崔 鵬

(通遼市交通工程局,通遼 028000)

武鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣酸中和能力試驗(yàn)研究

崔 鵬

(通遼市交通工程局,通遼 028000)

利用批量p H滴定試驗(yàn)來(lái)確定武鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣的長(zhǎng)期酸中和能力。試驗(yàn)結(jié)果表明,武鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣的酸中和能力主要取決于反應(yīng)時(shí)間。滴定500 h后,在所有反應(yīng)p H值條件下,鋼渣的酸中和能力反應(yīng)率可以達(dá)到95%。在相同的p H值條件下,反應(yīng)時(shí)間決定著酸中和能力。高p H值條件對(duì)鋼渣的酸中和能力影響較大,p H值的降低可導(dǎo)致酸中和反應(yīng)率的增大。鋼渣中的礦物組成、主要化學(xué)成分的含量和水化反應(yīng)速率以及反應(yīng)是否受到二氧化碳干擾將極大的影響鋼渣的酸中和能力。

酸中和; 長(zhǎng)期; 轉(zhuǎn)爐鋼渣; 滴定

鋼渣是一種重要的并且是可再次利用的工業(yè)固體廢物。近20年來(lái),我國(guó)對(duì)鋼渣的處理利用進(jìn)行了大量研究與開(kāi)發(fā)并取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益[1]。但是,在各種利用途徑中,對(duì)于鋼渣是否能夠在滿足應(yīng)用要求的同時(shí)而不對(duì)環(huán)境造成危害,特別是對(duì)在長(zhǎng)期淋濾過(guò)程中鋼渣在酸性溶液介質(zhì)中的中和酸能力研究尚不多見(jiàn)。Yan[2]等人認(rèn)為,固體廢物的酸中和能力與其所能產(chǎn)生的酸性排水和重金屬濾出能力有直接關(guān)系。不同的礦物以不同的速率、在不同的p H值范圍內(nèi)可以中和酸性排水,同時(shí)又改變環(huán)境的p H值[3]。Johnson[4]和Stegemann[5]的研究表明,固體廢棄物的酸堿特性能夠直接影響其浸出特性,假設(shè)給定反應(yīng)的水環(huán)境系統(tǒng)已知,則其p H變化情況可被固廢中可溶解的酸性或者堿性物質(zhì)的量、酸性和堿性中和能力所決定。國(guó)內(nèi)研究人員也對(duì)鋼渣中和酸液以及重金屬浸出開(kāi)展了研究工作[6]。然而報(bào)導(dǎo)的文獻(xiàn)研究的僅僅是礦物與酸的作用過(guò)程中那些速度較快的反應(yīng),而未對(duì)礦物與酸的長(zhǎng)期化學(xué)反應(yīng)作出研究。因此該文以中和反應(yīng)的時(shí)間與環(huán)境的p H值作為影響因素,通過(guò)連續(xù)滴定試驗(yàn)對(duì)武鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣的長(zhǎng)期酸中和能力進(jìn)行研究。試驗(yàn)的結(jié)果有助于了解轉(zhuǎn)爐鋼渣的材料性能以及為其在酸性水溶液環(huán)境中應(yīng)用提供建議。

1 試驗(yàn)方案

1)原材料 試驗(yàn)選用的轉(zhuǎn)爐鋼渣取自武鋼三煉鋼渣場(chǎng),陳化期為二年,其主要化學(xué)成分列于表1。

表1 武鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣的主要化學(xué)成分 /%

2)試樣與儀器 將鋼渣破碎烘干,用0.15 mm方孔篩篩分后取篩下樣品做試驗(yàn)原材料。按照固液質(zhì)量比1∶5將鋼渣與蒸餾水混合(40 g鋼渣混合200 g蒸餾水)置于塑料燒杯中備用。試驗(yàn)中選用1 mmol/L的HNO3作為滴定酸性溶劑。利用自動(dòng)滴定儀對(duì)鋼渣進(jìn)行連續(xù)滴定試驗(yàn)。為保證溶液的p H值恒定,滴定過(guò)程中需要使用密封燒杯,以免空氣中的CO2進(jìn)入到燒杯中影響溶液的p H值。滴定過(guò)程中利用磁力攪拌器進(jìn)行混合,并記錄不同滴定時(shí)間(0～1 000 h)不同p H值水平下(p H=7～10),鋼渣樣品耗用的酸性滴定溶劑的量,計(jì)算出一定量的鋼渣樣品耗用的H+物質(zhì)的量用來(lái)描述鋼渣的酸中和能力。

2 結(jié)果與討論

2.1 酸中和能力

圖1給出的是鋼渣的酸中和能力的滴定試驗(yàn)結(jié)果。圖中曲線的走勢(shì)反映出兩個(gè)明顯的特征。第一個(gè)特征是鋼渣的酸中和能力在反應(yīng)開(kāi)始的100 h內(nèi)變化明顯,這主要是因?yàn)榉磻?yīng)初期,參加反應(yīng)的物質(zhì)的濃度高,反應(yīng)常數(shù)大,反應(yīng)速度快,反應(yīng)耗去了溶液中的大部分H+。而反應(yīng)發(fā)生100 h時(shí)后趨于平緩。第二個(gè)特征就是,在p H值為7～9的溶液中,鋼渣表現(xiàn)出較強(qiáng)的酸中和能力。這是因?yàn)殇撛泻卸喾N礦物,不同的礦物以不同的速率、在不同的p H值范圍內(nèi)中和酸的能力并不相同。圖1也表明了在不同的p H值的溶液中,鋼渣的酸中和能力在反應(yīng)進(jìn)行到1 000 h后幾乎不再發(fā)生改變。可以將此時(shí)的鋼渣與酸反應(yīng)的能力作為鋼渣的長(zhǎng)期酸中和能力。

圖2～圖4給出的是反應(yīng)時(shí)間、p H值以及酸中和能力的相互關(guān)系曲線。圖2定量的說(shuō)明了滴定時(shí)間是鋼渣的酸中和能力的重要影響因素。試驗(yàn)在進(jìn)行24 h時(shí),各個(gè)p H值條件下的鋼渣的酸中和能力反應(yīng)率均小于60%;如果要保證鋼渣的長(zhǎng)期酸中和反應(yīng)率達(dá)到95%,那反應(yīng)時(shí)間至少要達(dá)到500 h,同時(shí)要保證p H值小于9。圖3表明,在相同的p H值條件下,反應(yīng)時(shí)間決定著酸中和能力;或者說(shuō)是在相同的酸中和能力要求下,p H值越大則反應(yīng)需要的時(shí)間就越長(zhǎng)。圖4給出的是在不同的p H條件下,保證75%和95%的酸中和反應(yīng)率所需要的時(shí)間,可以看出,當(dāng)p H值大于8.5后,要保證相同的酸中和反應(yīng)率則需要延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,這說(shuō)明高p H值條件對(duì)鋼渣的酸中和能力影響較大,此時(shí),p H值的降低可導(dǎo)致酸中和反應(yīng)率的增大。

2.2 酸中和過(guò)程

鋼渣長(zhǎng)期(接近500 h)和短期(24 h內(nèi))酸中和能力最主要的差異體現(xiàn)在參加反應(yīng)的化學(xué)成分以及反應(yīng)速率。而轉(zhuǎn)爐鋼渣主要的礦物組成成分包括硅酸二鈣、硅酸三鈣和鐵酸二鈣、鐵鋁酸四鈣、以方鐵石為主的RO相、氫氧化鈣、方鎂石等。其中部分化學(xué)成分的水化過(guò)程及產(chǎn)物是影響鋼渣酸中和能力的重要因素。其主要的水化過(guò)程和水化產(chǎn)物有許多文獻(xiàn)已經(jīng)系統(tǒng)的研究過(guò)。影響鋼渣酸中和能力另一個(gè)重要的因素是鋼渣的堿性化學(xué)活性成分的水化程度,例如游離氧化鈣、游離氧化鎂的水化使得溶液p H值迅速提升,且水化反應(yīng)速率較快使得反應(yīng)很容易就達(dá)到了平衡。然而酸中和反應(yīng)主要依賴反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù),在相對(duì)較高的p H值條件下,酸中和反應(yīng)隨著p H值的上升和反應(yīng)速率的減緩而減弱,但鋼渣中游離氧化鈣、游離氧化鎂成分的增多,雖然降低了酸中和反應(yīng)速率,但是因?yàn)樘岣吡虽撛膲A度而使鋼渣的酸中和能力得到提高。此外,酸中和試驗(yàn)條件的改變也將影響鋼渣的酸中和能力,例如,在酸性流動(dòng)廢水中利用鋼渣進(jìn)行酸中和處理,鋼渣的酸中和能力將表現(xiàn)得與靜態(tài)時(shí)不一樣的結(jié)果。這表明,除溶液p H值、鋼渣礦物組成外,為了更好地理解鋼渣的酸中和能力,發(fā)生反應(yīng)的系統(tǒng)和條件也是一個(gè)重要的考慮因素。需要說(shuō)明的是,本試驗(yàn)在密閉空間完成,排除了二氧化碳溶解形成碳酸鹽而對(duì)鋼渣酸中和能力的影響,實(shí)際反應(yīng)時(shí),形成的碳酸鹽是一種重要的弱堿性緩沖礦物并對(duì)被考察的物質(zhì)的酸中和能力有較大影響。

3 結(jié) 論

武鋼轉(zhuǎn)爐鋼渣的酸中和能力主要取決于反應(yīng)時(shí)間。在較低的p H值條件下,短期滴定試驗(yàn)將會(huì)低估鋼渣的酸中和能力;而滴定500 h后,在所有反應(yīng)p H值條件下,鋼渣的酸中和能力反應(yīng)率可以達(dá)到95%。在相同的p H值條件下,反應(yīng)時(shí)間決定著酸中和能力,相同的酸中和能力要求下,p H值越大則反應(yīng)需要的時(shí)間就越長(zhǎng)。高p H值條件對(duì)鋼渣的酸中和能力影響較大,p H值的降低可導(dǎo)致酸中和反應(yīng)率的增大。而轉(zhuǎn)爐鋼渣的化學(xué)成分與礦物組成、主要化學(xué)成分的含量和水化進(jìn)程以及反應(yīng)是否受到二氧化碳溶解并形成碳酸鹽的干擾將極大的影響鋼渣的酸中和能力。

[1] 沈建中.鋼渣綜合利用和處理方法的述評(píng)與探索[J].中國(guó)冶金,2008,18(5):12-15.

[2] Jinying Yan,Luis Moreno,Ivars Neretnieks.The Long-term Acid Neutralizing Capacity of Steel Slag[J].Waste Management,2000,20:217-223.

[3] Belevi H,Baccini P.Chemical Behaviors of Municipal Solid Waste Incinerator Bottom Ash in Monofills[J].Waste Management Research,1992,10:153-160.

[4] Johnson C A,Brandenberger S,Baccini P.Acid Neutralizing Capacity of Municipal Waste Incinerator Bottom Ash[J].Environmental Science Technology,1995,29:142-147.

[5] Stegemann J A,Schneider J,Baetz B W,et al.Lysimeter Washing of MSW Incinerator Bottom Ash[J].Waste Management Research,1995,13:149-156.

[6] 袁 崢,Grant Douglas,Laura Wendling,等.鋼鐵、鈦和鋁工業(yè)廢渣在去除水中重金屬和酸性中的作用[J].南昌大學(xué)學(xué)報(bào):工科版,2010,32(2):168-172.

Experimental Investigation on Acid Neutralizing Capacity of Basic Oxygen Furnace Steel Slag

CUI Peng
(Tongliao Transportation Construction Bureau,Tongliao 028000,China)

The acid neutralizing capacity(ANC)of the basic oxygen furnace slag was investigated by the batch p H titration in this paper.Test results showed that reaction time played an important role for the determination of the ANC for the steel slag.After 500 hours titration under all p H environments,the reaction rate of ANC reached 95%.Under the same p H conditions,ANC was determined by reaction time.ANC of the basic oxygen furnace slag was influenced obviously at high p H while decreasing p H leaded to increase the ANC.The mineralogical composition,hydration reaction rate and content of the main chemical composition,the interference of carbon dioxide dissolving would largely influence the ANC.

acid neutralization; long-time; basic oxygen furnace steel slag;titration

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.06.016

2014-06-09.

崔 鵬(1975-),高級(jí)工程師.E-mail:578443@qq.com