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.
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.
क्षारीय धातुओं में अमीर औद्योगिक अवशेषों की अप्रत्यक्ष कार्बोनेशन व्यापक रूप से कार्बन कैप्चर और स्टोरेज (सीसीएस) प्रौद्योगिकी 1, 2, 3, 4 के भाग के रूप में शोध किया गया है। सीओ 2 में से कुछ राशि कुशलता से संग्रहित किया जा सकता है, स्थायी रूप से, और एक तरह से वातावरण को सौम्य है। हालांकि, जबकि मूल्यवान सामग्री का गठन कर रहे हैं, वहाँ तकनीक है कि अपर्याप्त पता लगाया रहता है का एक हिस्सा है। अप्रत्यक्ष कार्बोनेशन प्रक्रिया में, कैल्शियम चुनिंदा सामग्री से निकाला जाता है और बाद में नियंत्रित परिस्थितियों में कार्बोनेशन के अधीन है। हालांकि, अपशिष्ट मूल्यसिथरीकरण प्रक्रिया सामग्री से ठोस अवशेषों को उत्पन्न करता है; इन अवशेषों को आगे की कार्रवाई की या कैल्शियम निकासी चरण के बाद शोषण नहीं कर रहे हैं। मार्गों कि इस तरह के अवशेषों के उत्पादन को कम करने, या यहां तक कि उन्हें समाप्त प्रसंस्करण, पाया जाना चाहिए। इसके लिएअंत में, हाल ही में, वहाँ का विकास और अनुकूलन करने के लिए एक प्रक्रिया है जो, ब्लास्ट फर्नेस (बीएफ) शुरू सामग्री, कार्बन का एक शून्य अपशिष्ट खनिज ज़ब्ती, उपयोगी खनिज के गठन के साथ साथ के रूप में लावा का उपयोग करके द्वारा, हो सकता है एक प्रयास किया गया है हासिल की 5, 6।
कई अपशिष्ट पदार्थों सीओ 2 खनिज के लिए कुशल अभिकारकों के रूप में योग्य हैं। उनमें से, iron- और इस्पात बनाने slags काफी अधिक प्रयोगात्मक सीओ हर दूसरे औद्योगिक अपशिष्ट 4 से 2 uptakes प्रस्तुत करते हैं। अपशिष्ट मूल्यसिथरीकरण के लिए बीएफ लावा के आकर्षण में अपने गुणों (रासायनिक, खनिज, और रूपात्मक गुण) और सामग्री 5 के संभावित अनुप्रयोगों में निहित है। यह लोहे लेने की प्रक्रिया, जिसमें लौह अयस्क से दोष एक pyrometallurgical प्रक्रिया में हटा दिया जाता है की एक उप-उत्पाद है। रास्ते के आधार पर यह molte से अपनी जुदाई के बाद नीचे ठंडा किया जाता हैn लोहा, लावा के चार अलग अलग प्रकार उत्पन्न कर रहे हैं: (i) एयर कूल्ड (यानी, क्रिस्टलीय), (ii) दानेदार (यानी, vitrified), (iii) का विस्तार (यानी, foamed), और (iv) pelletized।
हालांकि उपजी कैल्शियम कार्बोनेट (पीसीसी) के उत्पादन बीएफ लावा का अप्रत्यक्ष कार्बोनेशन का उपयोग कर एक प्रक्रिया है कि ज्यादा ध्यान 7, 8 को आकर्षित करने में कामयाब रहा है, zeolitic खनिजों के उत्पादन के लिए लावा का जलतापीय रूपांतरण एक तकनीक है कि अध्ययन किया गया है और हाल के वर्षों के दौरान केवल 9 विकसित की है, 10, 11। बहरहाल, मामले से कोई भी यह एक तकनीक है कि आदेश में पीसीसी और zeolites की सहजीवी गठन के लक्ष्य को हासिल करने में बीएफ लावा का अप्रत्यक्ष कार्बोनेशन के साथ संयोजन में इस्तेमाल किया जा सकता है के रूप में माना गया है। निम्नलिखित दो-तरफा मूल्यसिथरीकरण प्रक्रिया यहाँ बताया, इन दोनों तकनीकोंसीओ 2 के लिए पर्याप्त ज़ब्ती को पूरा करने के लिए समय भी zeolitic खनिज प्राप्त करने और किसी भी संभावित ठोस अवशेषों को नष्ट करने मिलकर कर रहे हैं। इस प्रक्रिया के अनुसार, सीओ 2 कैल्शियम कि एक खनिज कार्बोनेशन प्रतिक्रिया 5 के माध्यम से एसिड लीचिंग द्वारा लावा से निकाला गया था में संग्रहित है। Papermaking (खनिज, कण आकार के वितरण, और कण आकृति विज्ञान) में अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त पीसीसी उत्पाद गुणों को प्राप्त करने के लिए, निकासी मंच से leachate पहले भौतिक-रासायनिक शुद्ध 6 है। समानांतर में, zeolitic खनिज कैल्शियम निकासी चरण 5 से उत्पन्न ठोस अवशेषों की जलतापीय रूपांतरण के माध्यम से एक कास्टिक समाधान में बनते हैं।
जिओलाइट एक alumino सिलिकेट खनिज है। यह स्वाभाविक रूप से होता है, लेकिन यह भी औद्योगिक रूप से बड़े पैमाने पर उत्पादन किया जा सकता है। कई अद्वितीय जिओलाइट चौखटे पहचान की गई है, विभिन्न आवेदन के लिए अग्रणीसामग्री के लिए ations। उदाहरण के लिए, वे कई औद्योगिक क्षेत्रों 12, 13 में उत्प्रेरक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है; वे, डिटर्जेंट में और डामर में additives के रूप में निर्माण सामग्री में पाए जाते हैं ठोस 14, 15, और पोर्टलैंड सीमेंट 16, 17; और वे भी चिकित्सा 18, 19, 20 और कृषि 21, 22, 23 डोमेन में आवेदन किया है। इसके अलावा, उनके बड़े विशिष्ट सतह क्षेत्रों और उनके कटियन विनिमय क्षमता के कारण, zeolites भी sorbents 24, 25, 26, 27 के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। ये विशेष sorbents भी टी इस्तेमाल किया जा सकताओ सीधे इस तरह के गंदे पानी या दूषित भूजल 28, 29, 30, 31 के रूप में भारी धातु से लदी धाराओं, इलाज। इस अध्ययन में, zeolitic दो तरह मूल्यसिथरीकरण प्रक्रिया के माध्यम से बीएफ लावा से उत्पादित माल, पहली बार के लिए, एक भारी धातु, अर्थात्, निकल के लिए एक पी लेनेवाला के रूप में परीक्षण किया है।
प्रस्तावित सहजीवी प्रक्रिया के लिए, एक निष्कर्षण एजेंट दोनों पीसीसी और जिओलाइट गठन के लिए मिलनसार इस्तेमाल किया जाना चाहिए। इस प्रकार, एक उपयुक्त निकासी के चुनाव महत्वपूर्ण है। कई लीचिंग एजेंटों दोनों अप्रत्यक्ष कार्बोनेशन 7, 8 और जलतापीय रूपांतरण 10, बीएफ लावा की 11 पर पूर्व अनुसंधान में लागू बीच, एसिटिक एसिड सबसे होनहार के रूप में चयनित किया गया था। हाइड्रोक्लोरिक एसिड 10 दर्शाती हानिकारक दोनों जी पर प्रभावपीसीसी की और लीचिंग चयनात्मकता पर eneration, leachate समाधान में सी और अल की मात्रा में महत्वपूर्ण नुकसान के कारण। दूसरी ओर, फार्मिक एसिड 11, कुशल साबित हुई, क्योंकि यह कुशलता से लावा से सीए और मिलीग्राम दूर करने के लिए है, जबकि उल्लेखनीय लीचिंग चयनात्मकता पेश दोनों एसआई और अल undisturbed छोड़ने सफल हुआ है। हालांकि, यह एक कम एसिड हदबंदी एसिटिक एसिड 33 से लगातार प्रस्तुत करता है, सुझाव है कि कैल्शियम कार्बोनेट की वर्षा निकासी के एजेंट के रूप में एसीटेट समाधान के रोजगार के बाद और अधिक आसानी से प्राप्त किया जाना चाहिए। यह भी कुछ मामलों में, जैसे succinates 34 के उपयोग के साथ के रूप में दिखाया गया है, और 35 Oxalates, गैर कार्बोनेट पीसीसी के स्थान पर प्रपत्र precipitates। Eloneva एट अल। इस्पात निर्माण slags से कैल्शियम को हटाने और पाया एसिटिक एसिड के लिए 36 की तुलना में सोलह extractants सबसे कुशल होने के लिए (सबसे अच्छा0.5 एम और 2 एम निकासी सांद्रता के बीच प्रदर्शन) और सबसे सफल (उच्चतम कैल्शियम वसूली ~ 100 पर%)।
निम्नलिखित प्रोटोकॉल प्रयोगशाला पैमाने पर प्रयोगात्मक प्रक्रिया है कि उच्च शुद्धता पीसीसी के गठन और एक zeolitic सामग्री की ओर जाता है, कागज fillers और भारी धातु sorbents, क्रमशः के रूप में संभावित उपयोगों के साथ विस्तार से वर्णन है। बीएफ लावा शुरुआती सामग्री है। एक पर्याप्त भारी धातु Sorbent के रूप में संश्लेषित zeolitic सामग्री के मूल्यांकन के लिए आवेदन किया परीक्षण प्रक्रियाओं को भी रेखांकित कर रहे हैं।
हालांकि अप्रत्यक्ष कार्बोनेशन 7, 8 और 9 जलतापीय रूपांतरण, बीएफ slags के 10 व्यापक रूप से अलग प्रक्रियाओं के रूप में शोध किया गया है पीसीसी और zeolitic खनिजों का सहजीवी संश्लेषण के लिए उनकी युग्मन हाल ही में प्रस्तावित किया गया है 5, और कार्यप्रणाली के साथ साथ में प्रस्तुत किया है विस्तार। प्रक्रिया का सबसे महत्वपूर्ण कदम पर्याप्त (लगभग कुल) सीए की निकासी और निकासी के चरण के दौरान सिलिका और बीएफ लावा से एल्यूमीनियम के सीमित लीचिंग है। Leachate में कैल्शियम की उच्च राशि कार्बोनेशन के बाद प्रदेश कांग्रेस संश्लेषण की एक उच्च दर को सुरक्षित और अवांछित चरणों की बड़ी मात्रा की पीढ़ी को रोकता है (जैसे, tobermorite, hydrogarnet (सीए 3 अल 2 (SiO 4) 3-वाई (OH) 4 वर्ष) ) hydrothermally परिवर्तित उत्पादों 9 के बीच में। वें परई दूसरी ओर, पोस्ट-निष्कर्षण ठोस अवशेषों में सी और अल का सबसे बड़ा हिस्सा के संरक्षण zeolitic खनिजों के गठन के लिए महत्वपूर्ण भूमिका निभाई महत्व का है।
यह अंत करने के लिए, साहित्य में जांच की कई extractants के बीच 7, 8, 10, 11, 34, 35, 36, एसिटिक एसिड इस अध्ययन का उद्देश्य के लिए सबसे उपयुक्त के रूप में चयनित किया गया था। विशेष निकासी एजेंट, समाधान के लिए लावा से कैल्शियम की उच्च मात्रा की रिहाई का कारण बनता है जबकि जिसके परिणामस्वरूप अवशेषों में सी और अल का सबसे बड़ा हिस्सा की अवधारण को सुनिश्चित करने। इस पीसीसी और zeolites की समानांतर गठन को बढ़ावा देता। एसिटिक एसिड के लिए कैल्शियम दाढ़ प्रत्येक निकासी चरण में इस्तेमाल किया अनुपात 2: 1 (लावा, लावा की कैल्शियम की मात्रा, और वें के द्रव्यमान के आधार परएसिटिक एसिड समाधान के ई की मात्रा), जिसका अर्थ है कि दो निष्कर्षण कदम पर कुल अनुपात 4: 1। चूंकि कैल्शियम एसीटेट 2 के एक एसीटेट करने वाली कैल्शियम अनुपात है: 1, डबल stoichiometric राशि है, के रूप में इस्तेमाल किया गया था चियांग एट अल द्वारा आवश्यक मिला था। 5
आदेश उत्पन्न पीसीसी में अवांछित अशुद्धियों की उपस्थिति सीमित करने में, leachate समाधान कार्बोनेटेड होने से पहले आगे की शुद्धि के अधीन किया जाना चाहिए; इस प्रस्तावित सहजीवी प्रक्रिया का एक और नवीनता है। पहले काम में, पीसीसी गुणवत्ता (रासायनिक पवित्रता, खनिज संरचना, कण आकार और आकृति) नकारात्मक दोष से प्रभावित था। संश्लेषित पीसीसी कागज पूरक के रूप में योग्य हो, कुछ मानदंडों से मुलाकात होगी। उत्पादित पीसीसी उच्च रासायनिक पवित्रता (मि। 98% wt सीए), समरूप खनिज संरचना, छोटे औसत कण आकार, और संकीर्ण आकार वितरण 6 की विशेषता किया जाना चाहिए। प्रतिनिधि परिणाम के रूप में पेशअनुभाग, प्रस्तावित प्रक्रिया इन विशेषताओं देता है। उपजी कार्बोनेट उच्च शुद्धता की है और 98.1% wt (2A चित्रा) के एक कैल्शियम सामग्री है।
जलतापीय रूपांतरण की प्रक्रिया के अनुकूलन क्षमता एक भारी धातु पी लेनेवाला के रूप में कार्य करने के साथ एक सामग्री के उत्पादन में हुई। अनुकूलन के तापमान, NaOH एकाग्रता, और प्रतिक्रिया समय का सबसे उपयुक्त संयोजन खोजने के द्वारा बनाया गया था। Tobermorite अवांछनीय खनिज चरणों कि फार्म कर सकते हैं में से एक है; अपने बहुस्तरीय क्रिस्टल संरचना, कम विशिष्ट सतह क्षेत्र 39, एक विशेषता sorbents के लिए महत्वपूर्ण की ओर जाता है, हालांकि यह बताया गया है कि tobermorite एक आयन एक्सचेंज तंत्र के माध्यम से एक 40 Sorbent के रूप में कार्य कर सकते हैं। बहरहाल, खनिज चरण है कि इस अध्ययन में परिवर्तित सामग्री हावी है, इष्टतम परिस्थितियों में, analcime (चित्रा 3 बी) का है। यह एक जिओलाइट कि करने के लिए सूचित किया गया हैएक उल्लेखनीय भारी धातु सोखना क्षमता 41, 42 है और इस के साथ साथ के रूप में दिखाए गए इस प्रकार, अपशिष्ट जल से विषाक्त प्रदूषणों से हटाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।
एक sorbent के रूप में इस सामग्री की क्षमता का उपयोग पानी से निकल हटाने के लिए जांच की गई। नी 2 + की कृत्रिम दूषित समाधान के पीएच स्तर की परीक्षा के दौरान 4-5 को नियंत्रित किया गया है, पहले, सिंथेटिक समाधान की प्रारंभिक अम्लीय वातावरण में सामग्री के विघटन को रोकने के लिए, और, दूसरी, पीएच को समायोजित करने के लिए स्तर आम तौर पर भारी धातु remediation की स्थिति 43 में पाया। तीन अलग अलग इज़ोटेर्म मॉडल, अर्थात् Langmuir, Freundlich, और Temkin, आदेश Langmuir मॉडल सबसे उपयुक्त साबित हो रही के साथ, सोखना प्रक्रियाओं (आंकड़े 4 और 5) को चिह्नित करने में लागू किया गया। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि डी एम attrib मूल्योंअसमायोजित संतुलन को uted पी लेनेवाला-adsorbate समाधान समायोजन के बाद संतुलन समाधान करने के लिए इसी उन लोगों की तुलना में अधिक हैं। यह पीएच में वृद्धि है कि समाधान में होने वाली जब तक वह अपने संतुलन पहुँचता है सोखना प्रतिक्रियाओं के दौरान जगह लेता से समझाया है। एक उच्च पीएच (> 5) नी (ओएच) 2 के रूप में वेग निकल कारण बनता है, geochemical मॉडलिंग और सैंटोस एट अल द्वारा प्रयोगात्मक अध्ययन के अनुसार। 44, जो बारी में डी एम मूल्य फुलाते। भारी धातु की इस प्रकार की सामग्री का परीक्षण की वास्तविक सोखना क्षमता के रूप में जिम्मेदार नहीं किया जाना चाहिए। ऐसे पक्षपाती माप से बचने के प्रयास में, equilibrated पी लेनेवाला-adsorbate समाधान के पीएच ~ 5.0 केंद्रित हाइड्रोक्लोरिक एसिड की बूंदों को जोड़कर फिर से समायोजित किया गया। कम क्यू ई मूल्यों (चित्रा 4 ए), और फलस्वरूप, पीएच समायोजित समाधान की अधिक रूढ़िवादी नी सोखना अनुमान है, इस प्रकार हो सकता हेbtained।
तकनीक के साथ साथ वर्णित संभावित पीसीसी और zeolites के संश्लेषण के लिए सीए, अल, और सी के स्रोत के रूप में अन्य सामग्री का शोषण करने के लिए अनुकूलित किया जाना है। ब्लास्ट फर्नेस लावा के अलावा अन्य इस्पात निर्माण slags, जलाए जाने राख, खनन और खनिज प्रसंस्करण के अवशेष, निर्माण और विध्वंस अपशिष्ट, प्राकृतिक खनिज, आदि शामिल कर सकते हैं संभावित सामग्री नहीं इन सामग्रियों के सभी बीएफ लावा के रूप में सीए, अल, और सी के उसी अनुपात में होते हैं (जो है, जो बीएफ लावा विशेष रूप से आकर्षक बनाता है), लेकिन फिर भी, वे अभी भी पीसीसी, zeolites, या अन्य खनिज व्युत्पन्न उत्पादों (जैसे, समुच्चय 45 या pozzolanic सामग्री) समान प्रसंस्करण तकनीकों के माध्यम से (निकासी के कुछ संयोजन का निर्माण करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, वर्षा और / या रासायनिक रूपांतरण)। इसके अलावा, zeolitic सामग्री बीएफ लावा या अन्य खनिजों से उत्पादित, अन्य अपशिष्ट या remediation अनुप्रयोगों के लिए परीक्षण किया जाना चाहिए, क्योंकि वे संभावना है adsoऐसी सीडी, पंजाब, और Zn 46 के रूप में अन्य भारी धातुओं, के लिए rption क्षमता। अर्थशास्त्र (अपशिष्ट पदार्थों के लिए निपटान शुल्क से बचने के लिए, या higher- या कम मूल्य के अनुप्रयोगों के लिए उत्पादों के उपयोग पर वित्तीय वापसी बनाम वर्जिन सामग्री के लिए भुगतान करने की जरूरत है) एक उपयुक्त खनिज फीडस्टॉक की पहचान करने में एक भूमिका निभानी चाहिए। अन्य प्रक्रिया आदानों की स्थानापन्न (एसिटिक एसिड, सोडियम हाइड्रोक्साइड, और केंद्रित सीओ 2) कम महंगा या अधिक आसानी से वसूली योग्य विकल्प द्वारा भी प्रसंस्करण लागत में सुधार के लिए विचार किया जाना चाहिए।
The authors have nothing to disclose.
हम शेरिडन रासायनिक और पर्यावरणीय प्रयोगशालाओं की प्रयोगशाला कर्मचारियों, विशेष रूप से जसप्रीत Chandla, Nausheen Zehra, माइक OVAs, आयलैंड सटन, और डैनियल लियाओ में द्वारा प्रदान की अनुसंधान के लिए समर्थन स्वीकार करते हैं। ईजी भी उसे शेरिडन पर की मेजबानी के लिए डीन टेरी डेविसन और डेव Wackerlin एसोसिएट आभारी है। टेरी डेविसन और डॉ इयान McNab, शेरिडन में अनुप्रयुक्त विज्ञान और प्रौद्योगिकी के संकाय के डीन से वित्तीय सहायता भी सराहना की है। एटीएस वैज्ञानिक इंक, Quantachrome उपकरण, और Malvern उपकरण नाइट्रोजन सोखना और कण आकार के विश्लेषण के साथ सहायता में शालीन थे।
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 | 0.50mm 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 1000mg/1000ml. |
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. |