דו כיווני יִצוּב מְחִיר של סיגי פיצוץ תנור: סינתזה של סידן זרז קרבונט ו התקנת זאוליט Heavy Metal סופח

Summary

A protocol for the parallel production of precipitated calcium carbonate and zeolitic material from blast furnace slag via mineral carbonation and alkaline hydrothermal conversion, respectively, is presented. The performance of the zeolitic material towards nickel adsorption is tested.

Abstract

The aim of this work is to present a zero-waste process for storing CO₂ in a stable and benign mineral form while producing zeolitic minerals with sufficient heavy metal adsorption capacity. To this end, blast furnace slag, a residue from iron-making, is utilized as the starting material. Calcium is selectively extracted from the slag by leaching with acetic acid (2 M CH₃COOH) as the extraction agent. The filtered leachate is subsequently physico-chemically purified and then carbonated to form precipitated calcium carbonate (PCC) of high purity (<2 wt% non-calcium impurities, according to ICP-MS analysis). Sodium hydroxide is added to neutralize the regenerated acetate. The morphological properties of the resulting calcitic PCC are tuned for its potential application as a filler in papermaking. In parallel, the residual solids from the extraction stage are subjected to hydrothermal conversion in a caustic solution (2 M NaOH) that leads to the predominant formation of a particular zeolitic mineral phase (detected by XRD), namely analcime (NaAlSi₂O₆∙H₂O). Based on its ability to adsorb Ni²⁺, as reported from batch adsorption experiments and ICP-OES analysis, this product can potentially be used in wastewater treatment or for environmental remediation applications.

Introduction

הסודה העקיפה של שאריות תעשייתיות עשירות מתכות אלקליות נחקרה באופן נרחב כחלק לכיד פחמן אחסון (CCS) טכנולוגיה ^{1, 2, 3, 4.} מידה מסוימת של ₂ CO ניתן לאחסן ביעילות, באופן קבוע, ובאופן זה הוא שפיר לאווירה. עם זאת, בעוד חומרים יקרים ערך נוצרים, יש חלק של הטכניקה תישאר בעינה בחנה כראוי. בתהליך הסודה העקיף, סידן מופק באופן סלקטיבי מהחומר ובהמשך נתון סודה בתנאים מבוקרים. עם זאת, תהליך יִצוּב מְחִיר פסולת מייצר ושיירים מוצקים מן החומר; שאריות אלה אינם עיבוד נוסף או לנצל לאחר שלב חילוץ סידן. עיבוד מסלולים להפחית את ייצור שאריות כאלה, או אפילו כי לחסל אותם, צריך להימצא. לזהבסופו של דבר, לאחרונה, חל במאמץ לפתח ולייעל תהליך שבו, באמצעות תנור פיצוץ (BF) סיגים כחומר המוצא, קיבוע מינרליים אפס פסולת של פחמן, מלווה עם הקמתה של מינרלים שימושיים, יכול להיות ^{5 מושגת, 6.}

חומרים פסולת כמה הם מתאימים כמו המגיבים יעילים מינרליזציה ₂ CO. ביניהם, ברזל להחלפה ואת סיגי קבלת פלדה להציג גבוה באופן משמעותי ניסיוני CO ₂ uptakes מאשר כל פסולת תעשייתית אחרת ^4. האטרקטיביות של סיגי BF עבור יִצוּב מְחִיר פסולת טמונה איכויותיו (כימיים, מינרלים, ומאפייני מורפולוגיים) ואת היישומים האפשריים של החומר ^5. זהו תוצר לוואי של תהליך קבלת הברזל, שבו זיהומי עפרות ברזל מוסרים בתהליך pyrometallurgical. בהתבסס על האופן שבו הוא התקרר לאחר הפרדתו מן molten ברזל, ארבעה סוגים שונים של סיגים נוצרים: (i) מקורר-אוויר (כלומר, גבישים), (ii) מגורען (כלומר, מזוגג), (iii) מורחב (כלומר, מוקצף), וכן (iv) pelletized.

למרות ההפקה של סידן פחם זרז (PCC) באמצעות הסודה העקיפה של סיגי BF הוא תהליך הצליח למשוך תשומת לב רבה ^{7, 8,} ההמרה הידרותרמיות של סיגים לייצור מינרלי התקנת זאוליט היא טכנולוגיה אשר נחקרה ⁹ התפתח רק בשנים ^{האחרונות, 10, 11.} עם זאת, באף אחד מהמקרים זה כבר נחשב כטכניקה שיכול לשמש בשילוב עם הסודה העקיפה של סיגי BF כדי להשיג את ההיווצרות הסימביוטי של PCC ו זאוליטים. בעקבות תהליך יִצוּב מְחִיר דו סטרי כפי שיתואר בהמשך, שני אלה טכניקותהם מצמידים כדי להשיג את התפיסה המספקת של ₂ CO גם בעת קבלת מינרלי התקנת זאוליט וחיסול כל ושיירים מוצקים פוטנציאליים. על פי נוהל זה, ₂ CO מאוחסנת סידן כי הייתה שחולץ מן הסיגים ידי שטיפת חומצה באמצעות תגובת סודה מינרליים ^5. כדי להשיג את מאפייני מוצר PCC המתאימים ליישומים ב papermaking (מינרלוגיה, התפלגות גודל חלקיקים, ומורפולוגיה חלקיקים), את התשטיפים משלבים החילוץ ראשון פיסיקלי כימי מטוהרים ^6. במקביל, מינרלי התקנת זאוליט נוצרים פתרון קאוסטית באמצעות מרת הידרותרמיות של והשיירים המוצקים הנובעים שלב סידן חילוץ ^5.

זאוליט הוא מינרל סיליקט alumino. זה מתרחש באופן טבעי, אבל זה יכול גם להיות מיוצר באופן תעשייתי בקנה מידה גדול. רבות במסגרות זאוליט ייחודיות זוהו, מה שמוביל ישים שונהations עבור החומרים. לדוגמה, הם יכולים לשמש זרזים בכמה ענפי התעשייה ^{12, 13;} הם נמצאים חומרי ניקוי חומרי בניין כתוספים ב אספלט, בטון ^{14, 15,} ו צמנט פורטלנד ^{16, 17;} ויש להם גם יישומים ב ^{-18, 19, 20} ו חקלאי ^{21, 22, 23} התחומים הרפואיים. יתר על כן, בשל שטח הפנים הספציפי הגדול שלהם ויכולים קטיוני שלהם, זאוליטים יכול לשמש גם סופג ^{24, 25, 26, 27.} סופג בפרט אלה יכולים לשמש גם to ישירות לטיפול זרמים ספוג מתכת כבדים, כגון שפכים או מי תהום מזוהם ^{28, 29, 30, 31.} במחקר זה, החומר התקנה זאוליט המופק סיגים BF באמצעות תהליך יִצוּב מְחִיר דו כיוונית הוא, בפעם הראשונה, נבדק כמו בעלי כושר ספיגה עבור מתכת כבדה, כלומר, ניקל.

לקבלת מידע אודות התהליך סימביוטי המוצע, סוכן חילוץ חביב הוא PCC והיווצרות זאוליט אמור לשמש. לכן, הבחירה של extractant המתאים היא קריטית. בין סוכני השטיפה כמה מיושם המחקר קודם משתי הסודה העקיפה ^{7, 8} ו הידרותרמיות ההמרה ^{10, 11} של סיגי BF, חומצה אצטית נבחרה המבטיח ביותר. חומצה הידרוכלורית ¹⁰ מיצגים מזיק ההשפעות הן generation של PCC ועל הסלקטיביות השטיפה, גרימת הפסדים משמעותיים בכמויות של Si ואל בפתרון התשטיפים. מצד השני, ¹¹ חומצת פורמית הוכיחה את עצמו יעיל, שכן הוא מצליח להסיר Ca ביעילות Mg מן הסיגים תוך הצגת סלקטיביות שטיפה מדהימות, השארת הגדרת Si ואת אל באין מפריע. עם זאת, הוא מציג דיסוציאציה חומצה נמוך מתמיד מאשר חומצה אצטית ^33, דבר המצביע על כך משקעים של סידן פחמתי צריך להיות יותר הקל לביצוע לאחר העסקת פתרונות אצטט כסוכן החילוץ. כמו כן הוכח כי, במקרים מסוימים, כגון עם השימוש succinates ³⁴ ו oxalates ^35, הלא-קרבונט משקעים טופס במקום PCC. Eloneva et al. ³⁶ extractants שש עשרה בהשוואה להסרת סידן סיגי steelmaking וחומצה אצטית נמצא להיות יעיל ביותר (הכי טובהביצועים בין 0.5 M ו -2 M ריכוזי extractant) והמצליחים ביותר (התאוששות סידן הגבוהה ביותר ב ~ 100%).

הפרוטוקול הבא מתאר בפירוט את תהליך הניסוי בקנה מידת מעבדה מובילה להיווצרות של PCC גבוהה טוהר חומר התקנת זאוליט, עם שימושים אפשריים כמו חומרי מילוי נייר סופג מתכות כבדות, בהתאמה. סיגי BF הוא החומר המוצא. נהלי בדיקות מועמדותן בחינת חומר התקנת זאוליט מסונתז כקובץ sorbent מתכת הולם כבדה גם מתוארים.

Protocol

1. הפקת סידן מן הפיצוץ תנור סיגים

הערה: בשל ההשפעה המזיקה של חומציות על סלקטיביות שטיפה, החילוץ של סידן מתרחש בשני שלבים, באמצעות מחצית molarity של חומצה אצטית (CH ₃ COOH) כי ישמש בשלב אחד.

1. טוחן את סיגי BF בעזרת מכתש ועלי מסנן אותו לגודל חלקיקים מתחת ל -2 מ"מ.
2. Unseal כור חיטוי כי מצויד בוחש כפול מאיץ, ז'קט חימום / קירור, מד לחץ, תרמי. ודא שהחלק הפנימי של הכור ואת הרכיבים בולטים מראש הכור (פיר בוחש; מניע; ו תרמי היטב, אשר ממשמש לבלבל) נקיים וחופשיים מכל זיהומים שעשויים להפריע תהליך חילוץ סידן. אם הם לא, לשטוף אותם היטב.
3. לשקול 100 גרם של סיגי BF הסתננו (<2 מ"מ) ומניח אותו בתוך הכלי. להוסיף 731 מ"ל של CH ₃ COOH (2 מ ') ל- tהוא כלי ולאטום אותו. ודא כי הכור האטום מהודק כראוי לתמיכה בה.
4. מניחים את מעיל חימום במיקום הנכון, כך שהוא מכסה כמעט את הספינה כולה. הגדר את טמפרטורת החימום עד 30 מעלות צלזיוס ולהתחיל ערבוב את התערובת הדלילה ב 1000 סל"ד. המתן עד שהטמפרטורה על הפנים של הכור מגיעה לנקודה סט (כ 15 דק '), ולאחר מכן לעזוב את התערובת הדלילה לערבב על התנאים הנ"ל במשך 60 דקות.
5. לאחר זמן החילוץ חומצה שחלף, להסיר את הז'קט חימום, unseal הכור, ויוצקים את התערובת הדלילה מהכור לתוך מבחנה. שסתום ניקוז יכול לשמש גם, אבל המוצקים הגסים עלולים לחסום את המעבר.
6. אבק-לסנן את התערובת הדלילה להפריד הפתרון התשטיפים מן המוצקים שיורית; להשתמש בנייר מסנן עם גודל נקבובי של 8 מיקרומטר או פחות. לעבד המוצקים מייד (עוגה רטובה), או להשאיר אותם להתייבש בטמפרטורת הסביבה לעיבוד במועד מאוחר יותר.
   הערה: התשטיפים ניתן סניםטמפרטורת t סביבה, אבל כדאי להיות מעובד יותר (מטוהרים מוגזים) זמן קצר לאחר מכן, כדי למנוע את הממטרים בלתי המבוקרים של תרכובות מומסות.
7. לשטוף הן ראש הכור ואת כלי עם מים די כדי לוודא ששום שאריות מן החומצה או סיגים הוא נשאר מאחור.
8. מניח את השאריות היבשות, מוצקות משלב חילוץ Ca הראשון הכלי ולהוסיף 731 מיליליטר של CH ₃ COOH (2 מ '). חזור על אותו הליך (שלב 1.5) לערבב מוצקים עם חומצה (ב 30 מעלות צלזיוס ו -1,000 סל"ד במשך 60 דקות).
9. בסוף צעד החילוץ השני, למקם את התערובת הדלילה שלאחר המיצוי לתוך צינורות צנטריפוגות. השתמש צינורות קיבולת גדולה (למשל, 50 מיליליטר או יותר) אחרי שיטות צנטריפוגה סטנדרטיות, כגון הבטחת משקל שווה בצינור אחד.
   1. הפרד את מוצקים מן התשטיפים ידי צנטריפוגה את התערובת הדלילה ב 2500 XG למשך תקופה מינימלית של 10 דקות. לאט יוצקים את supernatant לתוך בקבוק חדש תוך keeping המוצק בתוך הצינורות.
      הערה: ההפרדה המוצקה (סיליקה מושעה BF סיגים שיורית) מן סידן יצטט עשירי השלב הנוזלי ובכך מושגת.
10. לשחזר את השאריות המוצקות כתוצאה משלב החילוץ השני מן הצינורות מחדש להשעות אותם במי DI. בצע סיבוב נוסף של צנטריפוגה להסיר acetates המסיס שיורית. שחזור המוצק השטוף ולאפשר להם להתייבש בתנאי סביבה.
11. מערבב את הפתרונים משני סינון החילוץ הראשון (תסנין) ואת צנטריפוגה החילוץ השנייה (supernatant) כדי לקבל את התשטיפים שלאחר המיצוי.

טיהור פיסיקלית כימית 2. של התשטיפים הודעת השאיבה

הערה: למרות הפרידה של מוצקים מהפתרון התשטיפים (שלב 1.9), supernatant וכתוצאה מכך עדיין מכיל מסיסים או קולואידים זיהומים. החשוב ביותר של זיהומים אלו הם סיליקה, מגנזיום, ואלומיניום.על פי מחקרים שפורסמו בעבר ^32, מסיסות סיליקה מים טהורים היא יחסים לטמפרטורה של הפתרון (כלומר, על ידי הפחתת הטמפרטורה של מים טהורים, המסיסות של סיליקה גם מקטין). למרות הפתרון התשטיפים הוא לא מים טהורים, זה כבר נמצא כי העמדת supernatant מן ההפרדה הנוזלית המוצקה של התרחיף שלאחר חילוץ קירור תוצאות הסרת סיליקה נוספת (לעומת צנטריפוגה לבד) ^2. מצד שני, זיהומים מגנזיום ואלומיניום נמצאים supernatant בצורת acetates. על מנת להקטין המסיסות שלהם באופן משמעותי, הם חייבים להשתנות כדי והידרוקסידים מתכת מסיסים על ידי התאמת pH ^2.

1. הוסף פתרון NaOH מרוכז (50% w / w) כדי supernatant, כך הריכוז הסופי של NaOH ב supernatant הוא 1.25 M; זה יגדיל את ה- pH ל 8.4 סביב, וכך הופך את אס מגנזיום ואלומיניוםטאטעס לצורה המסיסה פחות באופן משמעותי את והידרוקסידים. מוסיפים את פתרון קאוסטית לאט תוך ערבוב ומדידת pH.
2. מניחים את supernatant NaOH מועשר במקרר לקרר אותו ל -1 ° C כדי לגרום משקעים מיותרים של סיליקה.
3. לאחר מצונן, ואקום לסנן את הפתרון באמצעות נייר פילטר עם גודל נקבובי של 0.45 מיקרומטר. The-סינון מיקרו של תוצאות הפתרון של להסרה נוספת של סיליקון של זיהומים זירז של מגנזיום ואלומיניום.

Carbonation 3. של התשטיפים מטוהרים

הערה: בשל ההתחדשות של חומצה אצטית על סודת NaOH משמש כתוסף למאגר החומציות, אשר מעכבת משקעי סידן. לייצור של PCC טהור, NaOH יש להשתמש בריכוז תת-equimolar ביחס לזה של COOH CH ₃ המשמש את צעד חילוץ (2 מ ').

1. יוצקים את התשטיפים מטוהרים לתוך מחדש החיטוישַׂחְקָן. בדקו את שני מרכיבי הכלי וכובע שלה כדי לוודא שהם נקיים של שאריות משימושים קודמים על מנת למנוע זיהומים מפריעים תגובות הסודה. הוסף מרוכז NaOH (50% w / w) לכלי השיט, כך ריכוז NaOH הסופי בפתרון התשטיפים המטוהר הוא 1.7 M, כדי לנטרל את מחדש CH ₃ COOH במהלך סודה. חותם את הכור ובזהירות להדק אותו תמיכתה.
2. מניחים את מעיל חימום של הכור במיקום הנכון. התאם את טמפרטורת החימום עד 30 מעלות צלזיוס ולהתחיל ערבוב את התערובת הדלילה ב 1000 סל"ד. מתן עד הפנים של הכור מגיעים לטמפרטורה הרצויה (כ -15 דקות). הפעל את הסודה של התערובת על ידי החדרה אל CO הכור ₂ של טוהר גבוה (99.5%) ב -2 בר; לרוץ במשך 60 דקות.
3. בסיום סודה להסיר את הז'קט חימום, לְהַפִיג לַחַץ ו unseal הכור, ויוצקים את התערובת הדלילה מוגזים לתוך מבחנה.
   הערה:שסתום ניקוז יכול לשמש גם לאחר ירידת לחץ, כמו המוצקים הם בסדר.
4. אבק-לסנן את התערובת דלילה וכתוצאה להפריד בין המשקעים המוצקים מהפתרון; להשתמש בנייר מסנן עם גודל נקבובי של 8 מיקרומטר או פחות. שוטפים את עוגת הסינון היטב במים DI תחת ואקום להסיר מסיסים נתרן.
   הערה: ירידה ניכרת את המוליכות של תסנין שטיפה ניתן להשתמש כדי לאשר את נקודת הסיום שטיפה.
5. תנור-לייבש את החומר המוצק ב 105 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות כדי לאחזר את PCC.

4. הידרותרמיות מרים של שאריות ההפקה המוצקות

הערה: לקבלת המרה הידרותרמיות, מוצקים שיורית מדולדל סידן מן הפיצוץ תנור סיגים חומצה אצטית החילוץ היו בשימוש. לאחר כל סיבוב חילוץ (כולל שני השלבים), פחות מ -50% WT של המסה הראשונית ניתן לשחזר (עקב מיצוי סידן האובדן החלקי של סיליקה colloidal ב סינון תלוי porosi נייר הסינוןty בשימוש). לפיכך, חבילות חילוץ מרובות נדרשות כדי ליצור את המסה של מוצקים המשמשים את צעד המרה הידרותרמיות.

1. מניח 60 גרם של מוצקים היבשים, שיורית מתוך מיצוי סידן לתוך כור חיטוי נקי. הוספת 300 מ"ל של 2 פתרון M NaOH. חותם את הכור ולהדק אותו תמיכתה.
2. מניחים את מעיל חימום של הכור במיקום הנכון. התאם את טמפרטורת החימום ל -150 ° C ולהתחיל ערבוב את התערובת הדלילה ב 300 סל"ד. חכה כ 45-50 דקות, עד הפנים של הכור מגיעים לטמפרטורה הרצויה. השאירו את התערובת הדלילה לערבב על התנאים הנ"ל במשך 24 שעות.
3. בסיום ההמרה הידרותרמיות, להסיר את הז'קט חימום ולאפשר הכור להתקרר למשך 60 דקות, לכ -35 מעלות צלזיוס. מעגל הקירור של הכור ז'קט יכול לשמש גם כדי לזרז קירור.
   1. Unseal הכור ויוצקים את התערובת הדלילה המרה לתוך מבחנה.
4. אבק-מסנן את התערובת הדלילה להפריד מוצקי ההמרה מהפתרון; להשתמש בנייר מסנן עם גודל נקבובי של 8 מיקרומטר או פחות. שוטף את המוצקים היטב במי DI תחת ואקום כדי להסיר את קאוסטית העודפת.
   הערה: הירידה הניכרת המוליכות של תסנין השטיפה ניתן להשתמש כדי לאשר את נקודת סיום שטיפה.
5. תנור-לייבש את החומר המסונן ב 105 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות כדי להשיג את החומר מר hydrothermally.
6. Disaggregate החומר הפרטני באמצעות ובמכתש מסננת החומר שנוצר לגודל חלקיקים <0.85 מ"מ.

5. בדיקות ספיחת Heavy Metal עם מוצרי התקנת זאוליט

הערה: Ni ^{2 +} שנבחרו הוא המתכת הכבדה לחקירה. פתרונות מזוהמים עם ריכוזי מתכות כבדות ראשוניים שונים היו מסונתזים. ריכוזי מתכות כבדות לראשונה של 2-200 מ"ג / L נבחרו בהתאם לצרכי המחקר הנוכחי.

1. כדי להכין את פתרונות מזוהמים עבור ניסויים שיווי משקל, להשתמש פיפטה מיקרו להוסיף כמות מתאימה של 1,000 מ"ג / L פתרון סטנדרטי אנליטית כיתה של Ni ^{2 +} לתוך 1 ליטר של מים טהורים בבקבוק נפח לייצר פתרונות של ריכוזי Ni ^{2 +} הרצויים (2 מ"ג / L, 10 מ"ג / ליטר, 20 מ"ג / L, 100 מ"ג / L, ו -200 מ"ג / ליטר).
2. בבקבוקי פלסטיק כתרים, לפזר 1 גרם של חומר המרה hydrothermally הנובע שלב 4.6 ב 100 מ"ל של כל פתרון מוכן מזוהמים סינטטי.
3. הוסף מרוכז NaOH (2 M בהתחלה 0.5 M קרוב לנקודת הסיום) dropwise כדי להתאים את ה- pH של פתרונות 4-5. ברציפות ומערבבים הפתרון במהירות נמוכה באמצעות בר בחישה מגנטית על צלחת ערבוב. צג ה- pH תוך הוספת NaOH באמצעות אלקטרודה pH טבול הפתרון.
4. מניחים את בקבוקי חממה שייקר להתסיס אותם 160 סל"ד ו -20 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות.
5. לאחר ערבוב, להוסיף HCl מרוכזת (2 M בהתחלה 0.2 M קרוב לנקודת הסיום) dropwise לפתרון לכוון מחדש את ה- pH 4-5. במהלך הסתגלות, ברציפות ומערבבים הפתרון במהירות נמוכה באמצעות בר בחישה מגנטית על צלחת ערבוב. צג ה- pH ברציפות תוך הוספת HCl באמצעות אלקטרודה pH טבול הפתרון.
6. מניחים את התערובת הדלילה צינורות צנטריפוגות. הפרד את המוצקים מהפתרון באמצעות צנטריפוגות מעבדה ב 2500 XG במשך 5 דקות. יוצקים בזהירות הפתרון supernatant אל בקבוק חדש, תוך שמירה על מוצקים בצינור צנטריפוגות.
7. להפוך לחומצה הפתרון עם HNO ₃ (2% wt ריכוז חומצה חנקתית) כדי להפחית את ה- pH ל <2.
   הערה: שלב זה מתבצע על מנת להבטיח כי היונים להישאר פתרון במהלך האחסון (בטמפרטורת הסביבה) לפני לקדם מניפולציה וניתוח.
8. קבע את ריכוז שיווי המשקל של המתכות הכבדות נחקרו במסגרת supernatant באמצעות ICP-OES.
   הערה: פתרונות מדוללים על ידיגורם של 10-100x באמצעות 2% WT diluent HNO _3, כך הריכוז הצפוי נופל בטווח ליניארי של כיול המכשיר (0-2 מ"ג / ליטר). איטריום, ב -2 מ"ג / L, מתווסף כל מדגם בדילול כסטנדרט פנימי. מכשיר ICP-OES מופעל מבוסס על המלצות היצרן עבור הניתוח של מתכות ב wastewaters ^37. טכניקות חלופיות לקביעת ריכוז ניקל בתמיסה, כגון ICP-MS ו AAS, מתאימות גם עבור שלב זה.
9. לחשב את הסכום של מתכות כבדות אשר נספחים לכל גרם של הסופח בשיווי משקל _(ה q) באמצעות הנוסחה הבאה:
   
   כאשר C _o הוא הריכוז הראשוני (μmol / מ"ל) של יונים של מתכות כבדות בתמיסה, _דואר C הוא ריכוז שיווי משקל של יונים של מתכות כבדות בתמיסה (μmol / מ"ל), V הוא volume של הפתרון המזוהם (מיליליטר), ו- m היא המסה של בעלי הכושר הספיג היבשים (ז).

תוצאות

כדי לבדוק את המשקעים קרבונט על טוהר תשואה, מספר טכניקות אינסטרומנטלי יכולות להיות מיושמות. רכב אלמנטארי (כולל רכיבים ראשיים ומשניות) יכול להיקבע על סמך ספקטרוסקופית פליטה אטומית פלזמה מצמידה אינדוקטיבי (ICP-OES), על ידי ספקטרומטריית מסת פלזמה מצמידה אינדוקטיבי (ICP-MS) או ספקטרוסקופיית בליעה אטומית (AAS) בעקבות עיכול חומצה (ב HCl), או על ידי ספקטרוסקופיה פלואורסצנטי רנטגן (XRF) עם מדגם בצורת אבקה או גלולה. XRF הוא פחות רגיש עבור רכיבים קלים (<1% wt). פרטים ודוגמאות נוספים נמצאים ואח דה Crom. ⁶ תוצאות אלו תדגמנה אם זיהומים רצויים קיימים יסייעו לקבוע, על ידי מאזן מסה, את היעילות של המרת תכולת הסידן של הסיגים המקוריים לתוך PCC. רכב המינרלים נקבע על ידי מיטב דיפרקציה אבקת רנטגן (XRD). Diffractogram וכתוצאה מספק איכותימידע על הנוכחות של שלבי מינרל גבישים. כימות של הכמויות היחסיות נעשית על ידי טכניקת עידון ריטוולד (עם דיוק של כ ± 2-3% WT). ניתן למצוא דוגמאות ופרטים נוספים ואח סנטוס. תוצאות ³⁸ אלה תוודאנה אם תנאי התהליך או זיהומים להשפיע על תהליך ההתגבשות, שהניבו שלבים רצויים נוספים מלבד קלציט (קאקו _3). התפלגות גודל חלקיקים (PSD) ולהתכוון קוטר חלקיקים נקבעות על ידי מיטב עקיפת ליזר (מי DI) רטובה. ניתן למצוא דוגמאות ופרטים נוספים באל דה Crom et. ⁶ תוצאות אלה משמשות כדי להעריך אם PCC עונה על הדרישות של היישום המיועד שלה (כלומר, יצירת נייר), אשר בדרך כלל לציין גודל חתוכים עליון תקופה של הפצה.

רכב היסודות של התשטיפים שאיבת פוסט-סודה פוסטמוצרים, כמו גם את דפוס XRD ו PSD מבוססי נפח של משקעים פוסט-סודה, מוצגים איורים 1 ו -2. טכניקת ICP-MS שמשה למדידת התוכן (% wt) של מתכות מסוימות (Ca, Mg, Al, Si ו) בהרכב של התשטיפים לאחר שלב חילוץ Ca ולפני הסודה שלה. שימוש חומצת אצטית אנליטי בדרגה (2 M) כסוכן השטיפה הביא חילוץ Ca של כ -90% (איור 1 א). על פי התוצאות, יעילות מיצוי גבוהה עוד יותר זוהתה עבור מגנזיום (כמעט 100%), מתכת אחרת שניתן מוגזים ביעילות אלא בתנאים אינטנסיביים יותר.

ההתנהגות של סיליקה ואלומיניום בשלב החילוץ גם נחקרה. כדי לייצר בהצלחה alumino מבוסס סיליקט מינרלי התקנת זאוליט באמצעות מרה הידרותרמיות, אלא גם כדי למנוע זיהום של PCC המסונתז עם undeאלמנטים הולידו, הוא סיליקה ואלומיניום צריכים להישאר בשלב המוצק בעת תהליך החילוץ. על פי התוצאות, חומצת אצטית הציגה שטיפה מוגבלת באופן משביע רצון של סיליקה ואלומיניום, עם כמעט 92% של סיליקה ו -62% של אלומיניום נותרים מושפעים במהלך תהליך השטיפה (איור 1b).

הסודה של הפתרון התשטיפים המטוהר הביאה לייצור PCC עם תכונות רצויות, כמתואר באיור 2. בהתבסס על התרשים XRD (איור 2b), בשלב מינרל היה מסונתז בעיקר היה זה של קלציט (88.2% WT), ואילו כמויות קטנות של nesquehonite (Mg (HCO ₃₎ (OH) · 2H ₂ O; 3.2% WT) ו קלציט magnesian (Ca _1-0.85 Mg _0-0.15 CO _3; 2.8% WT) היו גם בהווה. מניתוח PSD של החומר (איור 2 ג), התברר כי siz החלקיקים הממוצעהדואר היה קטן ואת התפלגות גודל חלקיקים הייתה צרה.

במקביל סודת השאריות המוצקות משלב החילוץ היו נתונים מרים הידרותרמיות. אפיון של החומר המרה hydrothermally, כדי לאמת את הייצור של מינרלים התקנה זאוליט ועל מנת להעריך את המורפולוגיה, נערך כדלקמן. הרכב הבסיסי ביותר מתקבל בקלות על ידי XRF. עקבות אלמנט נחישות דורשת עיכול חומצה ואחריו ICP-OES, ICP-MS, או AAS, עם העיכול בוצע באמצעות פירוק חומצה רציף (HNO ₃ -HF או HNO ₃ -HClO ₄ -HF) לפזר את שלב סיליקה. אמנם אין רכב יסודות ספציפי הממוקד עבור החומר המר, ניתוח זה עוזר להבהיר את רכב המינרלים שקבע XRD. ניתוח XRD, לקבוע הרכב המינרלים, קוטר החלקיקים PSD ולהתכוון נקבעו בדומה משקעים קרבונט,זה כאמור. שטח פן ספציפי, נפח נקבובי, ולהתכוון קוטר נקבובי נקבע על ידי ספיחת חנקן, עם איזותרמות לפרש על פי Brunauer-אמט-טלר (BET) תאורית ריבוי נקודות. דוגמאות יש degassed בתחילה תחת ואקום ב 350 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות. ניתן למצוא דוגמאות ופרטים נוספים ואח צ'יאנג. ⁵

רשות האישורים, Mg, Al, Si ותוכן בחומר המרה hydrothermally, נקבע על ידי שימוש בטכניקה ICP-OES, מוצג באיור 3 א, ואילו הרכב מינרלוגיות שלהם, נקבע מדפוסים XRD, מוצג איור 3B. גודל החלקיקים הממוצעים והפצת גודל, שהתקבל מניתוח PSD, מוצג איור 3c. החומר שנוצר מאופיין mineralogically על ידי נוכחות של שני שלבים עיקריים: אנלציט (NaAlSi ₂ O ₆ ∙ H ₂ O) tobermorite (Ca 5 (OH) ₂ Si ₆ O ₁₆ ∙ 4H ₂ O). קיומו של האחרון ב שאריות מיצוי המרה מצדיק את תכולת הסידן הבולטת (22.5% WT) שזוהתה את ההרכב הכימי של החומר, כפי שהוא נותח באמצעות XRF. סיליקה (37.2% WT) ואלומיניום (11.2% WT) היו המרכיבים העיקריים האחרים, ואילו מגנזיום היה נוכח כמויות של כ 4% WT. בהתבסס על ניתוח PSD, ברגע הנפח (De Brouckere) אומר קוטר חלקיקים (ד [4,3]) של חומרים המרים היה 86.6 מיקרומטר, ואילו התפלגות הגודל נעה בין 0.594 מיקרומטר 1.11 מ"מ. ניתוח ספיחת החנקן אשר את ההיווצרות של חומר mesoporous (46.0 ננומטר מתכוון קוטר נקבובי), עם שטח פנים הספציפי נפח נקבובי של החומר המר hydrothermally, בהתאמה, גדל מ- 4.89 מ ^'2 / g כדי 95.23 מ' ² / g ומן 0.014 מיליליטר / g 0.610 מיליליטר / g מעל הסיגים המקוריים.

r.within-page = "1"> איזותרמות ספיחה שיווי משקל של Ni ^{2 +} על חומר המרה hydrothermally, לפני ואחרי התאמת ה- pH של התמיסה הסופח-סֶפַח equilibrated, כמו גם התאמה של נתוני הניסוי אל לינארית מודלים ספיחה לאנגמיור, פרוינדליך, ואת טמקין מוצגים באיור 4.

המודל לאנגמיור מבוסס על כמה הנחות סבירות המאפיינות את תהליך chemisorption. לדבריהם, את פני השטח של בעלי הכושר הספיג רק מציע מספר קבוע של אתרי ספיחה, עם צורות וגדלים זהים, מאופיינת יכולת ספיחה זהה. צורות חומר adsorbed רק שכבה אחת (עובי של מולקולה אחת) על פני השטח של בעלי כושר ספיגה, והטמפרטורה היא קבועה. מבחינה מתמטית, המודל לאנגמיור מתבטא על ידי המשוואה הבאה:

/files/ftp_upload/55062/55062eq2.jpg "/>

כאשר _e C הוא ריכוז שיווי משקל של סֶפַח בתמיסה (μmol / 100 מ"ל), _דואר q הוא כמות המתכת adsorbed לכל גרם של הסופח בשיווי משקל (μmol / g), _{מ 'ד'} הוא היכולת כיסוי בשכבה המרבית התיאורטית של בעלי כושר ספיגה (μmol / g), ו- k הוא קבוע האיזותרמה לאנגמיור (100 מ"ל / μmol).

האיזותרמה פרוינדליך אינה מוגבלת על ידי הנחות כנדרשות במודל לאנגמיור. במקום זאת, הוא מתאר את תהליך הספיחה הפיזי כי ניתן ליישם adsorbents עם משטחים הטרוגנית. האתרים ספיחה, מופץ בכל רחבי השטח של בעלי כושר ספיגה, מאופיינים זיקות שונות עבור סֶפַח, ואילו החומר adsorbed מהווה יותר משכבה אחת על פני השטח של בעלי כושר ספיגה. פרוינדליךהמודל מתבטא בצורה מתמטית:

כאשר K _f ו- n הם קבועים האיזותרמה פרוינדליך, מתאים יכולת ספיחה ועוצמת ספיחה, בהתאמה.

לבסוף, מודל טמקין מניח כי חום הספיחה של כל המולקולות של השכבה יורד באופן ליניארי עם כיסוי בשל האינטראקציות הסופחות-סֶפַח, ואילו אנרגית הקשר מופץ באופן אחיד. מודל טמקין מתבטא המשוואה הבאה:

כאשר R הוא קבוע אוניברסלי גז (8.314 J / mol / K), T היא ההטמפרטורה דואר (K), ΔQ הוא וריאציה של אנרגיה ספיחה ((J / mol) ∙ (g / μmol)), ו- K ₀ הוא שיווי משקל האיזותרמה טמקין מחייב קבוע (100 מ"ל / μmol).

הערכים של מקדמים לכל הדגמים השימושיים מחושבים התבססו על איזותרמות הספיחה זממו (איור 4 א) ואת הצורות ליניארי של לנג 'מור, פרוינדליך, ומשוואות טמקין (-4D איור 4). הערכים מקדם, יחד עם משוואות לינאריות, מוצגים בלוח 1. לבסוף, השוואות בין נתוני ניסוי ואת איזותרמות ספיחה התיאורטיות של Ni ^{2 +} על החומר הפעיל במשך שלושת מודלי הספיחה השונים מוצגות באיור 5. בהתבסס על קווי המתאר של גרפי הקרבה הגבוהה של תוצאות הניסוי אל עקומות האיזותרמה תיאורטית, זה אומת כי לאחרונה עבורבחומר הסופג med ניתן להשתמש ביעילות כמו בעלי כושר ספיגה Ni ^{2 +.}

על ידי השוואת התוצאות המצוידות המוצגות ציור 5a ו 5 ב, כמו גם את מקדמי הרגרסיה (R ²⁾ עבור הדגמים לאנגמיור ופרוינדליך (טבלת 1), ברור כי המשוואה לאנגמיור היא האחד שיתאר טוב יותר את נתוני הניסוי. משמעות דבר הוא כי הספיחה של יוני Ni ^{2 +} על החומר המר היא ספיחה בשכבה וכי המטבעה היא של תהליך chemisorption. כדי להמשיך לנתח את האופי של הספיחה הנחקרת, גם ניסינו להתאים את מודל טמקין אל נתוני הניסוי. מהגרף המוצג 5c איור ו R ² (טבלת 1) הגבוה שלה, ברור כי מודל טמקין גם מתאים לנתונים הניסיונות היטב. בהתבסס על הערכים החיוביים של הווריאציה שלאנרגית ספיחה (ΔQ), ניתן להסיק כי הספיחה פולטת חום.

איור 1: מיצוי חומצה אצטית. ריכוז של אל, Ca, Mg, ו סי ב הפתרונות התשטיפים (הצעד הראשון, הצעד השני, ובסך הכל) הנובעים תגובה בין חומצה אצטית הקרקע, סיגים BF מגורען ב 30 מעלות צלזיוס, 1,000 סל"ד ו במשך 60 דקות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2: סידן קרבונט משקע. (א) רכב של משקע קרבונט, הביע באחוזי משקל לכל אלמנט, לנרמל ד ל -100% בסך הכל. (ב) בתרשים XRD של המשקע-סודה פוסט. (ג) התפלגות גודל החלקיקים של המשקע-סודה פוסט. לשכפל מ- De Crom et al. ⁶ באישור Elsevier (3879261230348). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3: חומר המרה hydrothermally. (א) רכב החומר המר hydrothermally, הביע באחוזי משקל לכל אלמנט, מנורמל 100% בסך הכל. (ב) בתרשים XRD של החומר המר hydrothermally. (ג) התפלגות גודל החלקיקים הממוצעת של החומר המר hydrothermally..com / קבצים / ftp_upload / 55,062 / 55062fig3large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4: איזותרמות ספיחה. (א) נתונים האיזותרמה ספיחה של Ni ^{2 +} על חומר התקנת זאוליט לפני ואחרי התאמת pH. (ב - ד) התאמה של נתוני ניסוי למודלי הספיחה לאנגמיור, פרוינדליך, ואת טמקין לינארית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5: קרב נתונים מחקרי ו מדומה. השוואה בין נתוני הניסוי (לשעברעמ ') ואת איזותרמות ספיחה מדומה (Calc) של Ni ^{2 +} על חומר התקנה זאוליט פי לאנגמיור) א (, (ב) פרוינדליך, ו- (ג) מודלים טמקין. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

	משוואות ליניאריות		מקדמי	לא מכוון	מוּתאָם
משוואה לאנגמיור			D מ	196.08	196.08
			k	0.174	.0851 ד>
			R 2	.997	.993
פרוינדליך משוואה			n	2.50	2.13
			K f	26.50	17.64
			R 2	0.840	.893
טמקין משוואה			Δ Q	102.30	93.99
			K 0	9.97	3.58
			R 2	0.998	.978

page = "1"> טבלה 1: פרמטרים האיזותרמה ספיחה על ספיחה Ni ^{2 +} על חומר התקנה זאוליט. משוואות, ופרמטרים מצוידים מן, לינארית לאנגמיור, פרוינדליך, ומודלי ספיחת טמקין.

Discussion

Although the indirect carbonation^7,8 and the hydrothermal conversion^9,10 of BF slags have been widely researched as separate processes, their coupling for the symbiotic synthesis of PCC and zeolitic minerals has only recently been proposed⁵, and the methodology is herein presented in detail. The most critical step of the process is the sufficient (almost total) extraction of Ca and the limited leaching of silica and aluminum from the BF slag during the extraction phase. The high amount of calcium in the leachate secures a high rate of PCC synthesis after carbonation and inhibits the generation of large amounts of undesired phases (e.g., tobermorite, hydrogarnet (Ca₃Al₂(SiO₄)_3-y(OH)_4y)) among the hydrothermally converted products⁹. On the other hand, the preservation of the greatest part of Si and Al in the post-extraction solid residues is of instrumental importance for the formation of zeolitic minerals.

To this end, among the several extractants investigated in the literature^{7,8,10,11,34,35,36}, acetic acid was selected as the most suitable for the aim of this study. The particular extraction agent causes the release of high amounts of calcium from the slag to the solution, while ensuring the retention of the largest part of Si and Al in the resulting residues. This promotes the parallel formation of PCC and zeolites. The acetic acid-to-calcium molar ratio used in each extraction step was 2:1 (based on the mass of slag, the calcium content of the slag, and the volume of acetic acid solution), meaning that the total ratio over two extraction steps was 4:1. Since calcium acetate has an acetate-to-calcium ratio of 2:1, double the stoichiometric amount was used, as was found necessary by Chiang et al.⁵

In order to limit the presence of undesired impurities in the generated PCC, the leachate solution should be subjected to further purification before being carbonated; this is another novelty of the proposed symbiotic process. In earlier work, the PCC quality (chemical purity, mineral composition, particle size and shape) was negatively affected by impurities. For the synthesized PCC to be qualified as paper filler, certain criteria must be met. The produced PCC should be characterized by high chemical purity (min. 98 wt% Ca), homogenous mineralogical structure, small average particle size, and narrow size distribution⁶. As presented in the Representative Results section, the proposed process affords these characteristics. The precipitated carbonate is of high purity and has a calcium content of 98.1 wt% (Figure 2a).

The optimization of the hydrothermal conversion process resulted in the production of a material with the ability to act as a heavy metal adsorbent. The optimization was made by finding the most suitable combination of temperature, NaOH concentration, and reaction time. Tobermorite is one of the undesirable mineral phases that can form; its layered crystal structure leads to reduced specific surface area³⁹, a trait important for sorbents, though it has been reported that tobermorite can act as a sorbent through an ion-exchange mechanism⁴⁰. Nonetheless, the mineral phase that dominates the converted material in this study, under optimal conditions, is that of analcime (Figure 3b). It is a zeolite that has been reported to have a notable heavy metal adsorption capacity^41,42 and can thus be used for the removal of toxic contaminants from wastewaters, as shown herein.

The potential use of this material as a sorbent was investigated for nickel removal from water. The pH levels of the synthetically prepared contaminated solutions of Ni²⁺ were controlled to 4-5 during the test, first, to prevent dissolution of the material in the initial acidic environment of the synthetic solution, and, second, to adjust the pH to the level typically found in heavy metal remediation conditions⁴³. Three different isotherm models, namely Langmuir, Freundlich, and Temkin, were applied in order to characterize the adsorption processes (Figures 4 and 5), with the Langmuir model proving to be the most appropriate. It should be noted that the D_m values attributed to the unadjusted equilibrium adsorbent-adsorbate solutions are higher than those corresponding to the equilibrium solutions after the adjustment. This is explained by the rise in pH that takes place during the adsorption reactions occurring in the solution until it reaches its equilibrium. A higher pH (>5) causes nickel to precipitate as Ni(OH)₂, according to geochemical modeling and experimental studies by Santos et al.⁴⁴, which in turn inflates the D_m value. This type of heavy metal should not be accounted as the actual adsorption capacity of the tested material. In an effort to avoid such biased measurements, the pH of the equilibrated adsorbent-adsorbate solution was re-adjusted to ~5.0 by adding drops of concentrated hydrochloric acid. The lower q_e values (Figure 4a), and consequently, the more conservative Ni adsorption estimate of the pH-adjusted solution, can thus be obtained.

The techniques described herein have the potential to be adapted to the exploitation of other materials as sources of Ca, Al, and Si for the synthesis of PCC and zeolites. Potential materials other than blast furnace slag can include steelmaking slags, incineration ashes, mining and mineral processing tailings, construction and demolition waste, natural minerals, etc. Not all of these materials contain the same proportions of Ca, Al, and Si as BF slag (which is what makes BF slag particularly attractive), but nonetheless, they can still be used to produce PCC, zeolites, or other mineral-derived products (e.g., aggregates⁴⁵ or pozzolanic materials) through similar processing techniques (some combination of extraction, precipitation and/or chemical conversion). Also, the zeolitic materials produced from BF slag or other minerals should be tested for other wastewater or remediation applications, as they likely have adsorption capacity for other heavy metals, such as Cd, Pb, and Zn⁴⁶. Economics (the need to pay for virgin materials versus the avoidance of disposal fees for waste materials, or the financial return on utilizing the products for higher- or lower-value applications) should play a role in the identification of a suitable mineral feedstock. Substitution of other process inputs (acetic acid, sodium hydroxide, and concentrated CO₂) by less costly or more easily recoverable alternatives should also be considered to improve processing costs.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Acetic acid (CH3COOH)	Caledon Laboratories	1000-1-29	Glacial (≥99.7%).
Autoclave reactor	Parr	4525-T-HC-M(HC)	One liter volume, equipped with dual turbine impeller, baffle and electric heating jacket.
Blast Furnace (BF) slag	ArcelorMittal	-	Granulated BF Slag from Ghent (Belgium); Pelletized BF Slag from Hamilton (Canada).
Carbon dioxide (CO2)	Praxair	TBC	Industrial grade (99.5%).
Centrifugal Mill	Retsch	ZM100	0.50 mm sieve.
Centrifuge	Thermo Electron	IEC CL30	To separate solids from liquids.
Ecoclave reactor	Büchi	Type 3E	One liter volume, equipped with turbine impeller, baffle and electric heating jacket.
Filter paper	Fisher Scientific	P8 (09-795F)	Porosity: coarse; flow rate: fast.
Hydrochloric acid (HCl)	Caledon Laboratories	6025-1-29	Reagent grade (36.5%-38.0%).
Incubator	New Brunswick Scientific	I 24	Orbital shaker with temperature control.
Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS)	Thermo Electron	X Series	To determine the concentration of Al, Ca, Mg and Si in the post-extraction leachates and post-carbonation liquid medium.
Inductively Coupled Plasma Optical Emissions Spectrometer (ICP-OES)	PerkinElmer	Optima 8300	To determine the concentration of Ni in the post-centrifuged equilibrated adsorbent-adsorbated leachate.
Laser Diffraction Analysis (LDA)	Malvern	Mastersizer 3000	To measure the average particle size diameter and particle size distribution (PSD) of the solids.
Microbalance	Sartorius	Quintix224-S1	Four decimals.
Ni standard solution	Perkin Elmer	N9300136	Concentration of 1,000 mg/1,000 mL.
Nitric acid (HNO3)	Caledon Laboratories	7525-1-29	Reagent grade (68.0%-70.0%).
Oven	Fisher Scientific	Isotemp oven	105°C.
pH meter	Fisher Scientific	AB15	Calibrated with standard solutions before each set of measurements; temperature corrected to 25 °C.
Sodium hydroxide (NaOH)	Caledon Laboratories	7871-6-42	Reagent grade (50% W/W).
X-ray Diffraction (XRD)	Rigaku	MiniFlex 600	To characterize mineralogical properties of adsorbant solids.
X-ray Fluorescence (XRF)	PANalytical	Zetium	To characterize chemical composition of solids.
Nitrogen Adsorption	Quantachrome	NOVAtouch	To characterize specific surface area, pore volume and mean pore diameter of solids.