钢渣衍生TiO?多功能复合涂层的协同增值：正交优化的光催化性能与阻燃性

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Synergistic Valorization of Steel Slag-Derived TiO 2 Multifunctional Composite Coatings: Orthogonally Optimized Photocatalysis and Flame Retardancy

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摘要

将冶金固体废物回收成多功能材料既有助于解决环境污染问题，也提升了消防安全。本文采用溶胶-凝胶法制备了基于钢渣支撑的TiO₂（SS@TiO₂）的新型阻燃光催化剂涂层，并通过正交实验、回归分析和响应面方法优化了合成参数。研究结果表明，煅烧温度是影响光催化效率的主要因素，其次是钢渣的用量和颗粒大小。最优的SS@TiO₂复合材料的煅烧温度为513°C，钢渣的用量为0.51%（1000目），其降解甲基蓝的速率达到了50.3%。通过PL、EIS、光电流、XPS和BET等手段对SS@TiO₂进行了表征。此外，将三聚氰胺改性的SS@TiO₂（含有1.2%的SS@TiO₂）掺入硅丙烯酸乳液涂层中，显著提高了其阻燃性和热稳定性。通过锥形量热仪和热重分析评估了其阻燃和热性能。结果显示，该阻燃剂使峰值热释放速率降低了21.2%，总烟雾产生量减少了6.51%，并且使热重残余重量从0.21%增加到了5.22%。这种优异的性能归因于SS@TiO₂的双重作用：（i）金属氧化物（CaO、Fe_xO、Al₂O₃、SiO₂）通过形成交联网络强化炭化残留物并促进炭化过程；（ii）无机骨架为残留物提供了结构韧性。这为钢渣的协同增值利用提供了可行途径，使其能够在建筑材料中同时实现光催化空气净化和防火功能。

引言

在建筑装饰和入住过程中，通常会产生挥发性有机化合物（VOCs），如甲醛和苯[1]、[2]。这些污染物具有显著的毒性，在室内环境中因长期释放而持续存在，对健康构成严重威胁[3]、[4]、[5]。为了降低室内VOC浓度，已经开发了多种控制策略，包括物理吸附[6]、[7]、[8]、化学降解[7]和机械空气净化[9]、[10]。光催化技术因其高效性、安全性和兼容性而成为环境修复的有前景的方法[11]、[12]，可将有机污染物分解为CO₂和H₂O[9]。TiO₂是最受研究的半导体光催化剂之一，因其具有高化学稳定性、无毒性和低成本[10]。然而，其实际应用受到可见光吸收能力差和光生载流子快速复合等限制，导致量子效率较低[11]。传统的改性方法（如掺杂贵金属或稀土元素）往往成本高昂且合成过程复杂[12]、[13]。最近，从冶金固体废物中提取的金属氧化物改性TiO₂作为经济可行的可持续策略，受到了广泛关注，有助于提升光催化性能[14]。

同时，火灾造成了巨大的人员伤亡和财产损失[15]。木材制品、泡沫和环氧树脂等有机材料在装饰中的使用是火灾的常见原因之一[16]、[17]、[18]。对建筑材料进行阻燃改性是降低其易燃性的有效方法。传统的阻燃剂主要包括哌嗪焦磷酸盐、三聚氰胺多磷酸盐、三聚氰胺氰urate、氢氧化钠、二氧化硅和膨胀石墨等[19]。然而，这些传统阻燃剂通常需要较高的添加量，并且通常通过耗能密集的工业合成工艺生产[20]。这些因素可能对其他材料性能产生不利影响，同时还引发了关于环境影响和成本效益的担忧。因此，人们越来越倾向于探索从天然副产品或其他工业过程的废弃物中提取的可持续替代品[21]。

目前，钢渣是钢铁冶炼的主要副产品，占年粗钢产量的8-15%。以2024年中国约10.5亿吨的粗钢产量计算，年钢渣产量约为1.6亿吨。钢渣的主要化学成分包括SiO₂、Fe₂O₃、Al₂O₃、CaO和MgO[22]。钢渣的化学组成使其具有负载TiO₂以增强TiO₂光催化性能的潜力[23]。研究发现，硅酸盐表面的羟基有助于将TiO₂的电荷转移到界面外部，从而提高光电子-空穴分离的效率[24]。此外，Fe₂O₃和Al₂O₃中的金属离子可以掺入TiO₂晶格中，导致其带隙红移[25]、[26]。CaO和MgO可以与CO₂反应，提供更多的反应位点并提升涂层的耐磨性[27]、[28]。因此，利用钢渣作为TiO₂的载体在理论上是一种可行的方法，可以增强光催化活性。由于这些成分在常规燃烧条件下具有较高的热稳定性和抗分解性，它们也有望作为阻燃材料开发。

尽管已有研究单独探讨了钢渣作为TiO₂催化剂载体[29]、[30]或阻燃填充剂[31]、[32]的应用，但很少有研究系统地研究单一涂层系统中钢渣衍生TiO₂复合材料的双重功能。在建筑材料中同时实现光催化空气净化和防火功能的协同作用仍有很大的探索空间。本研究使用四丁基钛酸盐和钢渣合成了具有光催化和阻燃性能的功能性材料，并研究了钢渣成分（类型）、颗粒大小、含量和煅烧温度对填充剂光催化性能的影响。随后，使用SS@TiO₂和三聚氰胺氰urate改进了硅丙烯酸乳液涂层，以研究其阻燃效果。通过锥形量热仪、扫描电子显微镜、热重分析和接触角测试了涂层的阻燃性、热稳定性和耐水性。根据实验结果，提出了SS@TiO₂的光催化和阻燃机制。本研究通过正交实验设计、回归分析和响应面方法系统优化了SS@TiO₂的合成参数，这在钢渣-TiO₂复合材料研究中较为少见。此外，还建立了钢渣成分（过渡金属含量）、合成条件与光催化性能之间的定量关系。研究表明，同一种SS@TiO₂复合材料可以通过不同的但互补的机制同时增强光催化降解和阻燃性能。本研究为钢渣提供了高价值的利用途径，即将冶金废弃物转化为在高建筑应用中具有附加价值的多功能材料，同时解决了室内空气质量和消防安全问题。

章节摘录

材料

本研究中使用的钢渣来自四家公司，分别是Z、TL、A和C。Z型钢渣来自宝钢湛江钢铁有限公司，TL型钢渣为热金属脱硫渣，A型钢渣来自江苏永钢集团有限公司，C型钢渣来自常州中天钢铁集团有限公司。四种钢渣的主要成分见表1。四丁基钛酸盐（C₁₆H₃₆O₄Ti）购自...

图5显示了相同量不同SS@TiO₂对甲基蓝降解浓度百分比的变化。经过暗吸附后，甲基蓝溶液的浓度降低了约3%。经过2小时的催化降解后，TL、Z、A和C型钢渣处理的甲基蓝残留百分比分别为65.5%、75.6%、55.7%和61.5%。观察发现，A型钢渣的降解效果最为显著...

结论

本研究通过使用钢渣负载TiO_{2（此处原文部分缺失，无法完整翻译）}

[66]

卢东照：撰写——原始草案、软件开发、实验研究。张豪：撰写——原始草案、方法论设计、实验研究、数据管理。王志毅：撰写——原始草案、实验研究、数据管理。王亚超：撰写——审稿与编辑、项目监督、实验研究。

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

本研究得到了安徽低碳冶金与固体废物资源化重点实验室（安徽理工大学）开放基金（编号SKF25-01）的支持。

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<中国科学技术大学消防科学国家重点实验室，安徽合肥，230026，中国>

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