摘要：钢渣作为钢铁生产的主要固体废弃物，由于产生量较大，成分复杂，直接排放将对环境造成严重影响，加强钢渣综合利用的研究对消除其对环境的污染具有积极意义，本文通过总结近年来钢渣在污水治理方面的研究发展情况，为环境管理部门和环境保护工作者提供有益的参考。
关键词：钢渣；吸附；污水处理
近年来，随着经济的飞速发展，工业化进程加快，废水尤其是工业废水的排放量日益增多，废水成分复杂、很多组分难降解、排放量大，主要许多重金属离子（Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+等）、难降解有机物（苯酚、氯苯酚、农药、多环芳烃、染料及其腐殖酸等），排放量较大而且难处理。目前，国内处理废水的方法主要有（1）中和沉淀法（2）化学沉淀法（3）氧化还原法（4）电解法（5）生物法（6）离子交换法（7）吸附法等等，吸附法作为一种重要的化学物理方法,由于工艺简单，成本较低，操作方便，在废水处理中已有广泛应用。吸附剂的种类很多，可分为无机的和有机的，天然的和合成的。目前常用的吸附剂有活性炭、活性氧化铝、沸石等等，众所周知，活性炭是应用最早、用途最广的吸附剂，它由各种含碳物质，如煤、木材、石油焦、果壳、果核等碳化后，再用水蒸气或化学药品进行活化处理制成的孔隙发达的吸附剂。活性炭虽然性能优良，但像工业用活性炭这类的吸附剂由于耗用大量优质原材料，生产成本高，价格比较昂贵等问题，限制了它的广泛应用。所以环境工程界越来越重视廉价高效替代技术的研究及其实际工程的应用。开发廉价、高效水处理吸附剂将是吸附研究的一个重要方面，同时吸附剂的再生和二次污染也是吸附法处理废水中应该着重考虑的问题。
钢渣是炼钢生产的副产品，是在炼钢时加入石灰石、白云石和铁矿石等冶炼溶剂以及造渣材料石灰后，从高温下融化成两个互不熔解的液相炉料中分离出来的杂质。钢渣基本呈黑灰色，外观像结块的水泥熟料，其中夹带一些Fe粒，硬度大，密度为1700～2000kg/m3，钢渣的主要化学成分有：CaO、SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、MgO、P2O5、fCaO等。钢渣的性质随化学成分的变化而变化，碱度较低的钢渣呈灰色，碱度较高的钢渣呈褐灰色，钢渣块松散不粘结，质地坚硬密实，孔隙较少。世界各国的冶金工业，每生产1t粗钢都会排放约130kg的钢渣、40kg含铁粉渣及其它废料，全世界每年排放钢渣量约1~1.5亿t。2006年，我国的钢产量达到了4.5亿t，钢渣产量约为0.7亿t，且每年仍以数百万吨的排渣量递增，据不完全统计，我国钢渣的利用率仅约20%[1]。长期以来钢渣作为废物被抛弃，不仅占用大量土地并且污染环境，造成资源浪费。因而如何有效的利用这些钢渣既能带来经济效益，又能起到很好的环境保护就成了当前钢渣研究的重要课题。
钢渣用作冶炼熔剂，可以回收渣中的钙、镁、锰、钒、铁的氧化物和稀有元素等有效成分,收到节约大量石灰石和莹石、降低焦化、提高利用系数、降低成本等经济效果，世界几个产钢大国一直坚持利用钢渣返高炉、烧结、化铁炉作熔剂。钢渣还可以用来做水泥原料、筑路材料、市政工程材料。钢渣碎石具有密度大、强度高、表面粗糙不易滑移、抗压强度高、稳定性好、与沥青结合牢固的特点，因此广泛用于各种路基材料、工程回填等方面。一些国家加强开发高炉渣微粉磨细设备，使高炉渣微粉化，微粉高炉渣可根据不同用途，与水泥任意配比，为多种高炉渣的高效应用开辟出新的途径。钢渣用作农肥和酸性土壤改良剂，钢渣里P、Si、Fe等元素有利于植物生长，Ca、Mg等可以改良酸性土壤[2]。
由于钢渣具有一定的碱性和较大的比表面积,并含有与酸盐亲和力较强的Ca和Fe，对废水中的污染物有吸附和化学沉淀作用。因此可考虑用于吸附处理废水。20世纪90年代中期先后报道了钢渣作为吸附剂对废水中的镍、铅、铜等重金属离子的吸附行为，以及在处理染料废水、造纸废水中的应用。所有这些研究都表明，钢渣是一种较好的环保吸附材料，而且钢渣处理废水，以废治废，变废为宝具有较好的发展前景。钢渣在废水处理方面有明显的优势，主要表现在：
1、钢渣去除无机非金属离子
国外20世纪80年代就开始了钢渣除磷的研究，钢渣吸附去除废水中的硝酸盐、磷酸盐的特性等。郑礼胜[3]等用钢渣处理含砷废水进行了试验,结果表明,在废水pH=1.5～9.0、ρ(As)(Ⅲ)为10～200mg/L、As(Ⅲ)/钢渣为1/2000(质量比)的条件下，砷的去除率达98%以上。M．S．Rahaman等人[4]实验表明，在不同的pH下，As(V)可能以不同的形式存在H2AsO4(pH0.0-2.0)，H2AsO4-(pH2.0-7.0)，HAsO42-(pH7.0-12.0)，AsO43-(pH12.0-14.0)。通过SEM和XRD分析其结构和特性，结果表明酸化后的红泥表面积较大，而Fe2+降低，Ca2+增加。在pH为6时达到了65.5mg/g的吸附量。随着pH的降低吸附量增加，说明在pH较低时，较少的OH-与其As竞争吸附位。Yamada等[5]研究高炉废渣的吸附除磷，在pH>8时主要以化学沉淀为主形成了磷酸钙的沉淀使磷快速而较大的去除，在pH<6时主要以吸附为主。通过XRD图在吸附前和吸附后的比较可以看出在吸附过程中形成了（CaHPO4.2H2O），磷的吸附容量不仅与炉渣的钙、铝、镁、硅含量以及炉渣孔隙率呈正相关，而且随温度升高增加，主要是由于随着温度的升高，FePO4，AlPO4和Ca3(PO4)2溶解浓度升高，化学沉淀作用减弱而静电物理作用加强。邓雁希等人[6]用钢渣处理含磷废水，当废水中磷浓度为10mg/L,pH=7.50～7.60、钢渣的用量5g/L时，在1h内就可使残留液浓度降低到0.1mg/L以下，去除率达到99%以上。
2、钢渣去除重金属离子
废水中重金属污染物主要指生物毒性显著的汞、铅、铬、镉、铜、锌、镍、锡等，多数重金属废水来自矿山、冶炼、电解、电镀等工业，水中的重金属不能被生物降解，是对环境及人类危害最为严重的废水，各种形态间还能相互转化及迁移，并在环境中发生富集作用，严重污染地表水和地下水，造成全球可利用水资源总量急剧下降，而且使土壤中重金属含量增加，抑制植物的生长发育，降低产量，并通过根系进入植物体，然后通过食物链传递和富集，最终危害对人体健康。
钢渣经粉碎后有较大的比表面积，同时还具有活性基团，有一定的吸附作用，钢渣的吸附作用主要有物理吸附和化学吸附，物理吸附由钢渣的多孔性和比表面积决定，比表面积越大，吸附效果越好；化学吸附为：静电吸附、表面配合、阳离子交换、沉淀作用。从钢渣对含铬废水处理的研究获知[7-11]:钢渣对Cr3+有较强的去除作用,对质量浓度在400mg/L以内的含铬废水，按铬/钢渣重量比1/35投加钢渣进行处理，铬去除率达99%以上，处理后的废水达到排放标准。对于Cr3+、Cr6+共存的含铬废水，需首先用硫酸亚铁进行还原，而后的处理方法与处理效果Cr3+废水的处理完全相同。该方法对酸度适应范围宽，可直接处理pH=2.5～12范围内的含铬废水。张从军[12]等用钢渣对Cu2+的吸附，结果表明震荡时间、溶液pH值、钢渣粒径和反应温度均对Cu2+的去除率有影响Cu2+的去除主要通过四种方式：即静电吸附（钢渣表面因带负电荷而对溶液中的阳离子产生静电吸附）、表面配合（钢渣颗粒表面的硅、铝、铁的氧化物表面离子的配位不饱和，在水溶液中与水配位，水发生离解吸附而形成羟基化基团，该基团能够与金属阳离子生成表面配合物）、阳离子交换（溶液PH较低时，钢渣表面将吸附部分H+，吸附质可与H+发生阳离子交换作用而被吸在钢渣表面）、沉淀作用（钢渣溶液呈碱性，可与金属离子形成氢氧化物沉淀而被除去），当溶液初始浓度为50mg/L、pH=6.5，振荡时间为240min，钢渣投加量为5g/L，钢渣粒径为0.09～0.15mm，反应温度为30oC，钢渣对Cu2+的去除率超过99%。Do-HyungKim[13]实验表明对于不同的钢渣组分，Langmuir等温线的最大吸附容量分别为17.4mg/g、7.2mg/g、6.2mg/g。PH增加吸附能力增加，pH=1.0时，以吸附为主，pH=3.0，吸附和沉淀共存，而pH>5.0，形成Cu（OH）2，吸附动力学符合三个动力学校模型：一级动力学模型、二级动力学模型、内扩散模型。
3、钢渣对染料废水的去除
谢复青等[14]研究了钢渣对碱性品红染料的吸附性能、影响因素以及微波对吸附在钢渣——焦炭上的染料的降解作用。实验表明，在中性条件下，钢渣对碱性品红具有优良的吸附性能,饱和吸附量可达到42.4mg/g。以钢渣处理质量浓度为100mg/L的碱性品红溶液，当固液质量比为1：50，振荡吸附1h后，染料溶液脱色率达97%。实验还表明，焦炭可吸收微波产生高温，用钢渣——焦炭混合物(质量比1：1)吸附染料后，以微波辐照可使物料达到665℃的高温,吸附的染料降解。吸附剂再生后重复使用4次,脱色率都达到95%以上。谢复青等[15]以结晶紫溶液模拟阳离子染料废水,研究了钢渣对染料的吸附性能及其影响因素。结果表明,在碱性条件下,钢渣对结晶紫不仅吸附速率快,而且吸附容量大。利用钢渣对染料的吸附特性和焦炭吸收微波产生高温的性能,提出了以钢渣/焦炭吸附—微波降解处理阳离子染料废水[16]的新方法。该方法简单有效,成本低廉,具有良好的应用前景。
4、总结
钢渣也是由于其特殊的结构，作为一种新型的吸附剂主要用于处理磷、镍、铬、砷、铅等废水及其他污染物，尤其在废水处理方面有明显的优势。主要表现在：吸附性能优异，速度快，吸附过程彻底，对重金属离子适应范围广；易于固液分离，简化吸附后处理工艺，操作简单；钢渣性能稳定，无毒害作用；变废为宝、以废治废、社会、经济和环保效益显著；来源广泛，价格低廉，降低处理成本。但是最明显的缺陷是钢渣的利用率与发达国家相比还相差甚远，特别是新领域的开拓和新技术的开发，进一步加强对钢渣基本物性的深入了解，加强钢渣预处理技术研究及其在废水处理方面的吸附原理研究等等。但要将它用于大规模的污水处理工程,实现产业化应用,尚需在过程开发和技术转化方面不断探索,组织合理的工艺流程,选定适当的设备和构筑物,为矿物材料对废水处理的工业化应用提供广阔的发展空间。
参考文献
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