《Chem Circularity》：Safe and circular valorization of steel slag across materials chemistry, environmental risk, and upcycling design
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钢铁生产每年产生数百万吨钢铁渣（steel slag），其由金属氧化物和硅酸盐组成，并含痕量重金属（类金属）[heavy metal(loid)s]。越来越多的努力致力于将钢铁渣增值利用（valorization）于胶凝材料（cementitious bind
钢铁生产每年产生数百万吨钢铁渣（steel slag），其由金属氧化物和硅酸盐组成，并含痕量重金属（类金属）[heavy metal(loid)s]。越来越多的努力致力于将钢铁渣增值利用（valorization）于胶凝材料（cementitious binders）、沥青骨料（asphalt aggregates）、土壤改良剂（soil amendments）及其他应用。本综述总结主要钢铁渣类型的形成、组成和物理化学性质，并评价其用于当前和新兴用途的适用性。研究人员严格评估与钢铁渣浸出液（leachate）相关的环境和人体健康风险，尤其是重金属释放和许多钢铁渣特有的高碱性（pH >10.5）。一个关键知识空白涉及实际条件下钢铁渣利用和储存的中长期环境影响。研究人员进一步综述用于降低浸出液pH以及去除或固定重金属的物理和化学处理。最后，研究人员识别开发钢铁渣安全且循环再利用路径的关键技术、监管和金融障碍。
钢铁生产在2024年达到1,839 Mt，其中超过一半在中国；钢铁工业贡献约7%全球CO
2排放并产生大量钢铁渣（steel slag，炼钢副产矿物材料）。钢铁渣主要由金属氧化物和硅酸盐组成，含游离石灰（CaO）、氧化镁（MgO）、氧化铁和残余金属，按工序分为高炉（blast-furnace, BF）、碱性氧气转炉（basic-oxygen-furnace, BOF）、电弧炉（electric-arc-furnace, EAF）和钢包渣（ladle slag）。2024年全球铁渣产量约330–390 Mt，钢渣约190–290 Mt。亚洲尤其中国、印度、日本、韩国占重要地位。循环经济（circular economy, CE）和绿色化学（green chemistry）要求物质循环安全，而非仅经济增值。现有综述多聚焦单一渣型、应用或风险，本研究整合材料化学、环境风险、处理技术与循环设计，评估钢铁渣能否安全循环。关键问题是实验室短期评估与真实条件下体积、风化、水文、暴露途径和时间尺度之间的差异。
该综述整合多来源文献与案例。关键技术方法包括汇总四类钢铁渣形成、化学/矿物组成与产量数据；比较标准化浸出试验（TCLP、SPLP、DIN 38414-S4、EN 12457-2、pH-stat、柱浸出）与监管阈值；采用长期现场案例（荷兰ILT调查23个地点中19个出现环境问题，Basque Country 19和35年填渣，Getafe >40年渣沉积，Pennsylvania 95公顷渣堆1920s–1972及36年水质记录）和Proctor et al. 58家北美钢厂渣样数据集；综述物理/化学处理（碳化、酸洗/浸出、高温改性、热玻璃化、螯合）及绿色钢铁DRI-EAF变化。
Steel slag: Formation and composition。形成与分类：BF-BOF占全球钢产量约70%，EAF约25%。BF中焦炭还原铁矿，助熔剂形成渣；BOF吹氧，生成BOF渣（又称BOS、ASS、LD）；EAF用DRI/废钢，钢包炉二次精炼产生ladle slag。BF渣250–300 kg/t铁，BOF/EAF 120–180 kg/t钢，ladle 30–80 kg/t钢。化学与矿物组成：CaO、SiO
2、Al
2O
3、MgO、FeO
x合计>90 wt%。BOF/EAF更碱性富铁，BOF游离CaO可达约12 wt%；EAF因废钢含Cr、Ni等。矿物有belite（Ca
2SiO
4）、alite（Ca
3SiO
5）、merwinite（Ca
3Mg(SiO
4)
2）、橄榄石、尖晶石；玻璃相受冷却速率影响。游离CaO/MgO水化膨胀。痕量元素与重金属：Proctor et al. 58家北美钢厂数据显示Cr约10
2–3×10
3 mg kg
?1，V约50–10
3 mg kg
?1，Zn数十至数百 mg kg
?1，EAF最高。多数固定于硅酸盐、尖晶石或玻璃相，但碱性氧化条件可释放Cr(VI)、V(V)。碱度与水硬活性：碱性指数R=CaO/SiO
2，BF R≈1.0–1.2，BOF 3.0–4.0，EAF 1.5–2.0，ladle 2.5–3.5；BOF和ladle可产生pH>11浸出液。GBFS具潜在水硬性，BOF较低，EAF低至中，ladle需活化。
Current applications of steel slag。水泥与混凝土：BF渣作补充胶凝材料（supplementary cementitious material, SCM）和GGBFS，水化生成C-S-H；EN 197-1中CEM III/A、B、C含GBFS约36–65、66–80、81–95 wt%。BOF渣低替代（1.8–5.4%）可改善强度，高替代降低强度；EAF低游离石灰可15%替代；ladle变异性大，适合非高强度。道路与沥青：约43–70%渣用于道路。BF适合细骨料；BOF高强但游离石灰膨胀，需预处理，15%未处理BOF粗骨料1.5年表现好并减碳14%；EAF游离CaO降至约<3 wt%，抗抛光，最佳约4.4 wt%，但51 wt%研究有差异；ladle限低交通/填料。肥料与土壤改良：欧洲约3%铁渣农用。BOF/LD最常用，约2 Mg ha
?1提高产量并固定As，但Cr、V风险限制应用。钢渣+生物炭在水稻土中增碳并减少温室气体，归因于Fe(III)抑制产甲烷。冶金回用：约11%铁渣回冶金，BOF渣替代烧结/高炉石灰石、白云石，但降低铁含量并增磷，回用BOF最高25%；EAF替代石灰可行；可回收余热。聚合物复合材料：EAF渣填充聚丙烯、环氧、NBR、再生轮胎橡胶，增硬度/模量，降低延展性；聚合物封装降低浸出但非永久固定。其他应用：大量渣仍填埋/干存；海洋珊瑚礁、海藻、污染沉积物覆盖、浮游植物；酸性废水处理可将pH<2调至约9±2；EAF渣吸附磷10.97 mg P g
?1并形成羟基磷灰石，富磷渣可作肥料。
Potential environmental and health risks。重金属（类金属）浸出：总浓度不足，需看形态、矿物结合、浸出性、生物可利用性、暴露途径。监管基准包括MCL、action levels、EU GWD、EQSs、土壤质量标准。浸出试验包括TCLP、SPLP、DIN 38414-S4、EN 12457-2、pH-stat、柱浸出。Proctor et al.未超US EPA危险废物阈值，Kd高，但Cr(VI)、Se随pH升高Kd降低。长期现场：Gómez-Nubla et al.在Basque Country 19和35年填渣发现Cr、Mo、Se、Cu、Ni升高，Cr超阈值；García-Guinea et al.在Getafe >40年沉积发现Cu、Co、Zn、Pb、Cr、V污染，Cr超任何土地利用，Pb/V超农用。pH依赖：阳离子金属高pH低迁移，Cr(VI)形成CrO
42?，V(V)为钒酸盐，在高pH氧化迁移；ikaite（CaCO
3·6H
2O）在?4至8°C含Cd/Pb，升温可释放。pH变化与高碱：钢渣可18个月内提高土壤pH至0.60 m深。NH
3/NH
4+平衡向NH
3移动，NH
3毒性更强。Hull et al.发现pH>10.5损害淡水无脊椎动物，Sr、Li、V升高和CaCO
3沉淀。Koryak et al. Pennsylvania 95-ha渣堆1920s–1972产生高碱浸出液，100%测试生物死亡。Riley and Mayes 36年记录显示高pH和碳酸盐沉淀持续数十年。空气粉尘与PM：松散未封装渣在未铺路、车道、景观、渣堆中产生PM。Kacer et al. EAF渣道路PM
10/PM
2.5无显著差异，Mn比例约1.3倍但不显著；Jayashree et al. BF渣摩擦材料形成二次接触平台，但碎成细颗粒。欧洲约35%、中国高达70%填埋/暂存，PM研究少。人体暴露与毒理：US EPA专家委员会对未封装EAF渣仅定性，关注Cr和Mn。BOF/EAF优先Cr、Mn、V、Zn；Cr(VI)致癌，Mn神经毒性，V呼吸/神经，Zn酸条件移动。
The Dutch case study。荷兰围绕Tata Steel IJmuiden的LD钢渣应用和储存发生政策辩论。RIVM报告称现有法律框架不足；ILT调查23个地点中19个出现环境问题，地下水/地表水pH持续升高多年。RIVM称金属浸出和碱性排放可持久50–80年，实验室与现场差异，实验室假设薄层小量。荷兰砂土低缓冲酸性尤其脆弱。工业方强调批次控制、合规测试、可追溯、老化、应用限制。作者认为该案例非孤立异常。
Upcycling of steel slag。物理处理：磨碎、筛分、磁选和冷却制度。慢冷促进PTEs浸出，快冷增玻璃相可能限制Cr(VI)但证据有限。筛分去细粒金属富集，磁选回收铁约42%。磨碎增反应性但可能增浸出。物理方法有限/争议。加速碳化：CO
2与Ca/Mg相生成CaCO
3，稳定游离石灰并固碳。Huijgen and Comans显示降低多数碱土金属浸出但V增加；van Zomeren et al.发现pH降低与V释放权衡；Su et al. 48–96 h降低V，Cr约24 h后释放；Chen et al.预湿+大气CO
2降低pH。碳化有内在权衡。洗涤与浸出回收金属：酸洗、碱浸、氨基甲酸酯、氯化物、生物浸出。Aarabi-Karasgani et al. V回收约95%；Wen et al. CaO优先与V形成钒酸钙，Cr留在尖晶石；Kim et al.碱焙烧+碱浸高Cr回收；Yang et al.醋酸回收76% Ca、67% Mg、55% Al、29% Fe；Wang et al. Ti 86%、Al 81%、Mg 94%，Si溶解3%；Mn氨基甲酸酯回收约80%，氟硅酸>90%。后处理沉淀，CaCl
2引入Ca
2+但LCA差，NaHCO
3效果低。高温改性与熟料样渣：熔融/再热调整组成，加Ca/Si/Al/Fe形成C
2S、C
3S、铝酸钙、铁酸钙，减少游离CaO/MgO。Cambridge Electric Cement用回收水泥浆替代EAF石灰-白云石熔剂，再熟化，渣可达Portland熟料规范。热玻璃化：高温烧结/熔融/玻璃化，重金属固定于玻璃/陶瓷，浸出低于阈值；可共烧结赤泥、飞灰、钢渣，产品墙地砖，但高能耗。螯合/络合：螯合剂可移动或固定金属。Velayudhan et al. EDTA、EDDS、DTPA、CA中EDDS提取Cd 77.3%、Pb 85.7%，降低菠菜组织；Repo et al.壳聚糖涂层降低吸附金属浸出；EDTA持久环境风险。Seo et al. CA增强BF渣浸出液间接碳化，但未评估残余毒性。
Main challenges。技术障碍：重金属浸出、PM、高碱，游离CaO/MgO膨胀，异质性大，需逐厂逐应用测试。监管与监测：荷兰案例显示EU和国家法规差异，Basayau and Handley呼吁协调市场，作者强调协调应加强环保，三机会：审查测试程序、重视长期效应、知识整合。监测执法关键，Beverwijk娱乐区抬高土壤不允许但实施。金融障碍：未处理渣几美分/t，GGBFS �40–50/t，高质量�120/t；额外处理增成本。建议EPR、填埋税、公共采购、产业集群、R&D认证。绿色钢铁相关挑战：转向DRI-EAF和H
2-DRI-EAF，DRI固相还原无BF渣，EAF渣增加。德国FEhS称BOF约126 kg/t粗钢，EAF >170 kg/t。EAF重金属更高，取决于DRI/废钢比：DRI多渣量增金属浓度降，废钢多渣量减金属浓度增。设计阶段整合安全循环。
结论与展望翻译：钢铁是坚固、通用且易回收材料，全球钢铁生产预计仍是经济基石。气候变化、环境退化和公共健康影响要求钢铁部门向气候中性、循环和本质安全生产模式转型。本综述考察钢铁渣管理和增值利用能否及在何条件下贡献这一转型。铁渣和钢渣化学组成、矿物学和反应性差异大，可作为补充胶凝材料、沥青和混凝土骨料、土壤改良剂和冶金原料；适当管理可减少原生资源需求、降低能耗和温室气体排放并创造价值。同时，钢铁渣再利用并非天生良性。渣含痕量PTEs，可通过浸出或空气PM迁移；游离石灰水化产生高碱浸出液，对水生和土壤生态系统有持久影响。长期现场研究稀缺，但证据表明环境影响可持续数十年。实验室评估与真实应用存在脱节，需转向基于现场的长期研究。多种物理化学处理可降低风险，但无单一通用方案，需集成或顺序策略平衡材料性能、环境安全和经济可行性；处理增加成本。政策框架应内部化环境健康外部性，奖励CO
2减排和资源效率，创造认证二次材料需求。未来低碳/绿色炼钢增加复杂性，BF-BOF向DRI-EAF转变改变渣量和组成，EAF渣相对增加且富含合金来源金属；这提供在工艺和工厂设计早期整合安全设计与循环原则的机会。总之，钢铁渣只能在化学洞见、长期环境证据和稳健治理指导下，在循环钢铁经济中发挥有意义作用；使其增值利用与循环化学原则一致，即设计可再生、安全和情境特定的物质循环，对确保循环性带来经济、环境和社会效益至关重要。
