，化学活化在大规模生产中的应用受到高设备成本、低原料利用率、环境污染以及活化剂回收困难等因素的限制。相比之下，物理活化则更为经济且环保，常用的活化气体包括蒸汽和CO?。物理活化过程通过蒸汽或CO?的气体冲刷，可以有效提高生物炭的比表面积和孔隙体积。特别是CO?活化，更倾向于促进微孔的形成和发展；而蒸汽活化则有助于形成微孔和介孔。这种物理活化方式不仅简化了工艺流程，还减少了对化学试剂的依赖，从而降低了环境影响。

在实际应用中，物理活化能够避免对液体废弃物进行后续处理，这对于提高生产效率和降低运营成本具有重要意义。然而，传统两步法生产多孔碳通常需要长时间的高温处理，导致较大的能源消耗。因此，开发一种能够减少能源消耗、提高生产效率的工艺显得尤为关键。例如，Chen等人通过微波辅助加热，在湿氮气氛下研究了利用木质素酶解产物制备分级多孔碳的模板自由、快速、一步法。他们发现，所制备的碳材料的孔隙率、非晶结构以及表面化学性质均受到微波辐射时间的影响。尽管这种方法在提高生产效率方面具有潜力，但如何将热解和气化过程与蒸汽或CO?冲刷活化技术有效结合，仍然是一个需要优化的问题。

电弧炉粉尘（EAFD）是一种在钢铁冶炼过程中产生的有害固体废弃物，其中含有大量的锌和铁，以及微量的重金属。EAFD的直接填埋不仅浪费了土地资源，还降低了铁的利用效率，对生态环境构成威胁。传统的EAFD回收主要依赖于火法冶金工艺，这些工艺通常需要高温下的碳热还原反应，使用的还原剂多为不可再生的碳源，如煤炭。然而，这些传统方法存在诸多问题，包括高能耗、高碳排放以及有害气体排放，因此，开发一种清洁、高效的EAFD利用工艺对于推动冶金行业的绿色发展至关重要。

本研究引入了EAFD作为活化剂，用于生物质衍生多孔活性炭的生产。通过将生物质的热解和气化过程与EAFD的减量化处理相结合，我们采用了一种技术策略，实现BPAC的生产与EAFD的同步减量化。此外，我们还研究了生物炭活化和含锌粉尘球团（ZBDP）减量化处理的机制，并建立了双重气体循环模型：内部碳-氢循环和外部碳循环。研究结果表明，从生物质热解和气化过程中产生的还原气体（CO和H?）能够有效促进ZBDP的还原反应，并生成蒸汽和CO?。这些气体产物随后作为活化剂，增强BPAC的微孔形成，并在反应过程中再次生成还原气体，从而形成内部碳-氢循环。外部碳循环则主要依赖于生物质的碳中性特性，通过生物固碳作用捕获大气中的CO?，从而有效降低碳排放。

在本研究中，我们选择了两种常见的生物质材料——稻草和竹子。通过对这两种生物质的近似分析，我们发现它们的灰分含量较低，这有助于提高BPAC的比表面积和孔隙率。此外，它们的挥发性物质含量较高，这也对热解和气化过程中的气体产物形成具有积极影响。通过将EAFD引入BPAC的生产过程中，我们不仅能够实现生物质的高效利用，还能有效回收EAFD，减少其对环境的影响。

我们还研究了反应温度对减量化球团和BPAC性能的影响。在固定条件下（反应时间为90分钟，EAFD与生物质粉末的质量比为4:1，ZBDP与生物质颗粒的质量比为1:1），随着反应温度的升高，ZBDP的脱锌率显著增加，达到99.59%时的反应温度为1150℃。然而，当反应温度进一步升高至1200℃时，脱锌率的提升变得有限。这表明，在一定的温度范围内，反应条件的优化对于提高脱锌率和铁的冶金化率具有重要意义。同时，反应温度的变化也对BPAC的孔隙结构和比表面积产生影响，因此，确定最佳的反应温度对于实现高效的BPAC生产至关重要。

本研究的结果表明，通过引入EAFD作为活化剂，可以实现生物质的高效利用和EAFD的同步减量化处理。这一过程不仅能够提高资源的利用率，还能有效降低碳排放，从而推动冶金行业的绿色发展。通过建立双重气体循环模型，我们实现了碳和氢的高效利用，同时利用生物质的碳中性特性，捕获大气中的CO?，进一步增强了环境效益。

在实际应用中，这一工艺的实施不仅有助于提高资源的利用率，还能减少对环境的影响。通过将EAFD引入BPAC的生产过程，我们能够实现废弃物的循环利用，同时减少对不可再生资源的依赖。这种循环利用方式对于实现绿色、可持续的生产模式具有重要意义。此外，通过优化反应参数，我们能够实现更高的脱锌率和铁的冶金化率，同时确保BPAC的优良孔结构，使其在吸附、催化等领域具有更广泛的应用前景。

综上所述，本研究提出了一种创新的工艺，实现了生物质衍生多孔活性炭的生产与电弧炉粉尘的同步减量化处理。通过优化反应条件和建立双重气体循环模型，我们不仅提高了资源的利用率，还降低了碳排放，为冶金行业的绿色发展提供了新的思路和方法。这一工艺的实施对于推动可持续发展和环境保护具有重要的现实意义。