作者单位：中南大学矿物加工与生物工程学院

摘要：钢渣的丰富资源使其成为通过矿物碳化进行长期 COstore 的有趣前景。本文研究了钢渣在乙酸 （HAc） 溶液中的溶解以及 COin 在钢渣渗滤液中的固定以合成高价值的 CaCO。结果表明，微波水浴条件有利于提高钢渣中 Ca 和 Mg 元素的浸出速率，而低浓度 HAc 溶液对 Ca + Mg 表现出高选择性。在微波增强的水浴反应中，可以通过提高反应温度、延长浸出时间、降低 HAc 溶液浓度和增加搅拌速率来提高 Ca + Mg 的浸出速率和选择性。钙元素的动力学参数（包括表观活化能）为 14.51 kJ⋅mol，表明通过表面化学反应进行控制。最后，通过在渗滤液中引入 20% 的 CO，可以在 400 W 超声条件下合成高纯度 CaCO晶须，反应温度为 70 °C，反应时间为 15 分钟，溶液 pH 值为 9.1。该策略促进了稀烟气和大量固体钢渣废料的并行利用，从而提高了钢铁行业的经济和环境绩效。

关键词：钢渣 微波增强 浸出动力学 固定晶须CaCO

简介：由于CO排放在推动气候变化方面发挥着重要作用，因此CO排放量的增加，加上自前工业化时代以来气温上升了约1.0°C至1.5 °C，已成为一个紧迫的全球性问题[1–2]。然而，用于能源生产、运输和工业活动而燃烧煤、石油和天然气等化石燃料仍然是 CO排放的主要来源 [3,4]。令人不安的是，大气中二氧化碳的持续释放导致了温室效应，导致全球变暖，从而对生态系统和人类健康产生负面影响[5–6]。因此，当务之急是探索和推进减少二氧化碳排放的高效技术。

CCUS（碳捕获、利用和储存）技术是一种关键的碳减排技术，旨在捕获和利用 CO，同时对其进行长期安全储存，从而有效减少排放到大气层。尽管如此，传统的CCUS技术面临着高成本、地质储存限制和运输过程中的安全问题等挑战[7–11]。为了克服这些障碍，已经提出了新兴的方法，例如钙镁矿物和废渣的碳化。钙镁矿物的碳化涉及富含镁和钙的矿物与 CO 的自然反应，从而形成稳定的碳酸盐化合物。该技术不仅可以长期储存 CO，还可以促进转化为高价值的矿物产品，例如具有不同粒径和形态的 CaCO[12]。另一方面，含有钙和镁成分的工业固体废物可以通过矿化永久封存工业过程中产生的二氧化碳排放。这种方法不仅可以减少废物排放和对自然资源的依赖，还可以将废渣转化为有价值的产品，从而减少二氧化碳排放。例如，钢铁厂排放的 CO 可以发生化学与钢渣废料中发现的钙镁矿物反应。这种反应最终产生了耐用的碳酸盐产品，同时解决了与钢渣的不稳定和资源利用受限相关的问题。

钢渣的碳化方法主要包括直接法和间接法。直接方法涉及 CO与钢渣的直接反应，形成碳酸盐化合物。然而，这种方法需要高温和高压，导致大量能源消耗、复杂操作和缓慢的反应速率。相比之下，间接方法包括在溶液环境中引入浸出剂，如强酸[13–16]、弱酸[17–20]或铵盐[21,22]，以从钢渣中提取钙和镁元素。然后利用富含钙镁的溶液来封存 CO 并生产碳酸盐产品。间接方法提供更温和的反应条件、更简单的操作、更容易控制碳酸化产物和更高的碳酸化效率。理论上，每吨钢渣可以潜在地固定 240-580 公斤的 CO[23-25]。然而，浸出过程中目前存在挑战，包括浸出剂成本高、对钢渣中各种元素的浸出选择性差，以及使用与铵盐浸出剂相关的弱酸难以实现完全浸出。

Hong等[26]利用生物质废弃物中提取的有机酸作为增强剂（如HAc、丙酸、丁酸和戊酸）来提高钢渣中金属提取的效率。他们探索了两种废物流的整合，以实现碳酸化技术的整体可持续性。研究表明，与强酸相比，有机酸对钢渣中元素的提取效率更高，有机酸混合物的提取效率最高，表明具有不同尺寸和稳定性常数的配体具有协同作用。然而，增加有机酸的浓度会导致对钙和镁元素的选择性降低，而降低浓度会导致更高的选择性但较低的提取效率[27,28]。因此，探索在低浓度有机酸下提高钙离子和镁离子浸出效率的方法，同时保持其选择性是有价值的。

近年来，微波技术作为一种绿色环保的特殊加热方法，在矿物浸出领域取得了重大进展。Olubambi等[29]在微波辅助下研究了复杂硫化物矿石的浸出行为。他们发现，微波场的存在会增加表面裂纹并降低矿石强度，从而提高浸出率。Krishnan等[30]研究了微波辅助浸出对尾矿锌提取的影响，观察到在微波条件下，锌的浸出速率在6 min内超过90%，明显高于传统水浴条件下的浸出速率。与传统的水浴加热相比，微波辅助加热具有无与伦比的优势，例如渗透到矿物的热传递和选择性元素浸出[31]。微波加热可快速加热极性溶剂，促进浸出反应，提高贵重金属元素的浸出速率，减少反应时间和能耗。

在这篇手稿中，我们介绍了一种使用乙酸 （HAc） 作为浸出溶剂的钢渣碳化技术。此外，我们深入研究了不同实验参数对微波环境下钢渣浸出过程的影响。它揭示了钢渣中的钙浸出动力学机制，并通过吸附渗滤液中的低浓度 CO 合成高价值的 CaCO产物。该工艺将 HAc 的选择性浸出能力与微波增强加热提供的均匀性和效率相结合。因此，钙和镁元素被选择性地分离并从钢渣中浸出。它解决了钢渣性质不稳定和资源利用受限等挑战，展示了广阔的发展前景。此外提取的溶液可用于 COsequestation 和高纯度、高价值碳酸盐材料的合成。这极大地促进了钢铁行业 CCUS 技术的进步，同时产生了巨大的社会和经济优势。

祥鹄仪器在本文中的使用：

结论：

在微波水浴反应场中，以绿色溶剂作为 HAc，研究了炼钢渣中 Ca 的浸出动力学。初步的XRD、SEM-EDS和粒度分析仪对原始样品的检测确保了炼钢渣中存在Ca、Fe、Mg和Al的主相、微观外观和粒度分布。然后，深入研究了钢渣浸出过程中各种元素的浸出行为、钙的浸出动力学机制以及浸出液中晶须型 CaCOin 的合成，得出以下发现。

（1）. 与传统加热相反，微波加热会导致钢渣中矿物之间的热应力断裂，增加颗粒破碎以及钙和镁的浸出速度。

（2）.在条件为 0.5 M HAc，反应温度为 60 °C，反应时间为 30 min，搅拌速率为 300 r/min，料液比为 25 g/L，微波功率为 600 W。

（3）.铝钙矿物保留在浸出资源中Idue 的，而铁成分则以氧化钙、磁铁矿或少量镁铁矿矿物的形式保留，从而提高资源利用率。

（4）.钙活化能的浸出动力学为 14.51

kJ⋅mol 的原理强烈支持表面化学控制机制。

（5）.当烟气中 CO浓度为 20% 时，固化温度70 °C，反应时间为 15 min，超声反应场为 400 W，钢渣浸出液可吸附 CO合成晶须状 CaCO。该工艺有效地实现了 276 kg 的 CO永久固定，每吨钢渣产生 607 kg 高价值的 CaCO产品。