武钢转炉钢渣酸中和能力试验研究

崔 鹏

(通辽市交通工程局,通辽 028000)

武钢转炉钢渣酸中和能力试验研究

崔 鹏

(通辽市交通工程局,通辽 028000)

利用批量p H滴定试验来确定武钢转炉钢渣的长期酸中和能力。试验结果表明,武钢转炉钢渣的酸中和能力主要取决于反应时间。滴定500 h后,在所有反应p H值条件下,钢渣的酸中和能力反应率可以达到95%。在相同的p H值条件下,反应时间决定着酸中和能力。高p H值条件对钢渣的酸中和能力影响较大,p H值的降低可导致酸中和反应率的增大。钢渣中的矿物组成、主要化学成分的含量和水化反应速率以及反应是否受到二氧化碳干扰将极大的影响钢渣的酸中和能力。

酸中和; 长期; 转炉钢渣; 滴定

钢渣是一种重要的并且是可再次利用的工业固体废物。近20年来,我国对钢渣的处理利用进行了大量研究与开发并取得了良好的经济、社会效益[1]。但是,在各种利用途径中,对于钢渣是否能够在满足应用要求的同时而不对环境造成危害,特别是对在长期淋滤过程中钢渣在酸性溶液介质中的中和酸能力研究尚不多见。Yan[2]等人认为,固体废物的酸中和能力与其所能产生的酸性排水和重金属滤出能力有直接关系。不同的矿物以不同的速率、在不同的p H值范围内可以中和酸性排水,同时又改变环境的p H值[3]。Johnson[4]和Stegemann[5]的研究表明,固体废弃物的酸碱特性能够直接影响其浸出特性,假设给定反应的水环境系统已知,则其p H变化情况可被固废中可溶解的酸性或者碱性物质的量、酸性和碱性中和能力所决定。国内研究人员也对钢渣中和酸液以及重金属浸出开展了研究工作[6]。然而报导的文献研究的仅仅是矿物与酸的作用过程中那些速度较快的反应,而未对矿物与酸的长期化学反应作出研究。因此该文以中和反应的时间与环境的p H值作为影响因素,通过连续滴定试验对武钢转炉钢渣的长期酸中和能力进行研究。试验的结果有助于了解转炉钢渣的材料性能以及为其在酸性水溶液环境中应用提供建议。

1 试验方案

1)原材料 试验选用的转炉钢渣取自武钢三炼钢渣场,陈化期为二年,其主要化学成分列于表1。

表1 武钢转炉钢渣的主要化学成分 /%

2)试样与仪器 将钢渣破碎烘干,用0.15 mm方孔筛筛分后取筛下样品做试验原材料。按照固液质量比1∶5将钢渣与蒸馏水混合(40 g钢渣混合200 g蒸馏水)置于塑料烧杯中备用。试验中选用1 mmol/L的HNO3作为滴定酸性溶剂。利用自动滴定仪对钢渣进行连续滴定试验。为保证溶液的p H值恒定,滴定过程中需要使用密封烧杯,以免空气中的CO2进入到烧杯中影响溶液的p H值。滴定过程中利用磁力搅拌器进行混合,并记录不同滴定时间(0～1 000 h)不同p H值水平下(p H=7～10),钢渣样品耗用的酸性滴定溶剂的量,计算出一定量的钢渣样品耗用的H+物质的量用来描述钢渣的酸中和能力。

2 结果与讨论

2.1 酸中和能力

图1给出的是钢渣的酸中和能力的滴定试验结果。图中曲线的走势反映出两个明显的特征。第一个特征是钢渣的酸中和能力在反应开始的100 h内变化明显,这主要是因为反应初期,参加反应的物质的浓度高,反应常数大,反应速度快,反应耗去了溶液中的大部分H+。而反应发生100 h时后趋于平缓。第二个特征就是,在p H值为7～9的溶液中,钢渣表现出较强的酸中和能力。这是因为钢渣中含有多种矿物,不同的矿物以不同的速率、在不同的p H值范围内中和酸的能力并不相同。图1也表明了在不同的p H值的溶液中,钢渣的酸中和能力在反应进行到1 000 h后几乎不再发生改变。可以将此时的钢渣与酸反应的能力作为钢渣的长期酸中和能力。

图2～图4给出的是反应时间、p H值以及酸中和能力的相互关系曲线。图2定量的说明了滴定时间是钢渣的酸中和能力的重要影响因素。试验在进行24 h时,各个p H值条件下的钢渣的酸中和能力反应率均小于60%;如果要保证钢渣的长期酸中和反应率达到95%,那反应时间至少要达到500 h,同时要保证p H值小于9。图3表明,在相同的p H值条件下,反应时间决定着酸中和能力;或者说是在相同的酸中和能力要求下,p H值越大则反应需要的时间就越长。图4给出的是在不同的p H条件下,保证75%和95%的酸中和反应率所需要的时间,可以看出,当p H值大于8.5后,要保证相同的酸中和反应率则需要延长反应时间,这说明高p H值条件对钢渣的酸中和能力影响较大,此时,p H值的降低可导致酸中和反应率的增大。

2.2 酸中和过程

钢渣长期(接近500 h)和短期(24 h内)酸中和能力最主要的差异体现在参加反应的化学成分以及反应速率。而转炉钢渣主要的矿物组成成分包括硅酸二钙、硅酸三钙和铁酸二钙、铁铝酸四钙、以方铁石为主的RO相、氢氧化钙、方镁石等。其中部分化学成分的水化过程及产物是影响钢渣酸中和能力的重要因素。其主要的水化过程和水化产物有许多文献已经系统的研究过。影响钢渣酸中和能力另一个重要的因素是钢渣的碱性化学活性成分的水化程度,例如游离氧化钙、游离氧化镁的水化使得溶液p H值迅速提升,且水化反应速率较快使得反应很容易就达到了平衡。然而酸中和反应主要依赖反应动力学常数,在相对较高的p H值条件下,酸中和反应随着p H值的上升和反应速率的减缓而减弱,但钢渣中游离氧化钙、游离氧化镁成分的增多,虽然降低了酸中和反应速率,但是因为提高了钢渣的碱度而使钢渣的酸中和能力得到提高。此外,酸中和试验条件的改变也将影响钢渣的酸中和能力,例如,在酸性流动废水中利用钢渣进行酸中和处理,钢渣的酸中和能力将表现得与静态时不一样的结果。这表明,除溶液p H值、钢渣矿物组成外,为了更好地理解钢渣的酸中和能力,发生反应的系统和条件也是一个重要的考虑因素。需要说明的是,本试验在密闭空间完成,排除了二氧化碳溶解形成碳酸盐而对钢渣酸中和能力的影响,实际反应时,形成的碳酸盐是一种重要的弱碱性缓冲矿物并对被考察的物质的酸中和能力有较大影响。

3 结 论

武钢转炉钢渣的酸中和能力主要取决于反应时间。在较低的p H值条件下,短期滴定试验将会低估钢渣的酸中和能力;而滴定500 h后,在所有反应p H值条件下,钢渣的酸中和能力反应率可以达到95%。在相同的p H值条件下,反应时间决定着酸中和能力,相同的酸中和能力要求下,p H值越大则反应需要的时间就越长。高p H值条件对钢渣的酸中和能力影响较大,p H值的降低可导致酸中和反应率的增大。而转炉钢渣的化学成分与矿物组成、主要化学成分的含量和水化进程以及反应是否受到二氧化碳溶解并形成碳酸盐的干扰将极大的影响钢渣的酸中和能力。

[1] 沈建中.钢渣综合利用和处理方法的述评与探索[J].中国冶金,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 峥,Grant Douglas,Laura Wendling,等.钢铁、钛和铝工业废渣在去除水中重金属和酸性中的作用[J].南昌大学学报: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 鹏(1975-),高级工程师.E-mail:578443@qq.com