CN110451547B - 一种利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于冶金资源综合利用技术领域,特别涉及一种利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法。一种利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法,是将不锈钢冶炼渣进行在线矿相重构,冷却后利用冶金废酸溶液进行浸出,过滤后得到富钙、镁溶液,调节滤液pH值,并加入结构导向剂;向所得溶液通入含有CO2的冶金废气生成沉淀,过滤、干燥后可依次得到具有规则形状和尺寸的碳酸钙和碳酸镁粉体。本发明实现了不锈钢渣的在线矿相重构,使大量钙、镁元素富集于易浸出相中,铬元素富集于尖晶石相,在兼顾铬稳定化的同时大大提高了不锈钢渣的资源利用率,所得碳酸盐粉体可广泛应用于建筑、造纸、橡胶和医药等行业,实现“以废治废,以废制宝”。
Description
技术领域
本发明属于冶金资源综合利用技术领域,特别涉及一种利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法。
背景技术
2018年我国不锈钢粗钢产量约为2670万吨,同时伴随产生约801万吨的钢渣及4806万吨的二氧化碳。在冶金工业中对金属表面进行酸洗处理,每处理1吨钢就会产生大量的废弃酸溶液。随着我国生产技术的进步及对不锈钢需求的不断增加,我国不锈钢产量逐年增加,同时也伴随着大量冶金废物(不锈钢渣、冶金废气及废酸)的产生。目前,钢渣主要被用作建筑材料、烧结溶剂等,但由于不锈钢渣中含有毒性Cr6+元素,大量的不锈钢渣或是经过无害化处理后应用或是在渣场堆放,造成资源的浪费及环境的污染。同时大量冶金废气及废酸的产生无疑对环境造成了极大的影响。因此如何协同利用冶金工业废弃物,实现资源循环利用及环境保护是值得思考的问题。
不锈钢渣中CaO和MgO含量约占40%~50%,是CO2矿化封存的关键元素。目前,利用钢渣封存CO2的方法主要有两种,分别为干法矿化固定CO2及湿法浸出固定CO2。相比于干法矿化固碳,湿法浸出固定CO2具有较高的Ca、Mg浸出率及利用率。但采用湿法工艺利用不锈钢渣捕捉CO2,其关键不仅在于充分提取渣中CO2捕集元素(Ca和Mg),同时还要避免Cr组元溶出。因此,通过对不锈钢渣进行矿相重构是提高不锈钢渣资源利用率及环境保护的关键。
碳酸钙和碳酸镁是普遍使用的无机碳酸盐产品,被广泛应用于橡胶、造纸、医药和化学建材等领域。专利CN 106830041 A发明了一种功能性碳酸钙制备的方法;专利CN108841205发明了一种硅酮胶专用纳米活性碳酸钙制备方法;专利CN 108439450公开发明了一种建筑专用纳米碳酸钙的制备方法;专利CN 104837772 A发明了一种无水、无定形且多孔的碳酸镁产品等。随着人们对各个领域碳酸盐产品需求的提高,如何利用好现有废弃资源,制备应用广泛的碳酸钙及碳酸镁产品,实现“以废制宝”显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的就在于针对以上问题而提供的一种利用冶金工业废弃物(不锈钢渣、废气、废酸)协同作用而生产具有特定尺寸及形貌的碳酸盐产品。该方法兼顾了废弃物的无害化处理与资源综合利用,制备出了应用广泛的碳酸镁及碳酸钙产品,实现“以废制宝”。
一种利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法,所述方法按如下步骤进行:
(1)在不锈钢冶炼生产的出渣过程中,向不锈钢冶炼渣中加入矿相重构剂,出渣结束后,冷却到100℃以下待用;
(2)将步骤(1)所得的矿相重构不锈钢冶炼渣进行机械破碎,用冶金废酸溶液在超声波振荡器中进行离子浸出,过滤,滤液为固化CO2初溶液。
(3)调节步骤(2)所得CO2固化初溶液中加入pH调节剂,使溶液的pH值为:3≤pH<6或12≤pH≤14,并向溶液中加入结构导向剂;
(4)向步骤(3)所得溶液通入含有CO2的冶金废气,待反应一段时间后,得含有沉淀物的溶液,停止通气;用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,得到固体产物及富镁溶液;将固体产物进行洗涤,干燥,得碳酸钙粉体。
(5)向步骤(4)所得富镁溶液中加入pH调节剂,使溶液的pH值范围为6≤pH<12,并向溶液中继续通入含有CO2的冶金废气,待反应一段时间后,得含有沉淀物的溶液,停止通气;用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,得到固体产物;将固体产物进行洗涤,干燥,得碳酸镁粉体。
本发明所述“不锈钢冶炼渣”可为AOD精炼渣、转炉渣或电炉渣,其主要成分为CaO、MgO、SiO2、MnO、Al2O3、FeO、Cr2O3等。
本发明所述利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法中,步骤(1)中,实现不锈钢渣的矿相重构,优先选择矿相重构剂MnO、MgO、Al2O3中的一种或几种。该技术不仅使Cr元素富集于尖晶石相中,同时使Ca、Mg元素富集于易浸出相中。此技术不仅可以避免酸浸步骤中Cr元素的大量溶出,同时也提高了Ca、Mg元素的浸出率,使不锈钢渣资源得到充分利用的同时兼顾Cr的稳定化控制。
进一步地,当不锈钢冶炼渣为转炉渣、电炉渣或AOD渣时,加入MnO、MgO或Al2O3中的一种,其用量为不锈钢冶炼渣质量的1%~12%;当矿相改质剂选为MnO、MgO或Al2O3中的两种或两种以上时,其用量为不锈钢冶炼渣质量的2%~14%;
本发明所述利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法中,优选所述步骤(2)中所述不锈钢冶炼渣需利用现有设备进行破碎,破碎到粒径为1~20mm。目的是增大钢渣的比表面积,提高不锈钢渣中Ca、Mg元素的浸出率。
本发明所述利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法中,优选所述步骤(2)中废酸溶液为HCl、HNO3、HF中的一种或几种。
进一步地,所述冶金废酸溶液按下述方法制得:将冶金工业废酸利用罗门哈斯强酸型树脂进行阴离子吸附,使得冶金工业废酸中的盐与酸分离,然后将阻滞在树脂内的酸用蒸馏水洗涤,洗涤后的酸溶液调节pH范围为2~6。清洗后的树脂可回收再利用。
本发明所述利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法中,优选所述步骤(2)中的具体酸浸步骤为:浸出条件为:浸出温度为20~100℃,浸出时间为30~180min,超声波震荡功率为100~700W,超声频率为20~40KHz;矿相重构不锈钢渣与冶金废酸溶液的固液比为1:10~50g/mL,搅拌速度为100~500rpm。
本发明所述利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法中,优选所述步骤(3)中向CO2固化初溶液中加入pH调节剂,调节溶液pH范围为3≤pH<6或12≤pH≤14,得到CO2固化溶液。
本发明所述利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法中,所述结构导向剂为至少含烯烃、烷烃、醇基和有机酸中的一种或几种单元所形成的共聚物。进一步地,所述步骤(3)中,所述结构导向剂为烷烃与醇单体形成的聚合物或醇单体间形成的聚合物分别与有机酸形成的嵌段共聚物;或为烯烃单体间形成的均聚物与有机酸形成的嵌段共聚物。
本发明所述利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法中,优选所述步骤(3)中加入结构导向剂的质量与溶液的体积比为1~20:1000(g/mL)。
本发明所述利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法中,优选所述步骤(4)冶金废气中的CO2体积含量大于10%。
进一步地,将冶金工业废气经过除尘及降温处理,当废气中无SO2气体时,其降温温度范围为:<100℃;当冶金废气包括SO2的有毒气体,其中降温温度范围为:-10℃~-70℃。
本发明所述利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法中,优选所述步骤(4)中制备碳酸钙粉体的具体工艺步骤为:通入冶金废气的气体流量为:0.05~2L/min,通入冶金废气的时间为20~180min,搅拌速度100~500rpm,反应温度为20~100℃。
进一步地,待反应一段时间后,停止通气。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,得到固体产物及富镁溶液,固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,干燥后得到碳酸钙粉体。
本发明所述利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法中,优选所述步骤(5)中向富镁溶液中加入pH调节剂,调节溶液pH范围为6≤pH<12。
本发明述及pH调节剂为本领域常用于调节溶液pH的酸性或碱性物质,如HCl,HNO3,NaOH,CaO,KOH,NH4OH等。
进一步地,向溶液中通入步骤(4)所得的冶金废气制备碳酸镁粉体。本发明所述利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法中,优选所述步骤(5)中制备碳酸镁粉体的具体工艺步骤为:0.05~2L/min,通入冶金废气的时间为20~180min,搅拌速度100~500rpm,反应温度为20~100℃。
进一步地,待反应一段时间后,停止通气。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,干燥后得到碳酸镁粉体。
本方法的有益效果为:本发明所用原料均为不锈钢冶炼生产过程中产生的废弃物,即不锈钢渣、冶金工业废酸及含有CO2的废气。实现了废弃物的协同作用,进而对提高钢铁生产附加值及保护环境有重大意义。另外,本发明在不锈钢冶炼的出渣过程中实现了不锈钢渣的矿相重构,一方面降低了热量损失,另一方面实现了在线调控不锈钢渣,使固碳元素Ca及Mg大量富集在易浸出相中,毒性Cr元素富集在尖晶石相中。本发明所得碳酸钙粉体和碳酸镁,具有规则的形状及尺寸,可广泛应用于建筑、造纸、橡胶和医药等行业中。
附图说明:
图1本发明实施例1得到的矿相重构不锈钢渣的扫描电镜图;
图2本发明实施例1得到的固碳产物CaCO3的X射线衍射图;
图3本发明实施例1得到的固碳产物CaCO3的扫描电镜图;
图4本发明实施例3得到的矿相重构不锈钢渣的扫描电镜图;
图5本发明实施例3得到的固碳产物CaCO3的扫描电镜图;
图6本发明实施例8得到的矿相重构不锈钢渣的扫描电镜图。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明,但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法,如无特殊说明,均为常规方法;所述试剂和材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得。
所处理的不锈钢冶炼渣可为AOD精炼渣、转炉渣或电炉渣,其主要成分为CaO、MgO、SiO2、MnO、Al2O3、FeO、Cr2O3等。所谓不锈钢冶炼出渣过程中加入矿相改质剂,即为将钢渣从炉体倒入渣灌的同时加入一定量的矿相重构剂。
实施例1
步骤1:在AOD精炼不锈钢生产的出渣过程中,加入质量为不锈钢渣1%的MnO矿相重构剂,出渣结束后冷却到20℃。
步骤2:将矿相重构后的不锈钢渣机械破碎,选取粒径1~5mm的不锈钢渣300g。用罗门哈斯强酸型树脂对工业用废酸吸附得HCl溶液,向所得溶液中加入HCl,调节溶液的pH为2,清洗后的树脂回收利用。用3000mL上述所得酸溶液对粒径1~5mm的不锈钢渣在超声波振荡器中进行酸浸,具体酸浸参数为:超声波震荡器功率100W,超声频率为20KHz,温度为20℃,浸出时间为90min,搅拌速度为250rpm。浸出后过滤掉滤渣,得到固化CO2初溶液。
步骤3:向步骤2所得溶液中加入CaO,调节溶液pH为3,并向溶液中加入3g乙烯-甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸共聚物。所述乙烯-甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸共聚物按下述方法制得:
将容积为125mL的高压反应器抽真空后,向其中充入氩气。在氩气气氛下,将28mmol的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、5.6mmol的甲基丙烯酸(MAA)和28mmol作为路易斯酸的氧化铝加入到反应器中。另外,向其中加入0.056mmol的偶氮二异丁腈(AIBN)。随后,在35巴的压力下,充入乙烯,将反应器的温度升至65℃并进行聚合18个小时。在聚合完成后,使用过滤器将氧化铝从聚合溶液中去除,并将聚合溶液沉淀在乙烯或乙烷中。在减压条件下,在155℃以下的温度下,将聚合物干燥24小时。
步骤4:将CO2体积含量为12%且含有SO2气体的冶金工业废气经过除尘,降温到-10℃除去SO2有毒气体后,通入步骤3所得溶液中,溶液温度为20℃,气体流量为0.05L/min,通气时间为180min,搅拌速度100rpm。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,得到固体产物及富镁溶液;将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸钙粉体。
步骤5:向步骤4所得富镁溶液中加入CaO,调节溶液的pH值为6,此时溶液温度为20℃;继续向溶液中通入步骤4所得的冶金工业废气,气体流量为0.1L/min,通气时间为20min,搅拌速度为120rpm。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸镁粉体。
对步骤1所得的矿相重构后的不锈钢渣进行SEM-EDS和XRD检测分析。如图1所示。结果表明矿相重构后的不锈钢渣主要物相为蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石、玻璃相及尖晶石相,且大量的Ca、Mg元素富集在蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石中,大量的Cr元素富集于尖晶石相中,极少部分Cr元素富集于蔷薇辉石及硅酸二钙相中。
采用化学滴定及ICP-OES检测法对步骤2所得溶液中各离子含量进行测定。结果表明,Ca元素的浸出率达93%,浸出液中全铬浓度<0.01mg/L,符合国内、国际含铬废弃物的排放标准。
对步骤4结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯CaCO3,如图2所示。经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的CaCO3是不规则球型聚集体,直径为1μm,如图3所示。通过化学计算分析浸出液中90%的Ca2+能与CO2反应生成CaCO3产品。
对步骤5结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯MgCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的MgCO3为棒状结构,其平均尺寸为8μm。通过化学计算分析浸出液中85%的Mg2+能与CO2反应生成MgCO3产品。
实施例2
步骤1:在转炉冶炼不锈钢生产的出渣过程中,加入质量为不锈钢渣3%的MgO矿相重构剂,出渣结束后冷却到25℃。
步骤2:将矿相重构后的不锈钢渣机械破碎,选取粒径9mm的不锈钢渣300g。用罗门哈斯强酸型树脂对工业用废酸吸附得HCl+HNO3溶液,向所得溶液中加入HCl调节溶液的pH为4.5。清洗后的树脂回收利用。用3500mL上述所得酸溶液对粒径9mm的不锈钢渣在超声波振荡器中进行酸浸,具体酸浸参数为:超声波震荡器功率150W,超声频率为25KHz,温度为25℃,浸出时间为100min,搅拌速度为410rpm。浸出后过滤掉滤渣,得到固化CO2初溶液。
步骤3:向步骤2所得溶液中加入KOH,调节溶液pH为5.5,并向溶液中加入17g乙酸乙烯酯-聚乙烯醇-戊二醛嵌段共聚物,所述乙酸乙烯酯-聚乙烯醇-戊二醛嵌段共聚物按下述方法制得:
将其中含有10g分子量为90000的聚乙烯醇的200g聚乙烯醇水溶液置于容积为300mL的容器中,加1.41g 25%戊二醛水溶液。聚乙烯醇对戊二醛的摩尔比为1000:15.5。然后将混合物加热至60℃,并加盐酸至介质的pH为1.5。将所得到的反应物质搅拌均匀并保持静止4小时。将形成的水凝胶置于磨碎机中,加350g水并磨碎。用过滤法从悬浮液中分离出磨碎的水凝胶,用水洗涤,再次过滤并用丙酮处理,然后再过滤并干燥。
步骤4将CO2体积含量为25%且含有SO2气体的冶金工业废气经过除尘,降温到-70℃除去SO2有毒气体后,通入步骤3所得溶液中,溶液温度为30℃,气体流量为0.1L/min,通气时间为160min,搅拌速度150rpm。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸钙粉体。
步骤5:向步骤4所得富镁溶液中加入KOH,调节溶液的pH值为7,此时溶液温度为25℃;继续向溶液中通入步骤4所得的冶金工业废气,气体流量为0.05L/min,通气时间为80min,搅拌速度为110rpm。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸镁粉体。
对步骤1所得的矿相重构后的不锈钢渣进行SEM-EDS和XRD检测分析。结果表明矿相重构后的不锈钢渣主要物相为蔷薇辉石、硅酸二钙、钙镁黄长石、RO相及尖晶石相,且大量的Ca、Mg元素富集在蔷薇辉石、硅酸二钙、钙镁黄长石中,大量的Cr元素富集于尖晶石相中,极少部分Cr元素富集于蔷薇辉石及硅酸二钙相中。
采用化学滴定及ICP-OES检测法对步骤2所得溶液中各离子含量进行测定。结果表明,Ca元素的浸出率达95%,浸出液中全铬浓度<0.01mg/L,符合国内、国际含铬废弃物的排放标准。
对步骤4结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯CaCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的CaCO3为仙人球状,直径约为1μm,沿球轴线方向由若干瓣组成。通过化学计算分析浸出液中95%的Ca2+能与CO2反应生成CaCO3产品。
对步骤5结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯MgCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的MgCO3为球状结构,其直径约为3μm。通过化学计算分析浸出液中80%的Mg2+能与CO2反应生成MgCO3产品。
实施例3
步骤1:在电炉冶炼不锈钢生产的出渣过程中,加入质量为不锈钢渣5%的MnO矿相重构剂,出渣结束后冷却到30℃。
步骤2:将矿相重构后的不锈钢渣机械破碎,选取粒径10mm的不锈钢渣300g。用罗门哈斯强酸型树脂对工业用废酸吸附得HNO3+HF溶液,向所得溶液中加入HNO3,调节溶液的pH为4.8。清洗后的树脂回收利用。用4000mL上述所得酸溶液对粒径10mm的不锈钢渣在超声波振荡器中进行酸浸,具体酸浸参数为:超声波震荡器功率200W,超声频率为27KHz,温度为30℃,浸出时间为125min,搅拌速度为480rpm。浸出后过滤掉滤渣,得到固化CO2初溶液。
步骤3:向步骤2所得溶液中加入NH4OH,调节溶液pH为5,并向溶液中加入32g聚乙二醇-聚苯乙烯共聚物。所述聚乙二醇-聚苯乙烯共聚物按下述方法制得:
将苯乙烯单体纯化后,进行聚合反应组分配制,苯乙烯、PEO750-Br、氯化亚铁摩尔比为50:1:1,苯乙烯和二氯甲烷的体积比为1:1。配制过程为:在手套箱中称取0.0692g氯化亚铁和0.522g大分子引发剂PEO750-Br放入25mL茄形瓶中,用针管取4mL二氯甲烷和4mL苯乙烯单体加入到茄形瓶中,磁力搅拌10min后得到预反应混合液。将茄形瓶中的预反应混合液转移到加热装置中,控制反应温度为90℃;聚合反应达到7.5小时后,用注射器从反应器中取出一定量的混合物倒入烧瓶用冷水冷却停止反应,除去未反应的单体,溶剂以及催化剂计算转化率,用2~5mL四氢呋喃将产物溶解、通过200~300目的中性氧化铝柱子除掉催化剂,干燥得到聚乙二醇-聚苯乙烯产物。
步骤4:将CO2体积含量为40%且存在SO2气体的冶金工业废气经过除尘,降温到-30℃除去SO2有毒气体后,通入步骤3所得溶液中,溶液温度为40℃,气体流量为0.5L/min,通气时间为150min,搅拌速度280rpm。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸钙粉体。
步骤5:向步骤4所得富镁溶液中加入NH4OH,调节溶液的pH值为8,此时溶液温度为35℃;继续向溶液中通入步骤4所得的冶金工业废气,气体流量为0.4L/min,通气时间为100min,搅拌速度为150rpm。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸镁粉体。
对步骤1所得的矿相重构后的不锈钢渣进行SEM-EDS和XRD检测分析,如图4所示。结果表明矿相重构后的不锈钢渣的主要物相为蔷薇辉石、硅酸二钙、RO相及尖晶石相,且大量的Ca、Mg元素富集在蔷薇辉石、硅酸二钙、及RO相中,全部的Cr元素富集于尖晶石相中。
采用化学滴定及ICP-OES检测法对步骤2所得溶液中各离子含量进行测定。结果表明,用废弃HNO3+HF溶液对不锈钢渣浸出,Ca元素的浸出率达92%,浸出液中全铬浓度<0.01mg/L,符合国内、国际含铬废弃物的排放标准。
对步骤4结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯CaCO3。经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的CaCO3为两边呈大的椭球而中间较细的花生状结构,其平均尺寸约为2μm,如图5所示。通过化学计算分析浸出液中93%的Ca2+能与CO2反应生成CaCO3产品。
对步骤5结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯MgCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的MgCO3为片状结构,其平均尺寸为5μm。通过化学计算分析浸出液中83%的Mg2+能与CO2反应生成MgCO3产品。
实施例4
步骤1:在电炉冶炼不锈钢生产的出渣过程中,加入质量为不锈钢渣7%的MnO+MgO矿相重构剂,出渣结束后冷却到40℃。
步骤2:将矿相重构后的不锈钢渣机械破碎,选取粒径11mm的不锈钢渣300g。用罗门哈斯强酸型树脂对工业用废酸吸附得HCl+HNO3溶液,向所得溶液中加入HCl,调节溶液的pH为5。清洗后的树脂回收利用。用4500mL上述所得酸溶液对粒径11mm的不锈钢渣在超声波振荡器中进行酸浸,具体酸浸参数为:超声波震荡器功率250W,超声频率为30KHz,温度为40℃,浸出时间为130min,搅拌速度为500rpm。浸出后过滤掉滤渣,得到固化CO2初溶液。
步骤3:向步骤2所得溶液中加入NaOH,调节溶液pH为12,并向溶液中加入乙烯-甲基丙烯酸甲酯-马来酸共聚物。所述乙烯-甲基丙烯酸甲酯-马来酸共聚物按下述方法制得:
将容积为125mL的高压反应器抽真空后,向其中充入氩气。在氩气气氛下,将28mmol的甲基丙烯酸甲酯(MMA)、2.8mmol的甲基丙烯酸(MAA)和28mmol作为路易斯酸的氧化铝加入到反应器中。另外,向其中加入0.028mmol的偶氮二异丁腈AIBN(其为溶解在甲苯中的引发剂)。随后,在35巴的压力下,充入乙烯,将反应器的温度升至70℃并进行聚合6个小时。在聚合完成后,使用过滤器将氧化铝从聚合溶液中去除,并将聚合溶液沉淀在乙烯或乙烷中。在减压条件下,在121℃以下的温度下,将聚合物干燥24小时
步骤4:将CO2体积含量为72%的冶金工业废气经过除尘,降温到60℃后,通入步骤3所得溶液中,溶液温度为60℃,气体流量为1L/min,通气时间为110min,搅拌速度300rpm。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸钙粉体。
步骤5:向步骤4所得富镁溶液中加入HCl,调节溶液的pH值为9,此时溶液温度为52℃;继续向溶液中通入步骤4所得的冶金工业废气,气体流量为0.5L/min,通气时间为90min,搅拌速度为200rpm。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸镁粉体。
对步骤1所得的矿相重构后的不锈钢渣进行SEM-EDS和XRD检测分析。结果表明矿相重构后的不锈钢渣的主要物相为RO相、蔷薇辉石、硅酸二钙、钙镁黄长石、及尖晶石相,且大量的Ca、Mg元素富集在蔷薇辉石、硅酸二钙、钙镁黄长石及RO相中,大量的Cr元素富集于尖晶石相中,少量Cr元素富集于蔷薇辉石及RO相中。
采用化学滴定及ICP-OES检测法对步骤2所得溶液中各离子含量进行测定。结果表明,用废弃HNO3溶液对不锈钢渣浸出,Ca元素的浸出率达91%,浸出液中全铬浓度<0.01mg/L,符合国内、国际含铬废弃物的排放标准。
对步骤4结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯CaCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的CaCO3为大的圆柱状粒子,直径为0.7μm。通过化学计算分析浸出液中96%的Ca2+能与CO2反应生成CaCO3产品。
对步骤5结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯MgCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的MgCO3为菱面体状结构,其平均尺寸为2μm。通过化学计算分析浸出液中87%的Mg2+能与CO2反应生成MgCO3产品。
实施例5
步骤1:在AOD精炼不锈钢生产的出渣过程中,加入质量为不锈钢渣10%MgO矿相重构剂,出渣结束后冷却到50℃。
步骤2:将矿相重构后的不锈钢渣机械破碎,选取粒径10~13mm的不锈钢渣300g。用罗门哈斯强酸型树脂对工业用废酸吸附得HNO3溶液,向所得溶液中加入HNO3,调节溶液的pH为5.5。清洗后的树脂回收利用。用6000mL上述所得酸溶液对粒径8.0mm的不锈钢渣在超声波振荡器中进行酸浸,具体酸浸参数为:超声波震荡器功率300W,超声频率为32KHz,温度为50℃,浸出时间为110min,搅拌速度为350rpm。浸出后过滤掉滤渣,得到固化CO2初溶液。
步骤3:向步骤2所得溶液中加入NaOH,调节溶液pH为13,并向溶液中加入25g对苯二甲酸聚乙二醇酯-聚硅氧烷-氨基聚醚嵌段共聚物。所述对苯二甲酸聚乙二醇酯-聚硅氧烷-氨基聚醚嵌段共聚物的按下述方法制得:
将6.6克对苯二甲酸(0.04mol)与16克聚乙二醇800(0.02mol)加入反应器中,在氮气保护下,150℃反应12小时,得到对苯二甲酸聚乙二醇酯;向上述产物中加入100克氨基聚醚(分子量1000,0.1mol),360克环氧硅油(分子量3000,0.12mol),以异丙醇为介质,并加入适量的四丁基溴化铵,加热到85℃反应24小时,待反应结束即得到对苯二甲酸聚乙二醇酯-聚硅氧烷-氨基聚醚嵌段共聚物。
步骤4:将CO2体积含量为74%的冶金工业废气经过除尘,降温到69℃后,通入步骤3所得溶液中,溶液温度为70℃,气体流量为1L/min,通气时间为120min,搅拌速度370rpm。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸钙粉体。
步骤5:向步骤4所得富镁溶液中加入HNO3,调节溶液的pH值为10,此时溶液温度为45℃;继续向溶液中通入步骤4所得的冶金工业废气,气体流量为0.8L/min,通气时间为160min,搅拌速度为250rpm。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸镁粉体。
对步骤1所得的矿相重构后的不锈钢渣进行SEM-EDS和XRD检测分析。结果表明矿相重构后的不锈钢渣的主要物相为蔷薇辉石、硅酸二钙、钙镁黄长石、RO相及尖晶石相,且大量的Ca、Mg元素富集在蔷薇辉石、硅酸二钙、钙镁黄长石及RO相中,大量的Cr元素富集于尖晶石相中,少量Cr元素富集于钙镁黄长石及硅酸二钙相中。
采用化学滴定及ICP-OES检测法对步骤2所得溶液中各离子含量进行测定。结果表明,Ca元素的浸出率达94%,浸出液中全铬浓度<0.01mg/L,符合国内、国际含铬废弃物的排放标准。
对步骤4结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯CaCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的CaCO3为方形聚集体,边长约为350nm;同时伴有球状CaCO3的生成,直径约为0.6μm。通过化学计算分析浸出液中94%的Ca2+能与CO2反应生成CaCO3产品。
对步骤5结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯MgCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的MgCO3为棒状结构,其平均尺寸为6μm。通过化学计算分析浸出液中88%的Mg2+能与CO2反应生成MgCO3产品。
实施例6
步骤1:在AOD精炼不锈钢生产的出渣过程中,加入质量为不锈钢渣6%的Al2O3矿相重构剂,出渣结束后冷却到60℃。
步骤2:将矿相重构后的不锈钢渣机械破碎,选取粒径8~12mm的不锈钢渣300g。用罗门哈斯强酸型树脂对工业用废酸吸附得HCl+HF溶液,向所得溶液中加入HCl,调节溶液的pH为6。清洗后的树脂回收利用。用7500mL上述所得酸溶液对粒径8.0mm的不锈钢渣在超声波振荡器中进行酸浸,具体酸浸参数为:超声波震荡器功率320W,超声频率为35KHz,温度为60℃,浸出时间为80min,搅拌速度为460rpm。浸出后过滤掉滤渣,得到固化CO2初溶液。
步骤3:向步骤2所得溶液中加入CaO,调节溶液pH为13,并向溶液中加入40g间苯二磺酸聚乙二醇酯-聚硅氧烷-氨基聚醚嵌段共聚物。所述间苯二磺酸聚乙二醇酯-聚硅氧烷-氨基聚醚嵌段共聚物按下述方法制得:
将28.2g间苯二磺酸(0.1mol)与30g聚乙二醇600(0.05mol)加入反应器中,在氮气保护下,160℃反应10小时,得到间苯二磺酸聚乙二醇酯;向上述产物中加入100g氨基聚醚(分子量1000,0.1mol),540g环氧硅油(分子量3000,0.18mol),以乙醇为介质,并加入适量的四乙基溴化铵,加热到90℃反应40小时,待反应结束即得到间苯二磺酸聚乙二醇酯-聚硅氧烷-氨基聚醚嵌段共聚物。
步骤4:将CO2体积含量为80%的冶金工业废气经过除尘,降温到80℃后,通入步骤3所得溶液中,溶液温度为80℃,气体流量为1.2L/min,通气时间为100min,搅拌速度400rpm。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到纳米碳酸钙产品。
步骤5:向步骤4所得富镁溶液中加入HCl,调节溶液的pH值为11,此时溶液温度为70℃;继续向溶液中通入步骤4所得的冶金工业废气,气体流量为1L/min,通气时间为80min,搅拌速度为300rpm。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到超微细碳酸镁产品。
对步骤1所得的矿相重构后的不锈钢渣进行SEM-EDS和XRD检测分析。结果表明矿相重构后的不锈钢渣的主要物相为蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石、RO相及尖晶石相,且大量的Ca、Mg元素富集在蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石中,大量的Cr元素富集于尖晶石相中,极少部分Cr元素富集于钙铝黄长石相中。
采用化学滴定及ICP-OES检测法对步骤2所得溶液中各离子含量进行测定。结果表明:Ca元素的浸出率达95%,浸出液中全铬浓度<0.01mg/L,符合国内、国际含铬废弃物的排放标准。
对步骤4结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯CaCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的CaCO3为花状,沿花轴向中心有若干个花瓣组成,此条件下所得CaCO3直径约为0.7μm。通过化学计算分析浸出液中93%的Ca2+能与CO2反应生成CaCO3产品。
对步骤5结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯MgCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的MgCO3为球状结构,其平均尺寸约为2μm。通过化学计算分析浸出液中86%的Mg2+能与CO2反应生成MgCO3产品。
实施例7
步骤1:在转炉冶炼不锈钢生产的出渣过程中,加入质量为不锈钢渣1%MnO+1%MgO矿相重构剂,出渣结束后冷却到65℃。
步骤2:将矿相重构后的不锈钢渣机械破碎,选取粒径12~14mm的不锈钢渣300g。用罗门哈斯强酸型树脂对工业用废酸吸附得HCl+HF+HNO3溶液,向所得溶液中加入HCl,调节溶液的pH为4.5。清洗后的树脂回收利用。用9000mL上述所得酸溶液对不锈钢渣在超声波振荡器中进行酸浸,具体酸浸参数为:超声波震荡器功率350W,超声频率为37KHz,温度为65℃,浸出时间为70min,搅拌速度为500rpm。浸出后过滤掉滤渣,得到固化CO2初溶液。
步骤3:向步骤2所得溶液中加入NaOH,调节溶液pH为14,并向溶液中加入18g乙烯-丙烯酸共聚物。所述乙烯-丙烯酸共聚物按下述方法制得:
将1000质量份的去离子水、2.5质量份辛酸铵、10质量份适宜HLB值的非离子型表面活性剂正十六烷、30质量份的相对分子质量调节剂阿拉伯胶和6.5质量份的自由基引发剂过硫酸铵加入到反应釜中,通氮气除氧至氧含量3ppm,常温下高速搅拌细乳化;升温到80度的反应设定温度,并通入乙烯单体至设定压力3.0MPa,开始聚合,当釜内压力下降0.1MPa后,补充乙烯单体至设定压力,反复操作;当累计单体压降为6.3MPa时,停止补充乙烯单体,继续聚合至压力下降至1.5MPa,冷却至常温结束聚合,排除未反应乙烯单体,得到活性聚乙烯种子乳液;向活性聚乙烯种子乳液中加入100质量份的丙烯酸单体,在常温下搅拌分散、溶胀5h,升温至80度的反应设定温度继续聚合10h,离心分离、干燥得到聚乙烯-聚丙烯共聚物;将聚乙烯-聚丙烯共聚物溶解在甲醇和盐酸中得到质量浓度为15%的溶液,加入相对于甲醇和盐酸10%质量的浓度为50wt%的NaOH水溶液,在75度下水解2h,得到乙烯-丙烯酸共聚物。
步骤4将CO2体积含量为82%的冶金工业废气经过除尘,降温到60℃后,通入步骤3所得溶液中,溶液温度为70℃,气体流量为1.3L/min,通气时间为105min,搅拌速度450rpm。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到纳米碳酸钙粉体。
步骤5:向步骤4所得富镁溶液中加入HCl,调节溶液的pH值为11.5,此时溶液温度为60℃;继续向溶液中通入步骤4所得的冶金工业废气,气体流量为1.5L/min,通气时间为50min,搅拌速度为200rpm。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸镁粉体。
对步骤1所得的矿相重构后的不锈钢渣进行SEM-EDS和XRD检测分析。结果表明矿相重构后的不锈钢渣的主要物相为蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石、钙镁黄长石、RO相及尖晶石相,且大量的Ca、Mg元素富集在蔷薇辉石、硅酸二钙、钙镁黄长石中,大量的Cr元素富集于尖晶石相中,极少部分Cr元素富集于钙镁黄长石相中。
采用化学滴定及ICP-OES检测法对步骤2所得溶液中各离子含量进行测定。结果表明,Ca元素的浸出率达96%,浸出液中全铬浓度<0.01mg/L,符合国内、国际含铬废弃物的排放标准。
对步骤4结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯CaCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的CaCO3为边长为0.8μm的方形聚集体,每一个方形体呈层状堆积结构。通过化学计算分析浸出液中93%的Ca2+能与CO2反应生成CaCO3产品。
对步骤5结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯MgCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的MgCO3为球状结构,其平均尺寸为2μm。通过化学计算分析浸出液中82%的Mg2+能与CO2反应生成MgCO3产品。
实施例8
步骤1:在转炉冶炼不锈钢生产的出渣过程中,加入质量为不锈钢渣为7%MnO+5%MgSO4+2%Al2O3矿相重构剂,出渣结束后冷却到70℃。
步骤2:将矿相重构后的不锈钢渣机械破碎,选取粒径15.0mm的不锈钢渣300g。用罗门哈斯强酸型树脂对工业用废酸吸附得HF溶液,向所得溶液中加入HF,调节溶液的pH为3.5,清洗后的树脂回收利用。用10L上述所得酸溶液对不锈钢渣在超声波振荡器中进行酸浸,具体酸浸参数为:超声波震荡器功率400W,超声频率为40KHz,温度为90℃,浸出时间为140min,搅拌速度为450rpm。浸出后过滤到滤渣,得到固化CO2初溶液。
步骤3:向步骤2所得溶液中加入KOH,调节溶液pH为4.8,并向溶液中加入150g聚环氧乙烷-丁二烯/异戊二烯/苯乙烯的二嵌段共聚物。所述聚环氧乙烷-丁二烯/异戊二烯/苯乙烯的二嵌段共聚物按下述方法制得:
在2L带有搅拌的不锈钢反应釜中,加入1.2L环己烷、四氢呋喃6mL、10g丁二烯、70g异戊二烯、10g苯乙烯,打开搅拌,升温到50℃,用注射器注入正丁基锂的环己烷溶液,丁基锂用量为1×10-3mol,聚合90分钟后加入三异丁基铝的环己烷溶液,三异丁基铝的用量为与正丁基锂摩尔比为10:1,5分钟后加入10g环氧乙烷,聚合40分钟后加入水终止反应,将聚合物用无水乙醇沉降,干燥至恒重,得到含聚环氧乙烷嵌段的极性化丁二烯/异戊二烯/苯乙烯共聚物。
步骤4:将CO2体积含量为83%的冶金工业废气经过除尘,降温到65℃后,通入步骤3所得溶液中,溶液温度为70℃,气体流量为1.5L/min,通气时间为90min,搅拌速度410rpm。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸钙粉体。
步骤5:向步骤4所得富镁溶液中加入KOH,调节溶液的pH值为6.5,此时溶液温度为85℃;继续向溶液中通入步骤4所得的冶金工业废气,气体流量为0.9L/min,通气时间为160min,搅拌速度为400rpm。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸镁粉体。
对步骤1所得的矿相重构后的不锈钢渣进行SEM-EDS和XRD检测分析,如图6所示。结果表明矿相重构后的不锈钢渣的主要物相为蔷薇辉石、硅酸二钙、RO相及尖晶石相,且大量的Ca、Mg元素富集在蔷薇辉石、硅酸二钙及RO相中,全部Cr元素富集于尖晶石相中。
采用化学滴定及ICP-OES检测法对步骤2所得溶液中各离子含量进行测定。结果表明,Ca元素的浸出率达92%,浸出液中全铬浓度<0.01mg/L,符合国内、国际含铬废弃物的排放标准。
对步骤4结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯CaCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的CaCO3为多孔花状结构,直径为0.7nm。通过化学计算分析浸出液中94%的Ca2+能与CO2反应生成CaCO3产品。
对步骤5结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯MgCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的MgCO3为菱面体状结构,其平均尺寸为3μm。通过化学计算分析浸出液中88%的Mg2+能与CO2反应生成MgCO3产品。
实施例9
步骤1:在电炉冶炼不锈钢生产的出渣过程中,加入质量为不锈钢渣12%Al2O3矿相重构剂,出渣结束后冷却到80℃。
步骤2:将矿相重构后的不锈钢渣机械破碎,选取粒径16~18.0mm的不锈钢渣300g。用罗门哈斯强酸型树脂对工业用废酸吸附得HCl溶液,向所得溶液中加入HCl,调节溶液的pH为2.5。清洗后的树脂回收利用。用12L的上述所得酸溶液对不锈钢渣在超声波振荡器中进行酸浸,具体酸浸参数为:超声波震荡器功率430W,超声频率为22KHz,温度为80℃,浸出时间为120min,搅拌速度为350rpm。浸出后过滤掉滤渣,得到固化CO2初溶液。
步骤3:向步骤2所得溶液中加入NH4OH,调节溶液pH为3.5,并向溶液中加入179g苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。所述苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物二嵌段共聚物按下述方法制得:
在10L聚合釜中,用氮气压入4.42kg环己烷、125g苯乙烯和四氢呋喃,四氢呋喃与有效正丁基锂的摩尔比为0.15。加热升温,加入正丁基锂破杂,当体系由无色至淡黄色不变时,体系杂质已清除。然后在60℃下后迅速加入3.6mL有效正丁基锂溶液,正丁基锂溶液的摩尔浓度为2.43mol/L,引发聚合30min;一段聚合完成后,然后用氮气压入583g丁二烯到聚合釜中,反应35min;在相同的温度下用氮气压入125g苯乙烯,继续反应30min,然后加入1.4mL环氧丙烷,反应15min,再加入2mL环氧氯丙烷,反应15min,用1.5mL乙醇终止,加入按聚合终产物质量计量,加入质量百分比为0.6%的防老剂2,6-二叔丁基对甲酚。聚合完成后将反应产物进行气提,除去环己烷,再将产品干燥,即得到苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。
步骤4:将CO2体积含量为78%的冶金工业废气经过除尘,降温到90℃后,通入步骤3所得溶液中,溶液温度为95℃,气体流量为0.8L/min,通气时间为165min,搅拌速度430rpm。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸钙粉体。
步骤5:向步骤4所得富镁溶液中加入NH4OH,调节溶液的pH值为7.6,此时溶液温度为90℃;继续向溶液中通入步骤4所得的冶金工业废气,气体流量为1.8L/min,通气时间为100min,搅拌速度为350rpm。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸钙粉体。
对步骤1所得的矿相重构后的不锈钢渣进行SEM-EDS和XRD检测分析。结果表明矿相重构后的不锈钢渣的主要物相为蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石、钙镁黄长石、RO相及尖晶石相,且大量的Ca、Mg元素富集在蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石和钙镁黄长石相中,大量的Cr元素富集于尖晶石相中,极少部分Cr元素富集于蔷薇辉石及钙镁黄长石相中。
采用化学滴定及ICP-OES检测法对步骤2所得溶液中各离子含量进行测定。结果表明,用废弃HCl溶液对不锈钢渣浸出,Ca元素的浸出率达93%,浸出液中全铬浓度<0.01mg/L,符合国内、国际含铬废弃物的排放标准。
对步骤4结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯CaCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的CaCO3为螺旋状结构,其平均尺寸为3μm。通过化学计算分析浸出液中90%的Ca2+能与CO2反应生成CaCO3产品。
对步骤5结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯MgCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的MgCO3为棒状结构,其平均尺寸为9μm。通过化学计算分析浸出液中85%的Mg2+能与CO2反应生成MgCO3产品。
实施例10
步骤1:在AOD冶炼不锈钢生产的出渣过程中,加入质量为不锈钢渣为1%MnO+1%Al2O3矿相重构剂,出渣结束后冷却到90℃。
步骤2:将矿相重构后的不锈钢渣机械破碎,选取粒径17~20mm的不锈钢渣300g。用罗门哈斯强酸型树脂对工业用废酸吸附得HNO3溶液,向所得溶液中加入HNO3,调节溶液的pH为3。清洗后的树脂回收利用。用13L上述所得酸溶液对不锈钢渣在超声波振荡器中进行酸浸,具体酸浸参数为:超声波震荡器功率480W,超声频率为26KHz,温度为100℃,浸出时间为180min,搅拌速度为300rpm。浸出后过滤掉滤渣,得到固化CO2初溶液。
步骤3:向步骤2所得溶液中加入CaO,调节溶液pH为4.8,并向溶液中加入300g丁二烯嵌段共聚物。所述丁二烯嵌段共聚物按下述方法制得:
用高纯氮气多次置换5升聚合反应器,直至整个反应体系的氧气含量低于5ppm。在高纯氮气的保护下依次向釜内加入1800g环己烷(事先用分子筛浸泡30天以上,水含量小于10ppm)、80mmol的N,N-二甲基四氢糠胺和270g丁二烯,并用循环水浴加热反应器内溶液至40℃,加入21mL正丁基锂的环己烷溶液(正丁基锂浓度为0.52mol·L-1,)引发聚合反应,20min后丁二烯转化率为99%,取样测试微观结构,然后加入二乙基锌的己烷溶液40mL(二乙基锌浓度为1.0mol·L-1),10min后加入500g丁二烯继续聚合反应,控制体系温度为50~90℃,2h后加入1,8-二溴辛烷的环己烷溶液5.5mL(1,8-二溴辛烷浓度为1.0mol·L-1),20min后加入0.2g异丙醇,5min后加入1.5g复合抗氧剂(抗氧剂1520与抗氧化剂1076的重量比为1:1,),搅拌均匀后高温水蒸气凝聚除去环己烷,真空烘箱干燥至挥发分小于1重量%,得到丁二烯嵌段聚合物。
步骤4:将CO2体积含量为85%的冶金工业废气经过除尘,降温到89℃后,通入步骤3所得溶液中,溶液温度为90℃,气体流量为1.8L/min,通气时间为45min,搅拌速度480rpm。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸钙粉体。
步骤5:向步骤4所得富镁溶液中加入CaO,调节溶液的pH值为7.8,此时溶液温度为80℃;继续向溶液中通入步骤4所得的冶金工业废气,气体流量为1.7L/min,通气时间为20min,搅拌速度为110rpm。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到超微细碳酸镁粉体。
对步骤1所得的矿相重构后的不锈钢渣进行SEM-EDS和XRD检测分析。结果表明矿相重构后的不锈钢渣的主要物相为蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石、RO相及尖晶石相,且大量的Ca、Mg元素富集在蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石中,大量的Cr元素富集于尖晶石相中,极少部分Cr元素富集于钙铝黄长石相中。
采用化学滴定及ICP-OES检测法对步骤2所得溶液中各离子含量进行测定。结果表明,Ca元素的浸出率达91%,浸出液中全铬浓度<0.01mg/L,符合国内、国际含铬废弃物的排放标准。
对步骤4结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯CaCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的CaCO3为花状及花生状的聚集体,尺寸大约为0.6μm。通过化学计算分析浸出液中93%的Ca2+能与CO2反应生成CaCO3产品。
对步骤5结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯MgCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的MgCO3为球状结构,其平均尺寸为3μm。通过化学计算分析浸出液中89%的Mg2+能与CO2反应生成MgCO3产品。
实施例11
步骤1:在AOD冶炼不锈钢生产的出渣过程中,加入质量为不锈钢渣5%MnO+4%Al2O3+3%MgO矿相重构剂,出渣结束后冷却到100℃。
步骤2:将矿相重构后的不锈钢渣机械破碎,选取粒径17~20mm的不锈钢渣300g。用罗门哈斯强酸型树脂对工业用废酸吸附得HNO3溶液,向所得溶液中加入HNO3,调节溶液的pH为4。清洗后的树脂回收利用。用15L上述所得酸溶液对不锈钢渣在超声波振荡器中进行酸浸,具体酸浸参数为:超声波震荡器功率500W,超声频率为40KHz,温度为100℃,浸出时间为30min,搅拌速度为100rpm。浸出后过滤掉滤渣,得到固化CO2初溶液。
步骤3:向步骤2所得溶液中加入CaO,调节溶液pH为12.5,并向溶液中加入750g聚乙二醇-聚丙烯酸丁酯共聚物。所述聚乙二醇-聚丙烯酸丁酯共聚物按下述方法制得:
将丙烯酸丁酯单体纯化后,进行聚合反应组分配制,丙烯酸丁酯、PEO1000-Br、溴化亚铁摩尔比为100:1:1,丙烯酸丁酯和苯甲醚的体积比为1:1。配制过程为:在手套箱中称取0.0601g溴化亚铁和0.2297g大分子引发剂PEO1000-Br放入25mL茄形瓶中,用针管取4mL苯甲醚和4mL丙烯酸丁酯单体加入到茄形瓶中,磁力搅拌10分钟后得到预反应混合液。将茄形瓶中的预反应混合液转移到加热装置中,控制反应温度为60℃;聚合反应时间到9小时后,用注射器从反应器中取出一定量的混合物倒入烧瓶用冷水冷却停止反应,除去未反应的单体,溶剂以及催化剂,用2~5mL四氢呋喃将产物溶解、通过200~300目的中性氧化铝柱子除掉催化剂,干燥得到聚乙二醇-聚丙烯酸丁酯产物。
步骤4:将CO2体积含量为86%的冶金工业废气经过除尘,降温到98℃后,通入步骤3所得溶液中,溶液温度为100℃,气体流量为1.9L/min,通气时间为30min,搅拌速度490rpm。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸钙粉体。
步骤5:向步骤4所得富镁溶液中加入CaO,调节溶液的pH值为10.5,此时溶液温度为95℃;继续向溶液中通入步骤4所得的冶金工业废气,气体流量为1.9L/min,通气时间为20min,搅拌速度为130rpm。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸镁粉体。
对步骤1所得的矿相重构后的不锈钢渣进行SEM-EDS和XRD检测分析。结果表明矿相重构后的不锈钢渣的主要物相为蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石、钙铝黄长石、RO相及尖晶石相,且大量的Ca、Mg元素富集在蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石及钙镁黄长石相中,大量的Cr元素富集于尖晶石相中,极少部分Cr元素富集于钙镁黄长石及钙铝黄长石相中。
采用化学滴定及ICP-OES检测法对步骤2所得溶液中各离子含量进行测定。结果表明,Ca元素的浸出率达97%,浸出液中全铬浓度<0.01mg/L,符合国内、国际含铬废弃物的排放标准。
对步骤4结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯CaCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的CaCO3为方形聚集体,每一个方形体呈层状堆积结构,所得CaCO3的边长约为0.8nm。通过化学计算分析浸出液中96%的Ca2+能与CO2反应生成CaCO3产品。
对步骤5结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯MgCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的MgCO3为片状结构,其平均尺寸为2μm。通过化学计算分析浸出液中85%的Mg2+能与CO2反应生成MgCO3产品。
实施例12
步骤1:在AOD冶练不锈钢生产的出渣过程中,加入质量为不锈钢渣2%MgO+3%Al2O3矿相重构剂,出渣结束后冷却到95℃。
步骤2:将矿相重构后的不锈钢渣机械破碎,选取粒径17~20mm的不锈钢渣300g。用罗门哈斯强酸型树脂对工业用废酸吸附得HNO3溶液,向所得溶液中加入HNO3,调节溶液的pH为5.5。清洗后的树脂回收利用。用14L上述所得酸溶液对不锈钢渣在超声波振荡器中进行酸浸,具体酸浸参数为:超声波震荡器功率700W,超声频率为37KHz,温度为100℃,浸出时间为60min,搅拌速度为300rpm。浸出后过滤掉滤渣,得到固化CO2初溶液。
步骤3:向步骤2所得溶液中加入KOH,调节溶液pH为13,并向溶液中加入320g聚乙二醇-聚丙烯酸共聚物。所述聚乙二醇-聚丙烯酸共聚物按下述方法制得:
将丙烯酸单体纯化后,进行聚合反应组分配制,丙烯酸、PEO10000-Br、溴化亚铜摩尔比为200:1:1,丙烯酸和二苯醚的体积比为4:1。配制过程为:在手套箱中称取0.0419g溴化亚铁和2.003g大分子引发剂PEO10000-Br放入25ml茄形瓶中,用针管取1mL二苯醚和4mL丙烯酸单体加入到茄形瓶中,磁力搅拌10min后得到预反应混合液。将茄形瓶中的预反应混合液转移到加热装置中,控制反应温度为60℃;聚合反应达到4小时后,用注射器从反应器中取出一定量的混合物倒入烧瓶用冷水冷却停止反应,除去未反应的单体,溶剂以及催化剂,用2~5mL四氢呋喃将产物溶解、通过200~300目的中性氧化铝柱子除掉催化剂,干燥得到聚乙二醇-聚丙烯酸产物。
步骤4:将CO2体积含量为84%的冶金工业废气经过除尘,降温到97℃后,通入步骤3所得溶液中,溶液温度为98℃,气体流量为2L/min,通气时间为40min,搅拌速度500rpm。用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸钙粉体。
步骤5:向步骤4所得富镁溶液中加入HNO3,调节溶液的pH值为11.5,此时溶液温度为90℃;继续向溶液中通入步骤4所得的冶金工业废气,气体流量为2L/min,通气时间为20min,搅拌速度为140rpm,通气的同时开始搅拌,搅拌5min。通气结束后用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,将固体产物分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤数次,自然干燥后得到碳酸镁粉体。
对步骤1所得的矿相重构后的不锈钢渣进行SEM-EDS和XRD检测分析。结果表明矿相重构后的不锈钢渣的主要物相为蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石、RO相及尖晶石相,且大量的Ca、Mg元素富集在蔷薇辉石、硅酸二钙、钙铝黄长石中,大量的Cr元素富集于尖晶石相中,极少部分Cr元素富集于蔷薇辉石及钙铝黄长石相中。
采用化学滴定及ICP-OES检测法对步骤2所得溶液中各离子含量进行测定。结果表明,Ca元素的浸出率达95%,浸出液中全铬浓度<0.01mg/L,符合国内、国际含铬废弃物的排放标准。
对步骤4结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯CaCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的CaCO3为方形聚集体,边长约为0.9μm。通过化学计算分析浸出液中95%的Ca2+能与CO2反应生成CaCO3产品。
对步骤5结果进行SEM-EDS和XRD检测分析。XRD结果分析表明所得的固体物质为纯MgCO3,经过扫面电镜及能谱分析可发现,在此条件下制得的MgCO3为球状结构,其平均尺寸约为2.5μm。通过化学计算分析浸出液中86%的Mg2+能与CO2反应生成MgCO3产品。
Claims (10)
1.一种利用不锈钢冶炼废弃物制备碳酸盐粉体的方法,其特征在于:所述方法按如下步骤进行:
(1)在不锈钢冶炼生产的出渣过程中,向不锈钢冶炼渣中加入矿相重构剂,出渣结束后,冷却到100℃以下待用;
(2)将步骤(1)所得的矿相重构不锈钢冶炼渣进行机械破碎,用冶金废酸溶液在超声波振荡器中进行离子浸出,过滤,滤液为固化CO2初溶液;
(3)向步骤(2)所得CO2固化初溶液中加入pH调节剂,使溶液的pH值为:3≤pH<6或12≤pH≤14,并向溶液中加入结构导向剂;
(4)向步骤(3)所得溶液通入含有CO2的冶金废气,待反应一段时间后,得含有沉淀物的溶液,停止通气;用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,得到固体产物及富镁溶液;将固体产物进行洗涤,干燥,得碳酸钙粉体;
(5)向步骤(4)所得富镁溶液中加入pH调节剂,使溶液的pH值范围为6≤pH<12,并向溶液中继续通入含有CO2的冶金废气,待反应一段时间后,得含有沉淀物的溶液,停止通气;用离心机对所得溶液进行沉淀离心分离,得到固体产物;将固体产物进行洗涤,干燥,得碳酸镁粉体。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤(1)中,所述不锈钢冶炼渣为AOD精炼渣、转炉渣或电炉渣;所述矿相重构剂为MnO、MgO或Al2O3中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于:
当不锈钢冶炼渣为转炉渣、电炉渣或AOD渣时,加入MnO、MgO或Al2O3中的一种,其用量为不锈钢冶炼渣质量的1%~12%;当矿相改质剂选为MnO、MgO或Al2O3中的两种或两种以上时,其用量为不锈钢冶炼渣质量的2%~14%。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,所述冶金废酸溶液按下述方法制得:将冶金工业废酸利用罗门哈斯强酸型树脂进行阴离子吸附,使得冶金工业废酸中的盐与酸分离,然后将阻滞在树脂内的酸用蒸馏水洗涤,洗涤后的酸溶液调节其pH范围为2~6,所得冶金废酸溶液为HCl、HNO3和HF中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤(2)的中,浸出条件为:浸出温度为20~100℃,浸出时间为30~180min,超声波震荡功率为100~700W,超声频率为20~40KHz;矿相重构不锈钢渣与冶金废酸溶液的固液比为1:10~50g/mL,搅拌速度为100~500rpm。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤(3)中,所述结构导向剂为至少含烯烃、烷烃、醇基和有机酸中的一种或几种单元所形成的共聚物;且结构导向剂的质量与溶液的体积比为1~20:1000g/mL。
7.根据权利要求1所述方法:其特征在于:所述步骤(4)与步骤(5)中,所述冶金废气中CO2体积含量大于10%。
8.根据权利要求7所述方法:其特征在于:将冶金废气经过除尘及降温处理,当废气中无SO2气体时,其降温温度范围为:<100℃;当冶金废气包括SO2的有毒气体,其中降温温度范围为:-10℃~-70℃。
9.根据权利要求1所述方法:其特征在于:所述步骤(4)中,通入冶金废气制备碳酸钙粉体的具体条件为:通入冶金废气的气体流量为:0.05~2L/min,通入冶金废气的时间为20~180min,搅拌速度100~500rpm,反应温度为20~100℃。
10.根据权利要求1所述方法:其特征在于:所述步骤(5)中,通入冶金废气制备碳酸镁粉体的具体条件为:通入冶金废气的气体流量为:00.05~2L/min,通入冶金废气的时间为20~180min,搅拌速度100~500rpm,反应温度为20~100℃。
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