杂质相转移控制钢渣浸出液纯化过程中用于CO2矿化的钙回收

《Process Safety and Environmental Protection》：Impurity phase transfer controls calcium recovery during purification of steel slag leachate for CO 2 mineralization

　　

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  通过物料平衡将杂质再分配与钢渣中钙回收联系起来
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  水解在保留钙的同时生成了可过滤的富杂质颗粒
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  在pH 8.5下进行纯化保留了97.17%的提取钙
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  产品回收的钙从65.05%提高到82.69%
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  更高的纯化pH值降低了钙回收率，尽管纯度更高

引言

从工业残渣中回收资源取决于在提取、纯化和产品回收过程中保留目标元素。钢渣含有大量的钙资源，可作为生产CaCO₃和CO₂矿化的矿物原料。目前其利用主要集中在道路建设、骨料生产、水泥制造和回填等大宗应用领域，而游离CaO、游离MgO、碱性渗滤液、潜在可浸出元素以及低反应性的含铁和含镁相限制了其更广泛的利用（DiGiovanni等人，2024年，Li等人，2022年，Zhang等人，2024年）。选择性提取可从这种非均质残渣中回收活性钙，并创造钙富集物流以供后续矿化。间接碳酸化将钙提取与碳酸盐沉淀分离开来，使碳酸化进料组成和沉淀条件能够独立控制（DiGiovanni等人，2024年，Zhang等人，2024年）。

这种分离也在资源提取和产品形成之间引入了纯化步骤。醋酸可在相对温和的条件下溶解活性钙相，并已在CaCO₃沉淀前应用于钢渣（Liu等人，2024a，Liu等人，2024b，Song等人，2024年，Yang等人，2024年）。所得浸出液中含有从非均质渣相中释放的Mg、Al、Fe、Si和微量元素。在浓缩的醋酸盐介质中，这些元素在络合、水解、聚合和颗粒形成方面存在差异。Ca和Mg可主要以溶解态或与醋酸盐相关的形态存在，而Fe和Al随pH升高逐渐水解。Si可以以溶解的硅酸、聚合物种或胶体物质形式存在，并可与水合铁和铝相结合（Chernyaev等人，2023年，Tokoro等人，2014年，Zhao等人，2023年）。Mg在更宽的pH范围内保持可溶状态，并可能影响后续碳酸化过程中的CaCO₃成核、多晶型转变和晶体生长（Machado Neubauer等人，2022年）。

这些物理化学形态的差异为选择性杂质分离提供了基础。膜过滤可去除浸出液中已有的胶体物质，而溶解络合物和低于膜截留阈值的物种则保留在透过液中。控制性的pH调节可将额外的Fe和Al物种转化为水合颗粒，并促进Si与新形成的固体结合。提高pH值也会改变目标元素的分配。Ca和Mg可通过碳酸盐沉淀、氢氧化物形成、吸附或水合沉淀物中的物理截留从液相转移。因此，降低残留杂质浓度的纯化条件可能减少可用于下游回收的钙资源。

此前关于钢渣间接碳酸化的研究主要评估了钙提取、杂质去除、碳酸化效率、CaCO₃纯度和产品特性（Liu等人，2024a，Liu等人，2024b，Song等人，2024年，Yang等人，2024年，Zheng等人，2025年）。中间纯化步骤在液相和固相物流之间的元素转移方面仍未得到充分阐明。这一区别很重要，因为去除Fe、Al和Si也可能将部分提取的钙从可用于后续碳酸化的液相中转移走。当试剂添加改变了液体体积时，基于浓度的去除效率所提供的信息有限。碳酸化过程中水相钙的消耗引入了第二个核算边界，因为钙从溶液中消失并不能量化经固液分离和洗涤后在分离碳酸盐中回收的比例。因此，对纯化步骤的定量评估需要分别核算杂质转移、碳酸化进料中的钙保留和最终产品中的钙回收。

本研究通过关联杂质相转移与钙保留和下游碳酸盐回收，研究了碱性氧气转炉钢渣醋酸浸出液的纯化。顺序膜分级用于区分Ca、Mg、Al、Fe和Si的膜可渗透级和操作胶体级。随后将pH控制处理与颗粒表征、固相分析和热力学计算相结合，以确定Fe、Al和Si在纯化pH范围内如何转移到可分离的水合固体中。体积校正的元素平衡独立于NaOH添加引起的稀释，定量了钙保留和杂质去除。下游碳酸化实验分别定量了水相钙消耗、回收产品钙转化率、总产品产率、CaCO₃纯度、多晶型组成和杂质纳入。进一步评估了实验室物料流，以量化试剂需求并识别与醋酸盐管理和碱需求相关的约束。

各节摘要

钢渣表征与醋酸浸出

使用来自中国河南一家冶炼厂收集的自然冷却转炉（BOF）钢渣作为原料。渣料经破碎、研磨，并在105℃下干燥12 h后进行表征和浸出。粒径分布、BET比表面积、游离CaO/游离MgO含量和灼烧损失汇总于表1和表S1中。

钢渣和回收CaCO₃产品的化学成分通过波长色散X射线荧光光谱法测定

钢渣组成与浸出行为

原钢渣含有35.53 wt.% CaO，同时含有大量的Fe₂O₃、SiO₂、MgO和Al₂O₃（表1和图1a–c）。XRD和SEM–EDS显示Ca存在于熟石灰、硅酸钙、含钙铝相和含铁矿物中。非均质的相组成也为酸浸出过程中Mg、Al、Fe和Si的释放提供了来源。

Ca的溶解在前60 min内迅速进行。Ca浓度从5 min时的4235.90 ± 95.28 mg L^–1增加到30 min时的8755.32 ± 107.97 mg L^–1

结论

本研究量化了中间纯化过程中杂质相转移如何影响钢渣醋酸浸出液中钙的保留和下游回收。醋酸浸出提取了渣中89.42%的钙。顺序膜分级显示Ca和Mg主要以膜可渗透态存在，而Al、Fe和Si含有大量的操作胶体级。直接膜分离去除了部分已存在的含杂质胶体，而pH

补充信息

更多实验细节见补充信息。

CRediT作者贡献声明

Quan Hong（全宏）：概念化、方法学、初稿撰写、审阅与编辑。Xia Xue（夏雪）：形式分析、调查研究。Ji Puhui（季普辉）：经费获取、监督、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

资助：本工作得到陕西省重点研发项目（项目编号2023-YBNY-238）的支持。

全宏|夏雪|季普辉