作为钢铁冶炼的“废物”，铁钢渣的数量及处理已成为环境问题。现在，工业废弃物包括炉渣的削减和循环利用引起了社会的极大关注。虽然铁钢渣已广泛用于建筑及城市基础工程，但用于农业领域的报道却很少见。铁钢渣由于含有许多对农作物有益的元素如硅、镁及铝，因而极可能成为植物养分的来源。特别是这类渣中含有大量硅，而硅是水稻、甘蔗、木薯及谷物所需的重要微量营养元素。将铁钢渣用于农作物，不仅有利于农作物生长，而且也能提高农作物抵抗病虫害的免疫力。在稻田使用铁钢渣的许多研究称，用这类渣可使水稻增产。砂石、土壤及矿物里也含有大量硅，但这些硅都是非活性二氧化硅。基本上，植物只吸收活性硅，而且是从土壤溶液中吸收硅，量很少。二氧化硅自然转化成活性硅被植物吸收需经过很长时间（1年）。
本研究通过对铁钢渣的加酸水解，调查了活性硅的可萃性。采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR FT-IR）、电感耦合等离子光学放射光谱测定法（ICP-OES）及X-射线荧光光谱测定法（XRF）对从渣中萃取的活性硅进行了验证。
1、背景
炉渣按冶炼工艺进行分类。高炉炼铁生成的炉渣称为“铁渣”，而顶吹氧气转炉及电炉炼钢生成的炉渣称为“钢渣”。通常生产1t铁产生300kg铁渣，生产1t钢产生80-100kg钢渣。铁渣及钢渣均含有硅酸盐，即硅酸钙、硅酸铝、硅酸镁以及其他各种化合物。因铁渣及钢渣物理及化学性质不同，因而用途也不同。铁渣及钢渣中的矿物成分如SiO2、CaO、MgO、Mn及其他微量养分能影响植物的生长。植物所能吸收的活性硅称为“原硅酸”，只含1个硅原子，其分子式为H4SiO4。
2、研究结论
2.1、铁渣及钢渣成分
本研究所用铁渣及钢渣样品取自泰国春武里（chonburi）的钢铁厂。钢渣是电炉炼钢炉渣。两种渣的成分如表1所示。渣的主要成分是CaO、SiO2及Fe2O3，可用作植物养分的硅含量相当多，铁渣与钢渣的主要区别是铁含量不同。铁渣中Fe2O3约为50%，而钢渣中为26%。
表1：铁渣与钢渣成分
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成分，重量%
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铁渣
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钢渣
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Na2O
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0.04
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0.19
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MgO
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4.4
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5.3
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Al2O3
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3.7
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7.7
|
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SiO2
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10
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24
|
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P2O5
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0.57
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0.22
|
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K2O
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0.01
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0.45
|
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CaO
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22
|
29
|
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TiO2
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0.55
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0.76
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Cr2O3
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1.1
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1.9
|
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MnO
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4.8
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3.7
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Fe2O3
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50
|
26
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2.2活性硅的特性
众所周知，铁渣及钢渣中的硅是非活性的二氧化硅，是不可溶解的。而活性硅是通过铁钢渣的加酸水解萃取的。活性硅的特性可通过与未处理的炉渣及工业原硅酸的对比来鉴定。活性硅及原始炉渣的红外光谱主要处于3700-3000cm-1及1700-850cm-1两个频率范围。3700-3000cm-1的宽带与约1640cm-1处的锐线分别代表H2O中O-H的延伸及弯曲振动。在1550-1350cm-1及1280-800cm-1低频范围显现出不同的光谱特征，这两个低频范围分别对应于C-O及Si-O的吸收带。在加酸处理前的铁渣及钢渣光谱中可以观察到1450cm-1处CO32-中C-O的延伸振动带。在进行加酸水解后，此振动带消失。在铁渣光谱上，可观察到在1130cm-1处SiO2中Si-O的尖锐线，而此锐线与钢渣光谱上1000cm-1处Ca-O的尖锐线有小部分重叠。用H4ClO4+HCl及H2SO4分别对铁渣进行水解后，Si-O的峰频分别转移到低频1090cm-1及1064cm-1处，后者更符合工业原硅酸的光谱。Si-O峰频的这种转移是因硅成分从非活性到活性的化学转化所致。984cm-1频带对应于Si-O-H的延伸振动，表明工业原硅酸有此频带，铁渣用H2SO4处理后光谱上也有此频带，但用混合酸处理后并无此光谱频带。这可能是因为混合酸萃取的活性硅是聚合形态硅的缘故。同样，钢渣经用H2SO4水解处理后，Si-O的吸收频带也会转移到高频1060cm-1。这与工业原硅酸的频带演变是一致的。
此外，在处理过的钢渣光谱上观察到910cm-1附近的频带是一个尖锐线，而在处理过的铁渣光谱上则是一个小宽带。此频带可认定是Si-O-Al及Si-O-Mg段的振动带。基于这些光谱频带特征可以证明，用H2SO4对铁渣及钢渣进行水解有助于从中萃取活性硅，然而这种活性硅酸体系还含有Al和Mg。
2.3、活性硅的溶解度
采用ICP-OES法测定了从铁渣及钢渣中萃取的活性硅的溶解度，并与未处理炉渣及工业原硅酸的溶解度进行了对比，所得结果如表2所示。未用酸处理的铁渣及钢渣中的硅难溶于H2O，而工业原硅酸中的硅却易溶于H2O，在含硅7.4%的工业原硅酸产品中可溶解5.4%的硅。铁渣中原始硅含量为14%，从中可萃取5.6%的硅（萃取率为40%）；钢渣中原始硅含量为11%，可萃取的硅量为3%（萃取率为27%）。为提高可溶性二氧化硅的可萃性，需进一步优化加酸水解的处理条件。测定了活性硅的成分，并与工业原硅酸的成分进行了对比，如表3所示。在萃取过程当中，除能获得活性硅外，还能得到其他一些元素，例如4.4%的铝及2.8%的镁以及少量的钠、钾、钙、锰及铁等。这些元素都是农作物所需的微量养分，活性硅的工业产品中也含有这些元素，只是含量有所不同。
表2：铁渣及钢渣萃取所得活性硅及原硅酸的溶解度（ICP-OES法测定结果）
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可溶性活性硅，重量%
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铁渣
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钢渣
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工业原硅酸
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|
|
不作处理
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14
|
11
|
7.4
|
|
H2SO4
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5.6
|
3
|
|
|
H2O
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0.03
|
0.01
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5.4
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表3：铁渣经H2SO4处理前后的成分及工业原硅酸的成分（XRF法测定结果）
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铁渣
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加酸水解后的铁渣
|
工业原硅酸
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F
|
0.58
|
0.27
|
26
|
|
Na
|
0.19
|
0.17
|
8
|
|
Mg
|
3.73
|
2.82
|
10
|
|
Al
|
7.67
|
4.38
|
0.03
|
|
Si
|
13.78
|
6.68
|
7.41
|
|
S
|
0.79
|
17.49
|
11
|
|
Cl
|
0.02
|
|
0.04
|
|
K
|
0.8
|
0.46
|
0.02
|
|
Ca
|
22.85
|
0.5
|
0.03
|
|
Ti
|
0.27
|
0.14
|
-
|
|
Mn
|
0.2
|
0.11
|
4.89
|
|
Fe
|
0.71
|
0.34
|
0.56
|