Механизм ультразвукового усиления выщелачивания сталеплавильного шлака уксусной кислотой и синтеза карбоната кальция в виде игольчатых кристаллов

Ключевые результаты:

• Повышение селективности выщелачивания Ca + Mg за счет:
• Увеличения мощности ультразвука
• Оптимизации соотношения твердое/жидкость
• Контроля температуры и концентрации CH₃COOH
• Синтез высокочистого CaCO₃ в форме игольчатых кристаллов при: мощности ультразвука 400 Вт, температуре 70°C, времени реакции 15 минут, начальном pH 9.2

В глобальной структуре выбросов углерода сталелитейная и цементная промышленность занимают значимое место. Особенностью сталелитейной отрасли являются протяженные технологические процессы, для которых характерны относительно низкие концентрации, но значительные объемы выбросов CO₂ на различных производственных этапах.

Применение традиционных технологий улавливания и хранения углерода (Carbon Capture and Storage, CCS) существенно увеличивает затраты металлургических предприятий. Химическая конверсия CO₂ также сталкивается с экономическими ограничениями, что затрудняет реальное снижение выбросов и снижает экологическую и экономическую эффективность.

Минерализация CO₂ представляет собой единственный способ утилизации углекислого газа, характеризующийся отрицательным изменением энергии Гиббса (ΔG < 0). Это означает, что реакции минерализации протекают самопроизвольно и не требуют дополнительных энергозатрат. Таким образом, минерализация CO₂ рассматривается как перспективный метод для быстрого решения проблемы выбросов. Особенно актуальным подходом является использование твердых промышленных отходов для связывания CO₂.

Проблемы выщелачивания:

• Сильные кислоты (HCl, H₂SO₄) повреждают оборудование и дают примеси.
• Соли аммония селективны, но образуют побочные продукты (например, CaSO₄).
• Слабые органические кислоты (CH₃COOH) — перспективная альтернатива благодаря: Селективности к Ca/Mg, возможности регенерации, экологичности

Ультразвуковое усиление выщелачивания

Механизм действия ультразвука:

Кавитация разрушает поверхность шлака, обновляя реакционную зону.

Активация молекул CH₃COOH ускоряет растворение CaO/MgO.

Оптимальные параметры:

Концентрация CH₃COOH: 0.5 М, температура: 60°C, соотношение S/L: 25 г/л, мощность ультразвука: 500 Вт

Кинетика:

Энергия активации 11.45 кДж·моль^-1 → реакция контролируется поверхностными процессами.

Синтез игольчатых кристаллов CaCO₃

Очистка раствора:

Последовательное осаждение Fe/Al при регулировке pH.

Получение раствора с соотношением Ca/Mg = 6 (pH 9.2).

Карбонизация:

Условия: 70°C, 400 Вт, 15 мин

Выход: игольчатые кристаллы CaCO₃ (длина > 20 мкм, чистота > 99%).

Методика эксперимента

• Оборудование: ультразвуковая система Magicube XH-300PE с реакционным сосудом из PTFE (тефлона).
• Настройки: Мощность ультразвука — регулируемая (по условиям эксперимента), температура — контролируемая, время обработки — заданное

Подготовка пробы:

• Сталеплавильный шлак предварительно просеивали для достижения однородности.
• Точное количество шлака смешивали с раствором CH₃COOH заданной концентрации.
• Процесс выщелачивания: смесь помещали в тефлоновый реактор, запускали ультразвуковую программу для инициации реакции, время обработки варьировалось в зависимости от условий эксперимента.
• Завершение процесса: после окончания реакции проводили разделение жидкости и твердого остатка (фильтрация/центрифугирование).

Получали два продукта:

• Выщелоченный раствор (содержащий Ca²⁺ и Mg²⁺)
• Твердый остаток (нерастворимые компоненты шлака)

Заключение

• Ультразвук повышает эффективность выщелачивания в 1.5–2 раза по сравнению с традиционными методами.
• Синтезированный CaCO₃ пригоден для производства: пластмассовых наполнителей, бумаги высокого качества, биокомпозитов
• Экономия ресурсов: Снижение затрат на утилизацию шлаков; фиксация CO₂ без дополнительных энергозатрат.

Источник: Mechanism of ultrasonic enhanced acetic acid effciently leaching of steelslag and synthesis of calcium carbonate whiskers // Separation and Purification Technology, Volume 339, 2 July 2024, 126615
Ссылка на статью на сайте ScienceDirect