劉笑笑,吳照金
(安徽工業(yè)大學 冶金減排與資源綜合利用教育部重點實驗室,安徽 馬鞍山 243002)
近年來,中國已經(jīng)成為全球最大的鋼鐵生產(chǎn)國和消費國,冶金固廢的高效資源化利用引起廣泛關(guān)注。冶金固廢種類繁多、成分復(fù)雜,含鋅塵泥是其中資源稟賦較高、利用難度較大的一種。冶金含鋅塵泥主要包括高爐除塵灰泥、轉(zhuǎn)爐除塵灰泥、電爐除塵灰等,其資源化利用對緩解我國金屬資源緊缺局面、保護生態(tài)環(huán)境均具有重要的意義。
目前,冶金含鋅塵泥的處理方法主要有物理法、濕法、火法等。
物理法主要包括磁分離和機械分離,通過磁力或離心力的作用來回收含鋅塵泥的有價金屬。物理法操作簡便,但富集效率較低,主要用于預(yù)處理。
火法處理是指在高溫、還原性條件下,實現(xiàn)鋅鐵分離、回收的工藝方法。該方法能大批量處理含鋅塵泥且回收率較高,但僅適用于含鋅量較少的塵泥且能耗較高?;鸱ㄖ饕袩Y(jié)法、回轉(zhuǎn)窯法、轉(zhuǎn)底爐法。
濕法是指處理含鋅量較高的塵泥,濕法主要包括酸浸和堿浸。氧化鋅是含鋅塵泥的主要形式存在,氧化鋅既溶于酸,又溶于堿,可以將鋅從塵泥中回收出來。但這種方法不能大規(guī)模處理塵泥,成本較高,并且浸出率低。
Rath[1]等用高爐灰里的碳作為還原劑,將鐵生成磁精礦。在850℃,90min的條件下,得到含鐵63%的磁精礦,鐵回收率68%。Wang[2]等研究了高爐灰在高溫下的硫化行為。采用該工藝后,將氧化鋅轉(zhuǎn)化為硫化物,鋅在ZnS中的分布由13.28%提高到92.01%。此外材料中的碳會使Fe2O3還原為Fe3O4、FeO甚至Fe。生成的FeO經(jīng)硫硫化后形成硫化鐵,生成的硫化鐵會溶解到ZnS中,形成(Zn,Fe)S化合物。
劉瓊芳等[3]以轉(zhuǎn)爐污泥為對象,采用碳熱還原法還原其中的Fe和微量元素Mn、Cr、V、Ti等,形成合金,經(jīng)磁選獲得微合金化鐵粉。所得微合金化鐵粉中鐵的回收率為92%,鐵含量為97.6%,Mn、V、Cr、Ti總量為1.788%。尹海濤等[4]利用碳熱還原法選擇性還原電爐除塵灰中的有價金屬,獲得主體元素為Fe,摻雜Mn、Cr、Ni、V合金元素的鐵基合金。鐵基合金中目標合金元素的含量達到98.98%,電爐除塵灰中目標合金元素的收得率達到最高值98.15%。
采用火法處理工藝,雖然可以大批量的處理含鋅塵泥,但是得到的產(chǎn)物純度不高,附加值較低。
Trung等[5]驗證了細粒轉(zhuǎn)爐污泥在酸性介質(zhì)中的浸鋅性能。在1M濃度的硫酸,浸出時間15 min,溫度80℃的條件下,浸出鋅量高達70%。Oustadakis等[6]研究了電弧爐粉塵,經(jīng)稀硫酸酸浸后鋅的浸出率達到80%。在實驗條件下,鐵浸出率達到45%。
Wang等[7]以六水合氯化鐵(FeCl3·6H2O)為分解劑,采用純鋅酸鋅(ZnFe2O4)納米粉體和含鋅電弧爐(EAF)粉塵為原料,從ZnFe2O4中提取鋅的效率達到97.2%,從EAF粉塵中提取鋅的效率達到94.5%。李鳳連等[8]采用燒堿浸出電爐煙塵中的鋅,Zn浸出率可達90.8%。
采用濕法處理工藝,得到的產(chǎn)物純度較高,附加值較高,但是處理工藝比較復(fù)雜,處理成本高,浸出液易導(dǎo)致環(huán)境的二次污染等問題。
Wang[9]等以含鋅電爐粉塵為原料,采用固相反應(yīng)法直接合成了尖晶石結(jié)構(gòu)的金屬摻雜鎳鋅鐵氧體,實現(xiàn)了固體廢棄物向高附加值材料的轉(zhuǎn)化。Vieira等[10]研究了一種電弧爐爐灰為原料,合成了孔隙率較低的民用建筑粘土陶瓷。Wu等[11]是以高爐爐灰為原料,經(jīng)硫酸酸解制備出金屬(鋁、鋅、鈦)摻雜赤鐵礦的光催化材料。結(jié)果表明,赤鐵礦顯著增強光催化降解亞甲基藍的效率(72.2%)。
黃偉等[12]采用硫酸浸取和草酸鹽沉淀的方法,可控地同時回收冶金高鋅塵泥中的Zn和Fe,制備出具有良好可見光催化活性的ZnO-ZnFe2O4納米級復(fù)合光催化劑。朱妍[13]采用酸解的工藝方法,將高爐含鋅除塵灰和軋鋼污泥的復(fù)配塵泥中的有價元素(Zn、Fe、Al、Mn、Mg)轉(zhuǎn)移到酸解液中,經(jīng)共沉淀法和焙燒步驟得到摻雜型ZnFe2O4/α-Fe2O3復(fù)合光催化材料。
采用直接材料化利用處理含鋅塵泥,得到的產(chǎn)物附加值最高,但是對含鋅塵泥的消耗量小。在處理過程中,只能起輔助作用。
總的來說,這三種回收利用含鋅塵泥的方式各有利弊?;鸱üに嚹芑厥斩喾N元素、但是附加值不高。濕法工藝的產(chǎn)物附加值高,但是設(shè)備要求高,成本高。建議采取火法和濕法提取相結(jié)合的方法,在盡量不產(chǎn)生二次污染的前提下,重點實現(xiàn)含鋅塵泥的直接材料化利用。
在冶金生產(chǎn)過程中,會產(chǎn)生大量廢物。如果管理不當,這些廢物會對環(huán)境造成不可逆轉(zhuǎn)的破壞,并對人類構(gòu)成危害。目前針對含鋅塵泥的處理工藝有物理法、火法、濕法,其中物理法主要是預(yù)處理,每種工藝各有其優(yōu)缺點。冶金固廢產(chǎn)量較大,單一的利用模式已然無法應(yīng)對現(xiàn)在面臨的問題,多途徑利用是必然選擇。為了實現(xiàn)含鋅塵泥的大批量處理和高附加值利用,火法-濕法的聯(lián)合工藝,是今后含鋅塵泥資源化利用的方向,能夠帶來更多的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。