冶金固废材料化利用的研究进展

朱晓东，吴照金

（安徽工业大学冶金减排与资源综合利用教育部重点实验室，安徽马鞍山243000）

随着国家经济的迅速发展，我国工业所占比重日益增加，其中冶金行业作为国家基础性产业，带来巨大经济利益的同时，也产生了大量的固体废弃物。有数据表明，冶金行业每年所产生的固体废弃物约为6 亿吨，但其综合利用率仅为30%左右。这些固体废弃物数量巨大，如果不能有效地回收利用，不仅严重污染环境，而且造成资源浪费。目前，冶金固废循环利用主要着眼于大宗量利用，但存在低附加值的问题，无法充分利用其资源价值，由此，冶金固废的材料化高附加值利用是其大宗量利用的有效补充，也是今后的发展方向。

1 冶金固废的研究现状

冶金固体废弃物污染是一个很严重的环境和资源浪费问题，由于人类频繁的冶金工业活动，产生了大量的固体废弃物。冶金固体废弃物主要包括冶金渣、冶金尘泥等，对于这些废弃物，国内外众多研究者在传统处理工艺上进行了深入的探索，从简单地填埋，做铺路材料、水泥原料等，到高性能玻璃、陶瓷、混凝土制品等，再到多种材料添加剂、吸附剂、催化剂等。研究者们由简入深，一步步细化冶金固废的利用，提高了冶金固废的附加值。

自二十世纪50 年代，我国对于冶金固废的处理尚处于起始阶段，除了填埋等基础措施，也已经将冶金渣投入水泥等建筑铺路材料的生产中。到二十世纪90年代，我国已大量使用冶金固废作为多种工业生产的原料，对于废渣中金属元素的提取、混凝土等材料的制造也更加广泛。在国家对冶金行业的大力支持下，我国处理冶金固废的方式渐渐由粗放型向精细型转变。从二十一世纪向后，固废综合利用技术提高，处理方式更加高效、环保，有利于资源的材料化利用。

2 冶金固废材料化利用的研究现状

2.1 钢渣的材料化利用

钢渣是钢铁生产过程中的固体废弃物，每年的产生量超过4亿吨。在当前工业环境下，钢渣大多被用作建筑材料、筑路材料、废水处理添加剂等，处理方式单一且利用率较低。因此，将钢渣进行高附加值材料化，将带来巨大的经济效益和环境效益。

Tang 等以砂页岩和钢渣为原料，以SiC 为原料发泡剂，成功制备了高强度泡沫陶瓷，研究发现，重量占比为94%砂页岩、6%钢渣的泡沫陶瓷的综合性能较高。Zhang 等以钢渣为主要原料，以石英粉、NaO、金刚砂粉、CaO、MgO、TiO等为混合添加剂，成功制备了综合性能优异的玻璃陶瓷。Jiao等将钢渣作为热骨料添加到沥青混合料中制成新型钢渣沥青混凝土，此种材料具有高热导率，在电热路面积雪消融技术上发挥了重要的作用。

Kang等以钢渣、NaOH、硅粉和丙烯酸树脂乳液等为原料，通过浸渍法合成了一种新型的负载CeO的多孔碱活化钢渣基光催化剂，然后用于光催化水分解制氢，实现了钢渣的高附加值利用。Tang等采用钢渣粉与三聚氰胺焦磷酸盐组合的方法，制备硬质聚氨酯泡沫的阻燃添加剂，显著提高了该材料的阻燃性和耐热性。Kuwahara等通过酸处理去除钢渣中的CaO并进行水热处理，成功制备了Na型FAU沸石，并发现此种材料光催化性能优异，有望用作TiO光催化剂的载体。

2.2 高炉渣的材料化利用

高炉渣是冶金行业生产过程中的副产物，通过淬火离开高炉的熔融炉渣获得。高炉渣通常被用作铺路材料、水泥原料等。现今，国内外很多学者对高炉渣进行了更深入地研究，开创了高炉渣材料化利用的新局面。

Kuwahara等通过分别使用HCl和NaOH的两步简便的溶解-共沉淀方法，成功制备了渣制硅酸钙水合物，此种材料有很好的吸附特性，可以被用来处理大量废水。Zhang等利用改性后具有多孔结构的高炉渣和石蜡为原料，成功研究出了具有优异热性能的复合相变材料，提高了高炉渣的附加值。褚亮等采用均匀沉淀的方法，以高炉渣酸解提硅的废液为原料，尿素为沉淀剂，成功合成了镁铝尖晶石粉体。

Zhang 等采用聚合、离子、交换三步反应法，合成了碱活化的粒状高炉矿渣基胶凝材料与FeO偶联的新型催化剂，实现了高炉渣的高附加值材料化利用。Zhang 等研究了一种CaWO/碱活化的高炉渣基胶凝复合材料，并证明此材料催化活性较强，成功将其应用于催化水分解制氢工艺。

2.3 高炉尘的材料化利用

高炉尘是炼铁过程中产生的固体废弃物，含有大量的铁和有色金属，具有很高的废物利用价值。高炉尘通常被直接烧结、矿物加工来回收铁和碳，或被用作水泥原料等。由此，研究者们对高炉尘进行了大量的高附加值材料化研究。

杨浩以高炉含锌除尘灰和轧钢污泥为原料混配得到复配含锌尘泥，而后用稀硫酸酸解，取酸解液，再采用恒温回流均相沉淀法制备α-FeO/ZnFeO复合材料，并发现了其优良的催化性能。Zhang等以高炉粉尘和铝渣为原料，盐酸为稀释剂，采用共聚反应合成了聚合氯化铝铁混凝剂，此混凝剂是一种优异的无机高分子混凝剂，提高了高炉尘的资源综合利用率。

Wu等以硫酸酸解高炉炉灰，制备出金属（铝、锌、钛）掺杂赤铁矿，并研究发现其可作为一种处理水污染的高效光催化材料。Shen 等以硫酸酸解高炉烟尘得到的溶液为原料，成功研究了一种纳米级氧化铁黑颜料，实现了高炉尘的高附加值材料化利用。

2.4 电炉尘的材料化利用

电弧炉粉尘是炼钢时在熔炉中熔化废料的过程中产生的废物，含有大量的有毒元素，严重威胁环境和人类的健康。现今，研究者多用电炉尘来提取重金属，以制备各种高附加值材料。

Wang 等通过水热反应，从含锌电弧炉粉尘中提取了多种有价元素，成功合成了纯金属掺杂尖晶石铁氧体MFeO；同时，Wang等还采用固相反应法直接合成了掺金属镍铁锌氧体，为电炉尘的高附加值材料化利用做出了贡献。

Nazari 等将电弧炉粉尘、SiO、NaCO和CaO 按一定比例混合，制备了一种耐腐蚀、高稳定性的微晶玻璃。Fares 等研究了使用电弧炉粉尘生产含有粉煤灰和硅灰的绿色混凝土。Su等以电弧炉粉尘和AlO为原料，合成了一种吸附硫化氢的可再生吸附剂。Massarweh 等利用电弧炉粉尘制成了水泥水化缓凝剂。这些研究者们成功地将固体废弃物转化成了高附加值材料。

3 现状与展望

作为对冶金固废大宗量利用的有效补充，其材料化利用近年来受到广泛的关注和研究，为冶金固废的高附加值精细化利用积累了初步的理论和实验基础，但距产业化尚有一定的距离，某些关键问题仍需进一步深入研究。

（1）钢渣的处理问题一直受人们的关注，经过众多研究者的不懈努力，其资源化利用的技术渐渐成熟，被大量应用于建筑、工业等行业。钢渣的高附加值材料的研究也有了很大的成果，如多种添加剂、催化剂的研制，高性能陶瓷、混凝土的合成。但由于每年所产的钢渣数量极为巨大，钢渣的综合利用率还比较低，因此，在继续研究钢渣高附加值材料化的基础上，如何将已有的及新开发的各种处理方式联合高效地应用于实际，是未来需要考虑的一大问题。

（2）高炉渣每年的产生量较大，会有一大部分被用作铺路、水泥等基础材料来使用，也有很多国内外研究者以高炉渣为原料制备了综合性能优异的复合材料，以及高效的催化剂等高附加值材料，为资源化利用做出了贡献。综合近年来高炉渣的研究情况，可以很明显地看出高炉渣还处于低附加值材料化状态，虽然不断有高附加值材料的研制成功，但真正投入到大宗量生产当中，还不切实际。因此，还需要继续深化高炉渣的材料化研究。

（3）高炉尘是一种非常宝贵的二次资源，其主要组分是碳，并且含有大量的有色金属元素，如锌、铅、碱金属等。同时，由于多种重金属的存在，其粉尘有很大的毒性，增加了回收再利用的难度。研究者们对于高炉尘的研究多为提取其中的有价元素，再合成高性能的多元复合材料、催化剂等高附加值材料。但是，这些研究多缺乏对高炉尘全组分的无害化探索，并且提取有价金属的过程也未考虑到经济性和广泛性，限制了成果的产业化发展。

（4）电炉尘含有锌、铅等多种重金属和危险金属，于1991 年被美国环境保护署列为危险废品。目前，有许多学者研究了电炉尘的化学成分和矿物学相，并依此发表了众多研究成果，也得到了很多高附加值材料。但是他们忽略了电炉尘中的少量有毒元素，如铅、铬等，造成了资源的二次浪费和环境污染。因此，对电炉尘的研究不能局限于锌、铁等金属的提取，未来也需要着重处理含量较少的有毒元素，以达到电炉尘的全面高附加值的材料化利用。