盐酸浸出-沉淀法从钢铁磨屑中湿法回收高纯度氯化铁混凝剂与氢气的创新工艺

《Resources, Conservation & Recycling Advances》：Hydrometallurgical Recycling of Steel Grinding Swarf via Hydrochloric Acid Leaching and Precipitation for Production of High Purity Iron Chloride Coagulants and Hydrogen Gas

本研究针对钢铁制造业产生的危险废弃物磨屑回收难题，开发了基于盐酸浸出与水解沉淀的湿法冶金新工艺。通过pH分级控制实现了铁的高效提取（95%）与铬/铝/钼的选择性分离，镍钴等杂质通过置换反应有效去除，最终获得符合ISO 888:2023标准的氯化铁混凝剂。该技术每吨磨屑可联产4.2吨34% FeCl2溶液和24kg氢气，为危险废物资源化提供了新路径。

　　

在钢铁制造和机械加工行业中，磨削工艺会产生大量含有金属碎屑和切削液的污泥状废弃物——磨屑。这种材料因含有矿物油而被列为危险废物（欧盟废物名录12 01 18），目前全球每年产生约1000-1200万吨，主要处置方式为填埋处理。磨屑回收面临三大难题：油脂污染导致回收价值低、成分异质性高、分布分散难以集中处理。更严重的是，残留在磨屑中的切削液可能渗入土壤和地下水，而金属组分在储存过程中还存在自燃风险。

传统回收方法如重熔制废钢或水泥填料存在明显局限性：油脂会阻碍压块成型，氧化现象导致金属收率降低，而低合金磨屑中缺乏贵金属元素使得回收经济性差。面对日益严格的水体污染物排放标准（欧盟2022年新指令），水处理用铁系混凝剂（如FeCl₃）需求持续增长，但当前产品主要依赖高品位铁矿石生产。能否将废弃磨屑转化为高附加值水处理剂，实现“以废治废”的循环经济模式？瑞典查尔默斯理工大学的研究团队在《Resources, Conservation 》发表的最新研究给出了创新解决方案。

研究人员设计了一套完整的湿法冶金工艺流程，核心包括盐酸浸出、pH调控沉淀、溶液浓缩三大环节。采用波长色散X射线荧光光谱（XRF）和X射线衍射（XRD）对磨屑及其残渣进行物相分析，通过电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）监测溶液金属离子浓度，并结合扫描电镜（SEM）观察颗粒形貌。针对来自轴承钢（样品A）和链锯刀片钢（样品B）的两种典型磨屑，系统研究了液固比（L/S）、温度、pH值等参数对金属提取效率的影响。

2.1 磨屑特性与化学成分

显微结构显示磨屑由镰刀状金属屑（长<100μm、厚<1μm）交织而成，XRD证实其主要为铁素体/奥氏体结构。样品A因经过压块处理含油量仅6.2%，而样品B含油量高达25.2%。元素分析显示两者铁含量分别为78.4%和68.4%，但铬存在形式差异显著：样品A中铬以合金形式存在，而样品B中的铬为电镀层氧化形成的Cr₂O₃。

2.2 回收工艺开发

2.2.1 浸出原理与水解沉淀

在60°C、pH≤2条件下，铁通过Fe+2H⁺?Fe²⁺+H₂↑反应溶解，3小时铁提取率>95%。将pH逐步升至4时，Cr³⁺、Al³⁺、Mo⁶⁺通过水解反应生成氢氧化物沉淀，而Fe²⁺、Mn²⁺等边界酸离子保持溶解状态。硬软酸碱理论（HSAB）分析表明，硬酸型离子（Cr³⁺、Al³⁺）与OH^-结合倾向更强是其选择性沉淀的关键。

2.2.2 连续浸出与沉淀

样品A的铁溶解率达90%以上，而含油量高的样品B仅45%，经乙醇预处理后两者溶解率均接近100%，证实切削液中缓蚀剂会抑制金属溶解。XRD显示残留物中出现渗碳体（Fe₃C）和纤铁矿（γ-FeOOH），表明碳化物包裹和氧化水解是铁损失的主因。

2.2.3 破乳与混凝

高浓度氯离子（>7M）通过压缩双电层促使油滴脱稳，切削液在浸出过程中发生混凝吸附现象。TOC分析表明仅3%有机碳进入溶液，大部分被滤饼截留。

2.3 氯化铁溶液浓缩

通过降低液固比（L/S=3 mL/g）和滤液循环，FeCl₂浓度从110g/L提升至249g/L。但浓度超过210g/L时pH调节困难，因Fe²⁺水解产生H⁺：Fe²⁺+xH₂O?Fe(OH)_x^(2-x)++xH⁺。

2.3.2 镍钴置换反应

高氯浓度环境下，Ni²⁺/Co²⁺通过Fe+Ni²⁺?Fe²⁺+Ni反应被金属铁置换析出。氯离子吸附促进电子转移，NiCl⁺络合物分步还原机制（NiCl⁺+e^-→NiCl_ads→Ni+Cl^-）显著提升反应动力学。

3.4 最终产品与工艺方案

3.4.1 固体残渣特性

滤渣中FeO(OH)含量达58%，富含铬、钼等有价金属，碳含量丰富可作为冶金还原剂。

3.4.2 工艺流程与物料平衡

建立的单釜批处理工艺可实现85%铁回收率，每吨磨屑消耗2.34吨37%盐酸，产出4.21吨34%FeCl₂溶液、0.5吨合金浓缩物和24kg氢气。氧化实验证实产品性能与商业FeCl₃混凝剂相当。

该研究首次实现了磨屑向水处理剂的直接转化，创新点在于：利用磨屑自身成分实现pH内调控，通过氯离子协同作用强化杂质分离，形成“浸出-沉淀-置换”多级纯化机制。工艺兼具灵活性（适应不同来源磨屑）和经济性（联产氢气等高值产品），为危险废物资源化提供了技术范式。未来需开展不同规模磨屑的验证性实验，并评估切削液组分长期累积效应，推动技术向工业化应用迈进。