·28· 北京科技大学学报 第36卷 了相关方面的研究. 1.3碳酸化的实验步骤 炉渣碳酸化分为一步法和两步法.一步法是在 1实验方法 一个容器中进行，即将CO,直接通入破碎后的渣中： 1.1炉渣化学成分测定 两步法是先在一个容器中将钢渣中的钙、镁离子浸 实验中采用的钢渣样品取自国内某钢厂20Cr 出，过滤后用NaOH调整滤液的pH值，然后通入 钢种的精炼渣，破碎至200目以下后用荧光光谱仪 C02,收集沉淀物，用X射线衍射分析相组成，用热 测定其化学成分，用X射线衍射(XRD)测定相组 重分析法分析碳酸钙的纯度. 成. 2实验结果及分析讨论 1.2离子浸出的实验步骤 取精炼渣样品5g置于500mL烧瓶中，加入300 2.1渣成分结果 mL去离子水，通N,搅拌，用浓度为1molL1的盐 精炼渣的化学成分见表1.从表中可以看出渣 酸或醋酸试剂浸出，每隔5min或者10min取样，过 中Ca0和Mg0的总质量分数在50%左右，说明做此 滤，取部分滤液稀释后用ICP离子光谱仪测定其中 项研究很有意义.X射线衍射谱图表明精炼渣的相结 的钙、镁离子浓度. 构主要是Ca2Si04、CaSi03、CaAl20,和自由Ca0. 表1钢渣的主要化学成分（质量分数） Table 1 Main chemical composition of steelmaking slag % Ca0 Al203 Si02 Mgo S03 F Fe203 TiO2 MnO 46.66 22.25 17.84 6.75 2.63 1.99 0.88 0.64 0.11 2.2钢渣碳酸化的热力学计算 力学进行了分析计算，结果见表2.通过计算可知这 在水溶液中，钢渣中的主要矿物将发生表1中 些化学反应的自由能为负值，说明碳化反应在水溶 所列的化学反应，利用文献16,18-19]中的热 液条件下能够自发进行，但该反应没有考虑钢渣碳 力学数据，忽略活度的影响，对钢渣碳酸化反应的热 酸化反应的动力学行为 表2钢渣碳酸化反应的化学方程式及热力学参数 Table 2 Main chemical equations and reaction thermodynamics parameters of carbonation of steelmaking slag 反应的热培变化 反应的吉布斯自由能变化 主要化学反应式 △H/(kJ-mol-l) △Gr/(kJ.mol-l) Ca0(s)+H20(I)=-Ca(0H),(s) -99 -57.16 Ca(0H)2(s)+C02(g)=CaC03(s)+H20(1) -68 -73.04 Mgo(s)+H2O(I)=Mg(OH)2 (s) -78 -26.99 Mg(OH)2 (s)+CO2 (g)=MgCO:(s)+H20 (1) -37 -38.06 1/3CS(s)+C02(g)=CaC03(s)+1/3Si02(s) -148 -91.86 1/2CS(s)+C02(g)=CaC03(s)+1/2si02(s) -81 -64.02 注：C3S-3Ca0Si02:C2S-2Ca0Si02- 2.3浸出率研究 min时镁的浸出率分别达到了23.9%和78.1%，且 众多的研究表明，炉渣碳酸化的限制性环节是 随着时间的延长，它们的浸出率均在增加.其原因 钙、镁离子的浸出，因此进行了钙、镁离子浸出率 是炉渣中有效成分的浸出反应为： 研究. CaO+H,O=Ca(OH),, 2.3.1不同浸出试剂和用量的影响 Ca(0H)2+2H*=Ca2++2H,0, 实验测试了盐酸分别为10mL、40mL、60mL(1 Ca,Si0,+6H+=3Ca2++H,Si0,+H,0, mol/L)和醋酸为100mL时渣中钙、镁离子浸出率与 Mg0+H20=Mg(0H)2, 时间的关系，结果如图1. Mg(OH)2+2H+=Mg2++2H,0, 从图中可以看出，随着盐酸用量的增加，钙、镁 Mg2Si0,+4H*=2Mg2++H,Si04. 离子的浸出率均在增加.当用40mL和60 mL HCl 常温下它们的标准吉布斯自由能均小于零，因 时，钙的浸出率最高分别达到63.2%和93.41%，60 而在热力学上这些反应都能向右进行.在动力学上北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 了相关方面的研究． 1 实验方法 1. 1 炉渣化学成分测定 实验中采用的钢渣样品取自国内某钢厂 20Cr 钢种的精炼渣，破碎至 200 目以下后用荧光光谱仪 测定其化学成分，用 X 射线衍射( XＲD) 测定相组 成． 1. 2 离子浸出的实验步骤 取精炼渣样品5 g 置于500 mL 烧瓶中，加入300 mL 去离子水，通 N2 搅拌，用浓度为 1 mol·L － 1 的盐 酸或醋酸试剂浸出，每隔 5 min 或者 10 min 取样，过 滤，取部分滤液稀释后用 ICP 离子光谱仪测定其中 的钙、镁离子浓度． 1. 3 碳酸化的实验步骤 炉渣碳酸化分为一步法和两步法． 一步法是在 一个容器中进行，即将 CO2直接通入破碎后的渣中; 两步法是先在一个容器中将钢渣中的钙、镁离子浸 出，过滤后用 NaOH 调整滤液的 pH 值，然后通入 CO2，收集沉淀物，用 X 射线衍射分析相组成，用热 重分析法分析碳酸钙的纯度． 2 实验结果及分析讨论 2. 1 渣成分结果 精炼渣的化学成分见表 1． 从表中可以看出渣 中 CaO 和 MgO 的总质量分数在 50% 左右，说明做此 项研究很有意义． X 射线衍射谱图表明精炼渣的相结 构主要是 Ca2 SiO4、Ca3 SiO5、Ca3Al2O6和自由 CaO． 表 1 钢渣的主要化学成分( 质量分数) Table 1 Main chemical composition of steelmaking slag % CaO Al2O3 SiO2 MgO SO3 F Fe2O3 TiO2 MnO 46. 66 22. 25 17. 84 6. 75 2. 63 1. 99 0. 88 0. 64 0. 11 2. 2 钢渣碳酸化的热力学计算 在水溶液中，钢渣中的主要矿物将发生表 1 中 所列的化学反应［15］，利用文献［16，18--19］中的热 力学数据，忽略活度的影响，对钢渣碳酸化反应的热 力学进行了分析计算，结果见表 2． 通过计算可知这 些化学反应的自由能为负值，说明碳化反应在水溶 液条件下能够自发进行，但该反应没有考虑钢渣碳 酸化反应的动力学行为． 表 2 钢渣碳酸化反应的化学方程式及热力学参数 Table 2 Main chemical equations and reaction thermodynamics parameters of carbonation of steelmaking slag 主要化学反应式 反应的热焓变化 ΔH/( kJ·mol － 1 ) 反应的吉布斯自由能变化 ΔGT /( kJ·mol － 1 ) CaO( s) + H2O( l) = Ca( OH) 2 ( s) － 99 － 57. 16 Ca( OH) 2 ( s) + CO2 ( g) = CaCO3 ( s) + H2O( l) － 68 － 73. 04 MgO( s) + H2O( l) = Mg( OH) 2 ( s) － 78 － 26. 99 Mg( OH) 2 ( s) + CO2 ( g) = MgCO3 ( s) + H2O( l) － 37 － 38. 06 1 /3C3 S( s) + CO2 ( g) = CaCO3 ( s) + 1 /3SiO2 ( s) － 148 － 91. 86 1 /2C2 S( s) + CO2 ( g) = CaCO3 ( s) + 1 /2SiO2 ( s) － 81 － 64. 02 注: C3 S—3CaO·SiO2 ; C2 S—2CaO·SiO2 ． 2. 3 浸出率研究 众多的研究表明，炉渣碳酸化的限制性环节是 钙、镁离子的浸出，因此进行了钙、镁离子浸出率 研究． 2. 3. 1 不同浸出试剂和用量的影响 实验测试了盐酸分别为 10 mL、40 mL、60 mL ( 1 mol /L) 和醋酸为 100 mL 时渣中钙、镁离子浸出率与 时间的关系，结果如图 1． 从图中可以看出，随着盐酸用量的增加，钙、镁 离子的浸出率均在增加． 当用 40 mL 和 60 mL HCl 时，钙的浸出率最高分别达到 63. 2% 和 93. 41% ，60 min 时镁的浸出率分别达到了 23. 9% 和 78. 1% ，且 随着时间的延长，它们的浸出率均在增加． 其原因 是炉渣中有效成分的浸出反应为: CaO + H2O = Ca( OH) 2， Ca( OH) 2 + 2H + = Ca 2 + + 2H2O， Ca3 SiO5 + 6H + = 3Ca 2 + + H4 SiO4 + H2O， MgO + H2O = Mg( OH) 2， Mg( OH) 2 + 2H + = Mg 2 + + 2H2O， Mg2 SiO4 + 4H + = 2Mg 2 + + H4 SiO4 ． 常温下它们的标准吉布斯自由能均小于零，因 而在热力学上这些反应都能向右进行． 在动力学上 ·28·