造孔劑改性增強鋼渣 CO₂ 捕集性能的研究

中圖分類號：TQ424.2 文獻標志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）07-01093-04

自18世紀以來，溫室效應逐漸加劇。目前我國已是 CO₂ 排放世界第一大國[1]。其中鋼鐵行業占比17% ，為我國碳排放最多的制造行業之一[2]。因此推動鋼鐵行業的綠色轉型，積極開展減排工作，是一項重大任務。鋼渣是鋼鐵行業的大宗固體廢棄物，主要應用于道路建設、生產水泥、改善土壤等領域[3]。鋼渣中的主要元素有 Ca 、Fe、 Mg 、Si、Al、Mn 等，其中Ca元素占比高達 40%～50%^[4] 。鋼渣中的大量堿性金屬主要以氧化物的形式存在，可以與CO₂ 發生碳酸化反應，具有一定的固碳能力[5]。但鋼渣本身具有結構緊密等局限性，直接用于碳捕集的效果不甚理想。針對這一問題，眾多學者也提出了對鋼渣固碳的研究，主要通過高溫、酸浸和添加劑改性等方式來改善鋼渣的固碳效果[]。彭犇等7]探究了不同條件對鋼渣碳酸化反應的影響，結果表明，單一 CO₂ 氣氛下，鋼渣碳酸化反應速率隨著溫度的升高而加快，在 600～700^°C 下達到最高； CO₂ 和水蒸氣同時通入時，鋼渣在 400^°C 已有明顯碳酸化反應，溫度升高至 600^°C 左右碳酸化率達到最大。趙樹海等[8]研究了以醋酸為提取劑從低鈣鋼渣原料中浸出鈣離子的方法。實驗結果表明，在鋼渣粒徑為58～74μm 、浸出時間為 、固液比為 1：10 、酸濃度為 2mol?L^-1 、浸出溫度為 40^°C 的條件下，鈣鐵分離的效果最佳。李志雄等[9考察了不同溫度下精煉渣對 CO₂ 的吸附能力。結果表明，溫度對精煉渣吸附 CO₂ 反應影響顯著，提高溫度可以提高精煉渣對CO₂ 的吸附能力。400 C 時，精煉渣吸附純 CO₂ 的量為 4.7mg?g^-1 ；溫度升至 550‰ 時，精煉渣吸附純CO2的量達到最高，為14.7mgg。

通過向鋼渣中加入造孔劑調控鋼渣的微觀形貌增加鋼渣的孔隙結構，提高其比表面積。通過一系列的表征手段探究材料的 CO₂ 捕集能力、元素組成、微觀結構和形貌，并進一步分析了造孔劑改性鋼渣的機理。

1 實驗部分

1.1 藥品與儀器

藥品：纖維素粉、石墨粉、葡萄糖粉、可溶性淀粉。鋼渣來自首鋼集團鋼鐵廠，鋼渣的組成成分如表1所示。

儀器：XGB04的行星式球磨機，南京博蘊通儀器科技有限公司；BFC-1200-1L的恒溫箱式馬弗爐合肥科冪儀器有限公司；KD2000熱重分析儀，北京恒久實驗設備有限公司；D8Advance型號的X射線衍射儀，德國布魯克公司；S-4800型場發射電子掃描顯微鏡、F-7000FL型號的分子熒光光譜儀，日本日立公司；TU-1901型號的紫外-可見漫反射光譜，北京普析通用儀器有限責任公司。

1.2 實驗過程

1.2.14種造孔劑改性樣品的制備

將鋼渣粉碎研磨后，用80目篩子篩分得到粒徑小于 0.18mm 的鋼渣粉末。取 2g 左右的鋼渣粉末，與造孔劑（纖維素粉、石墨粉、葡萄糖粉、可溶性淀粉）按照 100：2 的質量比混合，在球磨機中以400r?min^-1 的轉速充分研磨 1h 。然后將混合樣品送入馬弗爐中，在 850^°C 下煅燒 10min 得到改性樣品。其中，4種樣品分別命名為：鋼渣-纖維素、鋼渣-石墨、鋼渣-葡萄糖、鋼渣-淀粉。

1.2.2 添加不同質量葡萄糖的改性樣品的制備

將 2g 左右的鋼渣粉末與葡萄糖按照不同的質量比（ 100：5，100：10，100：15，100：20，100：30， 100：40，100：50，100：60 混合后送入球磨機中，后續操作與4種造孔劑改性樣品的制備相同。

1.3 吸附劑的評價

1.3.1 評價程序

采用KD2000熱重分析儀對鋼渣及其造孔劑改性樣品進行熱重分析。首先稱取 100mg 左右的樣品放入熱重分析儀增蝸中，在流量為 100mL?min^-1 的 N₂ 氣氛中，以 10^°C?min^-1 的升溫速率升溫到850^°C ，恒溫 10min 。隨后通入流量為 25mL?min^- 1的 CO₂ 氣體， N₂ 氣體的通入流量改為 75mL?min^- 1，并以 10^°C?min^-1 的降溫速率降溫至 650^°C ，恒溫120min 。實驗樣品熱重分析測試均按照上述測試程序進行，單次循環。

1.3.2 計算方法

通過對熱重分析數據進行處理得到樣品的 CO₂ 吸附容量，來表征樣品的 CO₂ 吸附能力。 CO₂ 吸附容量定義為：一定時間內所吸附的 CO₂ 質量與所用吸附劑質量之比，計算公式如下：

式中： c 一吸附劑對 CO₂ 的吸附容量， g?g^-1 m_CO2 一吸附 CO₂ 后吸附劑的質量， g m 一所使用的吸附劑質量， g^[10] 0

2 結果與討論

2.1 吸附性能分析

對比了鋼渣和改性鋼渣的 CO₂ 吸附容量數據，結果如圖1所示。由圖1（a）可以看出，鋼渣原始樣品的 CO₂ 吸附容量為 0.010 4g?g^-1 ，而葡萄糖改性鋼渣的 CO₂ 吸附容量為 0.017 1g?g^-1 ，在4種造孔劑改性鋼渣中改性效果最好。由圖1（b）可以看出，葡萄糖改性鋼渣的 CO₂ 吸附容量開始隨著葡萄糖添加量的增加而升高，當葡萄糖與鋼渣的質量比為 30：100 時，其 CO₂ 吸附容量最大，而后隨著葡萄糖添加量的繼續增加，改性鋼渣的 CO₂ 吸附容量呈現下降的趨勢。可見葡萄糖和鋼渣的最優質量比為 30：100 ，此時的 CO₂ 吸附容量達到未改性鋼渣的9.49倍。

2.2 XRD分析

選取鋼渣原樣、葡萄糖/鋼渣（ 2：100 、葡萄糖/鋼渣（ 30：100 ）、葡萄糖/鋼渣（ 60：100 ）4種樣品進行了XRD測試，結果如圖2所示。由圖2可以看出，對于鋼渣原樣，在 2θ=32.08^° 處出現了CaO的特征衍射峰，在 2θ=33.06^° 處出現了 Ca₂SiO₄ 的特征衍射峰，在 2θ=33.57^° 處出現了 Ca₂Fe₂O₅ 的特征衍射峰，在 2θ=35.43^° 處出現了 SiO₂ 的特征衍射峰，在 2θ=42.95^° 處出現了 Fe₂O₃ 的特征衍射峰，在2θ=62.36^° 處出現了 Al₂O₃ 的特征衍射峰，可知鋼渣中鈣元素為主要成分，且主要以氧化物的形式存在。

在加入葡萄糖后，可以看出 Ca₂Fe₂O₅ 和 Fe₂O₃ 的衍射峰值有明顯增加，說明其結晶度增大。 Ca₂Fe₂O₅ 對 CO₂ 有一定的還原作用[1]，因此 Ca₂Fe₂O₅ 對 CO₂ 濃度的降低有積極影響。此外， CaO 、 Ca₂SiO₄ 和Al₂O₃ 的衍射峰值也有所提升。研究發現 Ca₂SiO₄ 是鋼渣中主要的與 CO₂ 結合的低溶解度組分之一[12]。此外，與純 CaO 相比， CaO+Fe₂O₃ 和 CaO+Al₂O₃ 體系的碳礦化反應速率分別增加了 5.5% 和 8.5%^[13] 。葡萄糖的加入提升了鋼渣中堿性金屬氧化物的結晶度，且這些物質對鋼渣的碳酸化反應均有一定的積極作用，因而鋼渣的整體 CO₂ 吸附能力也隨之提升。

2.3 SEM分析

對鋼渣原樣、葡萄糖/鋼渣（ 2：100 ）、葡萄糖/鋼渣（ 30：100. 、葡萄糖/鋼渣（ 60：100 ）4種樣品進行SEM分析，結果如圖3所示。

由圖3（a）可以看出，鋼渣表現出較為緊密的塊狀形貌，表面有少量小顆粒固體附著，孔隙分布較少。而葡萄糖作為造孔劑，在高溫下可發生熱解反應，該過程會釋放出 CO₂ 和 H₂O 等一系列氣體，這些釋放出的氣體會從材料內部逸出而形成孔隙結構，孔隙的增加使材料具有較高的多孔性和吸附能力。對比圖3（a）圖3（b）圖3（c）圖3（d）可以看出，隨著葡萄糖含量的增加，鋼渣材料的孔隙結構逐漸增多，且鋼渣的表面粗糙程度也有了明顯的提高，因而鋼渣的吸附能力也得到了較好的改善。

2.4 UV-VisDRS和PL分析

對鋼渣原樣、葡萄糖/鋼渣（ 2：100? 、葡萄糖/鋼渣（ 30：100 ）、葡萄糖/鋼渣（ 60：100 ）4種樣品進行紫外（UV-visDRS）和光致熒光光譜（PL）分析，結果如圖4所示。

由圖4可以看出，鋼渣對可見光有較好的吸收效果，但光吸收帶邊發生了藍移現象。總體來說鋼渣具有一定的吸光性能。

3結論

采用纖維素粉、石墨粉、葡萄糖粉和可溶性淀粉4種造孔劑對固廢鋼渣進行改性，通過分析比較熱重數據發現，葡萄糖的改性效果最佳。在進一步的實驗探究中篩選出葡萄糖和鋼渣的最優質量比為100：30 。XRD測試結果表明，葡萄糖改性樣品的譜圖中， Ca₂Fe₂O₅ 和 Fe₂O₃ 的衍射峰值有明顯增加，且 CaO 、 Ca₂SiO₄ 和 Al₂O₃ 的衍射峰值也有所提升，這些物質對于碳酸化反應均有積極作用，因而使得鋼渣的 CO₂ 吸附能力增強。SEM圖像表明，葡萄糖的添加增加了鋼渣的孔隙結構，提高了鋼渣表面的粗糙程度。UV-VisDRS光譜和PL光譜分析表明，鋼渣具有一定的吸光性，其可為鈣基材料用于聚光太陽能（CSP）發電技術提供參考。

參考文獻：

[1]韓立群.碳中和的歷史源起、各方立場及發展前景[J].國際研究參考.2021（7）：29-36.

[2]馬秀琴，張長平，金鳳云，等.河北省鋼鐵行業 CO₂ 和非 CO₂ 溫室氣體排放路徑研究[J].中國科技信息，2022（20）：124-127.

[3] 田思聰.鋼渣制備高效鈣基 CO₂ 吸附材料用于鋼鐵行業碳捕集研究[D].北京：清華大學，2017.

[4]方冬東.改性鋼渣鈣基材料碳捕集特性實驗研究[D].馬鞍山：安徽工業大學，2021.

[5]張書繁，程星星，王魯元，等.碳中和背景下的鋼渣碳酸化固碳路徑研究[J].華電技術，2021，43（6）：86-91.

[6]張邦勝，王芳，劉昱辰，等.碳中和背景下鋼渣固碳工藝研究[J].中國資源綜合利用，2022，40（6）：112-115.

[7]彭犇，岳昌盛，李玉祥，等.不同條件對鋼渣碳酸化反應的影響及動力學分析[J].硅酸鹽通報，2020，39（11）：3562-3566.

[8]趙樹海，金永麗，郭嘉誠，等.低鈣鋼渣中鈣、鐵分離及回收利用[J]中國冶金，2023，33（10）：125-132.

[9] 李志雄，李玲玲，陳韌，等.煉鋼精煉渣氣固碳酸化反應吸附 CO₂[J] 化工環保，2020，40（4）：376-381.

[10]王久衡，榮鼐，劉開偉，等.水蒸氣強化纖維素模板改性鈣基吸附劑固碳性能及強度[J].化工進展，2023，42（6）：3217-3225

[11]孫朝.鐵酸鈣載氧體化學鏈制氫及 CO₂ 還原基礎研究[D].南京：東南大學，2020.

[12] MAIU，REINK，LALE A， et al. The CO₂ -bindingbyCa-Mg-silicatesin direct aqueous carbonation of oil shale ash and steel slag[J].EnergyProcedia，2011，4（2011）： 925-932.

[13]馬卓慧.鋼渣/電石渣礦化固定 CO₂ 及鋼渣脫除 SO₂ 協同提硅研究[D].太原：山西大學，2022.

Study on Enhancement of CO₂ Capture Performance by Modifying Steel Slag with Pore-Forming Agent

CHENG Jin， WEN Jialiang， GUO Hongxia

（CollgeofChemicalEnginering，NorthhinaUniversityofienceandTechnology，TangshanHebeiO631，Cina）

Abstract： Steellag，asabulksolidwaste intheironandsteel industrynotonlyoccupiesalotoflandresourcs，butalsocausesa certaindegreeofenvironmentalpolltin.Terefore，explogpotentialaplicatisofstlslagndeancigitsutilzatioateis crucial forsustainableresoue development.Inthispaper，stelslag was modifiedusing fourpore-forming agents，namelyglucose， cellulose， gaphite，andstarch.Te preparedcalcium-basedadsorbents werecharacterzedusingTGA，XRD，SEM，UV-Vis，nd PL techniques to evaluate their CO₂ adsorption capacity， elemental composition and morphology performance. The results revealed that， among the four pore-forming agents， glucose exhibited the most effective modification in improving the CO₂ capture capacity of steel slag. The optimal mass ratio of glucose to steel slag was found to be 30：100 ， indicating superior CO₂ capture ability. Key words： Calcium-based absorbent; CO₂ capture; Pore-forming agent; Steel slag