Elektrochemische Charakterisierung von ausgelaugtem Stahl

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16691 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Arbeit wurden die elektrochemischen Eigenschaften des ausgelaugten Schlamms, des Magnetits und des Zinkferrits untersucht. Essigsäure wurde als Auslaugungsreagenz verwendet, da in den letzten Jahren das Interesse an der Verwendung zinkhaltiger Materialien als Photokatalysatoren zugenommen hat und bei deren Herstellung Essigsäure Anwendung gefunden hat. Es wurden verschiedene methodische Ansätze verwendet, die besten Ergebnisse wurden jedoch mit einer Kombination aus 1–3-stündiger Laugung in 0,01 M Essigsäure mit einem Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis von 500 erzielt. Bei dieser Anordnung wurde Zinkit fast vollständig aus dem Schlamm entfernt, während Zink Ferrit und Magnetit verblieben im festen Rückstand. Ex-situ-Analysen der wichtigsten Auslaugungsprodukte wurden mittels Röntgenbeugung, Infrarotspektroskopie und Thermogravimetrie durchgeführt. Das elektrochemische Verhalten fester Rückstände und Modellsysteme, nämlich Mikromagnetit und Zinkferrit, wurde in alkalischen Medien mithilfe modifizierter Kohlenstoffpastenelektroden, zyklischer Voltammetrie und Chronocoulometrie untersucht, wobei ein geeignetes Potentialfenster im Bereich von 0 bis 1,5 V lag. Zusammenfassend wurde eine lineare Abhängigkeit der anodischen und kathodischen Peakhöhe von der Quadratwurzel der Scanrate gefunden. Die Position der anodischen und kathodischen Peaks verschob sich leicht mit der Scanrate, nur bei niedrigen Raten, bis zu 25 mV/s, fielen die einzelnen Peaks zusammen. Die elektrochemische Reaktion deutete auf einen quasireversiblen Prozess hin.

Es ist allgemein anerkannt, dass Abfälle aus der Stahlproduktion als gefährlich eingestuft werden, da sie Schwermetalle enthalten. Eines davon ist Zink, das entweder in Form des gut löslichen Zinkits ZnO oder des schwer löslichen Zinkferrits ZnFe2O4 vorliegt. Aus diesen Abfallstoffen werden Zink und seine Verbindungen durch saure oder alkalische Auslaugung bei hohem oder niedrigem Druck gewonnen. Unter Atmosphärendruck kann Zinkit nahezu selektiv durch Auslaugen in NaOH, NH4Cl oder (NH4)2CO3 abgetrennt werden, wobei Zinkferrit im Rückstand verbleibt1,2,3. Bei der Säurelaugung löst sich auch Zinkferrit auf, aber Eisen gelangt in die Lösung4,5,6. Dies wurde von Siedlecka7 und Maia8 überwunden, die nach der Säurelaugung Ethylalkohol verwendeten, um Eisensulfatverbindungen auszufällen. Darüber hinaus werden Calciumverbindungen in unlöslichen Gips umgewandelt und durch magnetische Trennung entstehen Magnetit und Hämatit.

Zink kann aus Zinkferrit durch Säurelaugung unter erhöhtem Druck9 oder durch pyrometallurgische Verfahren wie das Waelz-Ofenverfahren und seine Modifikation sowie das RecoDust-Verfahren, das auf der Reduktion von schwermetallhaltigem basischem Sauerstoffofenstaub durch H2 und CO basiert, gewonnen werden beschrieben in 10 bzw. 11. Pickles12 untersuchte die selektive Reduktion durch Eisen und berichtete über einen optimalen Temperatur- und Druckbereich für die Zink- und Bleirückgewinnung. Die Kombination aus Reduktion, Röstung, Säurelaugung und magnetischer Trennung wurde in13 vorgeschlagen. Das Rösten von Zinklaugungsrückständen mit Ammoniumsulfat wurde in14 beschrieben, wobei das eingeführte dreistufige Verfahren einen hochreinen Rückstand lieferte, der für die Wiederverwertung bei der Eisenherstellung geeignet war. Kashyap und Taylor15 verwendeten H2-Gas, um Zinkferrit teilweise zu reduzieren. Es ist auch erwähnenswert, dass Zink durch einen kombinierten thermisch-hydrometallurgischen Prozess unter Verwendung von NaOH16,17,18 selektiv von Franklinit abgetrennt werden kann.

Abfälle aus der Stahlindustrie und ihre Auslaugungsprodukte sind von großer praktischer Bedeutung. Stahlschlamm kann als Rohstoff für die Keramikproduktion19 oder zur Entfernung von Schwermetallen aus Abwasser verwendet werden, wie in20,21 gezeigt. Nach Zugabe von Kalk können aus dem Schlamm Briketts hergestellt und im Konverter22 verwendet werden. Roslan et al.23 untersuchten die Möglichkeit, die Eigenschaften von Puzzolazement zu verbessern, der aus Nebenprodukten der Stahlindustrie gewonnen wird. Zinkferrit wird umfassend als Bestandteil eines Hybrid-Nanokomposits untersucht, das Superparamagnetismus aufweist, und als Katalysator für verschiedene chemische Reaktionen. Die photokatalytische Anwendung zinkhaltiger Materialien wird in mehreren Arbeiten diskutiert24,25,26,27,28,29,30,31,32. Insbesondere ZnO-Graphenoxid-Nanohybrid zeigte hervorragende photokatalytische Eigenschaften während des Photoabbaus von Kristallviolett. Die elektrochemische Untersuchung des auf Zinkferrit basierenden Sensors wurde in33,34,35,36 durchgeführt. Das superkapazitive Verhalten ferritischer Materialien wurde in37 untersucht. Die Nanopartikel behielten nach 1000 Lade-/Entladezyklen mehr als 87 % der ursprünglichen Kapazität. Die auf Zinkferrit basierenden Graphen-Nanokomposite wurden von Nivetha und Grace38 als vielversprechende Elektrokatalysatoren getestet. Es wurde festgestellt, dass MnFe2O4/Graphen- und ZnFe2O4/Graphen-Nanokomposite effiziente Elektrokatalysatoren für die Wasserstofferzeugung über den Wasserstoffreduktionsmechanismus sind.

Diese Studie leistet mehrere Beiträge zum Thema der Säurelaugung im Schlamm und der Charakterisierung fester Rückstände. Es erweitert sie durch die Untersuchung des Verhaltens einer Kohlenstoffpastenelektrode, die mit in Essigsäure ausgelaugtem Schlamm modifiziert wurde, um die Stabilität und Reversibilität dieses Systems zu beurteilen. Zur Abtrennung von Zinkit wurde Essigsäure gewählt, da Zinkacetat zur Herstellung von Nanokompositen mit photokatalytischen Effekten verwendet werden kann, wie in39 gezeigt. Der Einfluss des Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnisses, der Zeit und der Säurekonzentration auf die Selektivität der Zinklaugung wurde bereits an anderer Stelle untersucht40. Als Modellmodifikatoren wurden Magnetit und Zinkferrit verwendet. Obwohl die Prozesse in einem System aus einer inerten Arbeitselektrode und einem gelösten Stoff relativ gut bekannt sind, ist das Verhalten fester Elektroden, die aus Metall in verschiedenen Oxidationsstufen bestehen, kaum verstanden. Elektrochemische Reaktionen von Eisenverbindungen könnten für die grüne Metallurgie und andere umweltfreundliche Technologien von großer Bedeutung sein.

Für die Laugungsversuche wurde der getrocknete Schlamm aus dem Herdofen verwendet. Die Partikelgröße betrug weniger als 0,1 mm. Die elektrochemische und thermische Charakterisierung wurde auch mit Zinkferrit (Alfa Aesar, 99 %) und Mikromagnetit von Sigma-Aldrich durchgeführt. Die Proben wurden in den Essigsäurelösungen ausgelaugt. Der Gehalt der überwachten Elemente wurde mittels AAS (Varian AA280FS) bestimmt und ist in Tabelle 1 dargestellt. Alle anderen Elemente lagen unter 1 %.

Die Auslaugungsexperimente wurden bei Umgebungstemperatur (22 ± 2 °C) in einem Schüttler bei 180 U/min durchgeführt. Der Einfluss der Säurekonzentration, des Flüssigkeits-/Feststoffverhältnisses und der Zeit auf die Selektivität und Metallextraktion wurde untersucht. Die Selektivität wurde als Verhältnis der Zink- und Eisenextraktion definiert.

Die mineralogische Analyse wurde mit einem Bruker-AXS D8 Advance-Instrument mit einer 2θ/θ-Messgeometrie und dem positionsempfindlichen Detektor LynxEye durchgeführt. Es wurde ausführlich in 40 beschrieben.

Die thermische Analyse wurde unter Verwendung eines simultanen Thermoanalysators Discovery SDT 650 von TA Instruments mit Autosampler bei einer Heizrate von 5 °C min-1 und in einer Luftatmosphäre durchgeführt. Das Gewicht der zu analysierenden Probe betrug 20 mg.

Elektrochemische Messungen wurden mit einem VoltaLab 40 PGZ301 Potentiostat (Radiometer Analytical, Frankreich) durchgeführt. Es wurde ein elektrochemisches System mit drei Elektroden verwendet, wobei die Elektrode aus modifizierter Kohlenstoffpaste (CPE), der Platindraht und die SCE-Elektrode jeweils als Arbeits-, Gegen- und Referenzelektrode dienten.

Für die Herstellung von Kohlenstoffpastenelektroden wurden Graphitpulver (Produkt CR 5 mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 5 µm, Maziva Tyn nad Vltavou, CR) und hochreines Paraffinöl (Fluka) als Nichtelektrolytbindemittel verwendet. Die modifizierte Paste hatte die folgende Zusammensetzung: 59 Gew.-% Graphitpulver (Partikelgröße < 5 μm, 95 %, Sigma-Aldrich), 26 Gew.-% spektroskopisches Paraffinöl und 15 Gew.-% Modifikator. Als Modifikatoren wurden Mikromagnetit, Zinkferrit und Stahlschlamm nach der Säurelaugung verwendet. Die Herstellung und Verwendung der Kohlenstoffpastenelektrode wird in41 beschrieben, wo die mögliche Reaktion von Eisen und Eisenoxiden in 1 M NaOH untersucht wurde.

Die Raman-Spektren der Proben wurden auf einem dispersiven Raman-Spektrometer DXR SmartRaman (Thermo Scientific, USA) mit einem CCD-Detektor unter Verwendung einer 180°-Messtechnik ohne Probenvorbereitung gemessen. Die Messparameter waren wie folgt: Anregungslaser 780 nm, Gitter 400 Linien/mm, Apertur 50 μm, Belichtungszeit 1 s, Anzahl der Belichtungen 250 und der Spektralbereich 2000–50 cm−1. Zur Hintergrundmessung wurde ein leerer Probenraum verwendet. Behandlung von Spektren: Fluoreszenzkorrektur (6. Ordnung).

Abbildung 1 zeigt die mineralogische Zusammensetzung des Originalschlamms. Es ist zu beachten, dass der Bewertungsfehler für den Magnetit- und Franklinit-Gehalt aufgrund ihrer ähnlichen Struktur recht hoch sein kann.

Mineralogische Zusammensetzung des Schlamms.

Raman-Spektroskopie bestätigte das Vorhandensein von Magnetit und Franklinit als Hauptkristallphasen im Stahlherstellungsschlamm. Abbildung 2 vergleicht die Raman-Spektren des Stahlproduktionsschlamms mit denen von reinem Magnetit und Franklinit. Die Spektren von Stahlproduktionsschlamm enthalten Spektralbänder bei 219 cm-1, 284 cm-1, 335 cm-1, 399 cm-1, 488 cm-1, 599 cm-1 und 639 cm-1. Die Spektralbanden bei 219 cm−1, 284 cm−1, 399 cm−1, 488 cm−1 und 599 cm−1 sind charakteristisch für das Eisenoxidspektrum (siehe Magnetitspektrum). Die anderen Banden im Schlammspektrum (335 cm−1 und 639 cm−1) sind typisch für das Franklinit-Spektrum.

Vergleich der Raman-Spektren von Originalschlamm, Franklinit und Magnetit.

Die chemische Zusammensetzung ist in Tabelle 2 aufgeführt.

Abbildung 3 zeigt die Ergebnisse der Untersuchung des Einflusses der Säurekonzentration und -zeit auf die Selektivität und Extraktion von Zink40. Schlamm mit einem Gewicht von 0,1 g wurde in den Essigsäurelösungen – 10 ml 0,05 M Lösung und 50 ml 0,01 M Lösung – ausgelaugt. Aus Abb. 3 ist ersichtlich, dass die Zinkgewinnung nahezu unabhängig von der Säurekonzentration erfolgt, sofern die Substanzmenge ausreicht, um Zinkit zu extrahieren. Andererseits nimmt die Selektivität mit zunehmender Säurekonzentration deutlich ab. Ähnliche Ergebnisse wurden bei unseren früheren Experimenten mit Schwefel- und Salzsäure erzielt. Daher kann die Auslaugung in den verdünnten Säuren angewendet werden, um das in Zinkit und Franklinit fixierte Zink zu unterscheiden. Die Zinkextraktion nahm bei längeren Experimenten nicht zu, die Selektivität nahm jedoch ab.

Zeitabhängigkeit der Metallextraktion und Selektivität des Schlamms (0,1 g) in 0,5 mol Essigsäure.

Der Vergleich der XRD-Muster des ursprünglichen Schlamms und des festen Rückstands, der durch Auslaugen in 0,01 M CH3COOH erhalten wurde, ist in Abb. 4 dargestellt. Es ist klar, dass Zinkit (Zn) und ein Teil von Wüstit (Wu) ausgelaugt wurden, wobei Zinkit (Zn) ausgelaugt wurde ) nicht im Rückstand gefunden. Franklinit (Fr), Magnetit (Mg) und Hämatit (He) wurden nicht ausgelaugt und verblieben im festen Rückstand. Die Abbildung zeigt außerdem, dass es schwierig ist, zwischen Magnetit (Mg) und Franklinit (Fr) zu unterscheiden, da sich ihre XRD-Aufzeichnungen erheblich überschneiden.

XRD-Muster des ursprünglichen Schlamms und des festen Rückstands, der durch Auslaugen in 0,01 M CH3COOH erhalten wurde. Blau – Magnetit, Rot – zusammenfassendes Modell, dünnes Blau, das mit Rot übereinstimmt – Messung, Grau – Unterschied zwischen Messung und Modell. Grün im Einlass – Franklinit.

Eine thermische Analyse wurde für den getrockneten Originalschlamm, den festen Rückstand nach dem Auslaugen in einer 0,01 M Essigsäurelösung, Zinkferrit und Mikromagnetit durchgeführt (Abb. 5). Die Oxidation von Fe(II) zu Fe(III) war in allen Proben mit Ausnahme von Zinkferrit erkennbar. Bei Mikromagnetit begann die Reaktion bei einer niedrigeren Temperatur, wahrscheinlich aufgrund der geringeren Partikelgröße. Bei der ursprünglichen Schlammprobe und dem festen Rückstand nach der Auslaugung kam es im Temperaturbereich von 310 bis 530 °C zu einer Oxidation. Das resultierende Oxidationsprodukt war Hämatit, und auch die Bildung von Maghemit kann nicht ausgeschlossen werden. Die Röntgenbeugungsanalyse ergab keine Hinweise darauf, dass es sich gebildet hat, es könnte aber auf den geringen Gehalt an Maghemit oder dessen Ähnlichkeit mit Magnetit zurückzuführen sein.

Thermische Analyse von Schlamm, Zinkferrit, Feststoffrückständen und Mikromagnetit, 10 °C min−1.

Der ursprüngliche Schlamm und Rückstand enthielt einige Minderheitsbestandteile, z. B. Graphit, dessen Oxidation bei 600 °C begann und CO2 erzeugte, was mit einem Massenverlust einherging. Bei Zinkferrit kann der allmähliche Gewichtsverlust im Anfangsstadium auf einige Verunreinigungen oder die Freisetzung von in der Probe eingeschlossenen Gasen und Feuchtigkeit zurückgeführt werden. Der Gewichtsverlust im Temperaturbereich von 840–930 °C kann mit dem allmählichen Verlust von Zinkoxid, der Zersetzung sekundärer Phasen und der Bildung der Spinellphase zusammenhängen41.

Abbildung 6 zeigt die voltammetrischen Kurven von CPE, modifiziert durch den Schlammrückstand nach der Essigsäurelaugung. Die Messungen wurden in 1 M NaOH-Lösung mit einer Scanrate von 10 mV s−1, beginnend in der Anodenrichtung, durchgeführt. Das Potentialfenster betrug E = − 1,5–0 V und es wurden insgesamt 10 Zyklen durchgeführt. Die elektrochemischen Prozesse in den alkalischen Medien ähnelten denen des Hochofenschlamms, wie in42 berichtet. Der kleine anodische Peak I bei etwa −1,09 V kann wahrscheinlich der Reaktion (1) zugeschrieben werden.

Voltammogramm von CPE, modifiziert durch den Schlammrückstand nach dem Auslaugen in der 0,01 M Essigsäurelösung, 1 M NaOH, Scanrate 10 mV s−1, positive Richtung, jeder fünfte Zyklus ist rot markiert.

Ein leicht breiter anodischer Peak bei etwa −0,93 V könnte der Oxidation von Minderheitselementen, z. B. Mangan oder Blei, zugeordnet werden. Die weitere Oxidation erfolgt etwa bei −0,7 V (Peak II, Reaktionen 2 und 3).

Bei niedrigeren Scanraten wurden zwei Reduktionsspitzen unterschieden. Bei − 1,1 V erfolgt die Reduktion von Fe(III) zu Fe(II) (Umkehrreaktionen 2 und 3, Peak III). Der kathodische Peak IV bei etwa 1,24 V entspricht wahrscheinlich der Rückreaktion 1. Bei Verwendung höherer Scanraten können nur ein anodischer und ein kathodischer Peak beobachtet werden (Abb. 7, 50 Zyklen, 25 mV s−1) und die Redoxreaktionen der einzelnen Oxidationsstufen sind nicht erkennbar.

Voltammogramm von CPE, modifiziert durch den Schlammrückstand nach dem Auslaugen in der 0,01 M Essigsäurelösung, 1 M NaOH, Scanrate 25 mV s−1, jeder fünfte Zyklus ist rot markiert.

Da der Rückstand hauptsächlich Magnetit und Zinkferrit enthält, wurden ähnliche Experimente mit durch Mikromagnetit und Zinkferrit modifiziertem CPE durchgeführt. Abbildung 8 zeigt die voltammetrischen Kurven von CPE, modifiziert durch Mikromagnetit. Der voltametrische Zyklus wurde im Potentialfenster von E = − 1,5–0 V mit einer Scanrate von 10 mV s−1 durchgeführt, beginnend mit dem anodischen Sweep. Insgesamt wurden 10 Zyklen in 1 M NaOH-Lösung durchgeführt. Abbildung 9 zeigt, dass sich mikromagnetitmodifiziertes CPE ähnlich wie eine reversible inerte Elektrode verhält, die in eine Analytlösung eingetaucht ist, da die Abhängigkeit der anodischen und kathodischen Peakhöhen von der Quadratwurzel der Scanrate nahezu linear ist und der Randles-Ševčík-Gleichung folgt.

Voltammogramm von CPE, modifiziert durch Mikromagnetit, 1 M NaOH, Scanrate 10 mV s−1.

Einfluss der Scanrate auf die anodische und kathodische Peakhöhe – der zweite Zyklus, mikromagnetitmodifiziertes CPE.

Zur weiteren Untersuchung wurde die Chronocoulometrie verwendet. Chronokulometrische Kurven wurden nach jedem voltammetrischen Zyklus bei 10 mV s−1 gemessen. Nach etwa 7 Zyklen stiegen die Peakhöhen nicht wesentlich an. Wie in Abb. 10 zu sehen ist, lagen die Stromwerte nach 60 s nahe bei Null, was darauf hindeutet, dass der größte Teil der verfügbaren Oberfläche oxidiert oder reduziert war. Die Ladungswerte nach Oxidation und Reduktion waren nahezu gleich, was einen klaren Beweis für eine reversible Reaktion darstellt. Bei einer Scanrate von 50 mV s−1 hingegen stiegen die Spitzenwerte immer weiter an und die Ladungswerte waren unterschiedlich (Abb. 11).

Mikromagnetit – chronocoulometrische Kurven nach 7 voltammetrischen Zyklen bei 10 mV s−1.

Mikromagnetit – chronocoulometrische Kurven nach 10 voltammetrischen Zyklen bei 50 mV s−1.

Abbildung 12 zeigt die voltammetrischen Kurven von Zinkferrit bei einer Scanrate von 10 mV s−1 in einem Potentialfenster von E = − 1,5–0 V, beginnend mit der Anodenrichtung. Die Peaks befinden sich an Positionen, die denen von Magnetit ähneln, und der erste anodische Peak ist nicht so signifikant. Aus Abb. 12 wird deutlich, dass die Redoxprozesse während der voltammetrischen Zyklen nur Eisen betreffen, während die Zink-Redoxprozesse außerhalb des überwachten Potentialfensters liegen.

Voltammogramm von CPE, modifiziert durch Zinkferrit, 1 M NaOH, Scanrate 10 mV s−1.

Es ist erwähnenswert, dass, wenn anodische Durchläufe bei höheren Potentialen beginnen, z. B. − 1,2 V, keine anodischen Peaks gebildet werden, da die Reduktionsreaktion vorherrscht, wie in Abb. 13 dargestellt. Sobald Fe(0) aufgrund der Wasserstoffentwicklung bei a gebildet wird Bei einem Potential von etwa −1,5 V kann der anodische Peak beobachtet werden. Das Vorhandensein von metallischem Eisen wurde in43 nachgewiesen. Beim Start in kathodischer Richtung von 0 bis − 1,5 V wird ausreichend Fe(II) gebildet und es treten auch anodische Peaks auf. Ein ähnliches Ergebnis wurde für Magnetit gefunden. Die Abhängigkeit der anodischen und kathodischen Peakhöhen von der Quadratwurzel der Scanrate war ebenfalls nahezu linear, wie es bei Mikromagnetit der Fall war.

Einfluss des Startpotentials auf die anodische Peakhöhe, Zinkferrit, 1 M NaOH.

Die Ergebnisse wurden auf CPE angewendet, das durch Stahlherstellungsschlamm nach Säurelaugung modifiziert wurde. Das Verhältnis der anodischen und kathodischen Spitzenhöhen lag nahe bei eins. In dieser Hinsicht kann der Prozess als quasireversibel charakterisiert werden. Die Abhängigkeiten der anodischen und kathodischen Peakhöhen von der Quadratwurzel der Scanrate waren nahezu linear (Abb. 14a, b). Allerdings waren die absoluten Werte des Winkelkoeffizienten für den anodischen und kathodischen Teil nicht identisch. Die anodischen und kathodischen Spitzenhöhen nahmen mit zunehmender Zyklenzahl allmählich zu. Dies könnte durch eine Vergrößerung der Elektrodenoberfläche infolge des Eindringens der Lösung und der Elution des inerten Materials verursacht worden sein. Die Auswirkung der Scanrate auf das Spitzenpotential ist in Abb. 15 zu sehen. Das anodische Spitzenpotential wurde positiv verschoben, wohingegen das kathodische Spitzenpotential negativ verschoben wurde, was auf einen quasi-reversiblen Prozess hinweist. Für einen oberflächengesteuerten Redoxprozess, bei dem der Abstand zwischen den Peaks größer als 0,2 V n−1 ist, kann die Beziehung zwischen dem Peakpotential \(E_{p}\) und der Scanrate durch Gleichung ausgedrückt werden. 444.

(a) Auswirkung der Abtastrate auf die anodische und kathodische Peakhöhe – zweiter Zyklus, Schlammrückstand. (b) Auswirkung der Abtastrate auf die anodische und kathodische Peakhöhe, zehnter Zyklus, Schlammrückstand.

Einfluss der Scanrate auf die Lage der Spitzenpotentiale, Schlammrückstände.

Die Abhängigkeiten waren nahezu linear. Eine Auswertung des Elektronentransferkoeffizienten oder der Geschwindigkeitskonstante wäre jedoch sinnlos, da es sich hierbei nicht um einen Prozess in der Analytlösung handelt. Darüber hinaus verhielt sich die durch die elektroaktiven Verbindungen modifizierte Kohlenstoffpastenelektrode ähnlich.

Zur Auslaugung des Stahlproduktionsschlamms wurde Essigsäure verwendet. Das im Zinkit enthaltene Zink wurde mit verdünnter Essigsäure nahezu selektiv extrahiert, wobei die Selektivität mit zunehmender Säurekonzentration, zunehmendem Flüssigkeits-Feststoff-Verhältnis und zunehmender Zeit abnahm. Es stellte sich heraus, dass die besten Ergebnisse mit 0,01 M Essigsäure, einem Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis von 500 und einer Zeit von 1–3 Stunden erzielt wurden. Die mineralogische Analyse ergab, dass Zinkit entfernt wurde, was den Weg für die Verwendung von Laugungsflüssigkeit zur Herstellung von Photokatalysatoren ebnete. Thermoanalyse, Raman-Spektroskopie, zyklische Voltammetrie und Chronocoulometrie wurden verwendet, um den festen Rückstand nach der Säurelaugung zu charakterisieren, und die Ergebnisse wurden mit der ursprünglichen Schlammprobe und den reinen Komponenten Mikromagnetit und Zinkferrit verglichen. Darüber hinaus zeigte die thermische Analyse eine hohe thermische Stabilität des ausgelaugten Materials im Vergleich zu reinem Zinkferrit. Bei allen Proben mit Ausnahme von Zinkferrit wurde die Oxidation zu Hämatit und Maghemit durch thermische und XRD-Analyse bestätigt. Die Oxidation von Mikromagnetit wurde auf eine niedrigere Temperatur verlagert, da Mikromagnetit die kleinste Partikelgröße aufwies. Raman-Spektroskopie bestätigte das Vorhandensein von Magnetit und Franklinit als Hauptkristallphasen von Stahlproduktionsschlämmen.

Die Ergebnisse der elektrochemischen Experimente waren für alle untersuchten Materialien ähnlich. Die Abhängigkeit des anodischen und kathodischen Strommaximums von der Quadratwurzel der Scanrate war bei Verwendung der modifizierten Kohlenstoffpastenelektrode linear, ebenso wie beim reversiblen Prozess mit einer inerten Elektrode in der Analytlösung. Darüber hinaus stieg bei den Elektroden aus modifizierter Kohlenstoffpaste der Strom mit zunehmender Zyklenzahl an, wenn die Elektrodenoberfläche vergrößert wurde. Das Verhältnis von anodischem zu kathodischem Peak lag nahe bei eins, was auf einen quasi-reversiblen Prozess hinweist. Andererseits war die Peakposition eher von der Scanrate abhängig. Für die untersuchten Reaktionen waren nur niedrige Scanraten geeignet, da ab 25 mV s−1 die einzelnen Peaks ineinander übergingen. Nach einigen Zyklen, abhängig von der Scanrate im Potentialfenster von −1,5–0 V gegenüber SCE, erreichte das System ein Quasi-Gleichgewicht.

Die grundlegenden elektrochemischen Eigenschaften des nach der Säurelaugung erhaltenen Feststoffrückstands können eine Grundlage für die weitere Verwendung dieses Materials bilden, beispielsweise als Kontrastmittel für die Magnetresonanztomographie-Thermometrie, in der Magnetflüssigkeits-Hyperthermietherapie sowie in Mikrowellenabsorbern, Gassensoren usw Halbleiter-Photokatalysatoren.

Es wurde bestätigt, dass Thermoanalyse, Cyclovoltammetrie und Chronocoulometrie komplementäre Methoden zur XRD-Analyse für die gleiche Partikelgröße sein könnten. Der feste Rückstand besteht hauptsächlich aus Zinkferrit und Magnetit. Dieses Material wird im Hinblick auf die Herstellung hybrider Nanokomposite mit einzigartigen magnetischen Eigenschaften und Katalysatoren untersucht. Die Untersuchung des elektrochemischen Verhaltens von Eisenverbindungen wird angesichts der wachsenden Bedeutung umweltfreundlicher Technologien wie der grünen Metallurgie fortgesetzt.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind nicht öffentlich verfügbar, da sie Teil des Projekts sind, können aber auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor angefordert werden.

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Diese Arbeit wurde finanziell unterstützt durch das Projekt „Forschung zur Bewirtschaftung von Abfällen, Materialien und anderen Produkten aus metallurgischen und verwandten Sektoren“, CZ.02.1.01/0.0/0.0/17_049/0008426 und durch das Projekt Spezifische Forschung: SP 2022 /61.

Fakultät für Chemie, VSB-Technische Universität Ostrava, 17. November 2172/15, 70800, Ostrava-Poruba, Tschechische Republik

Šárka Langová, Bruno Kostura & Michal Ritz

Abteilung für Arbeits- und Prozesssicherheit, VSB-Technische Universität Ostrava, 17. listopadu 2172/15, 70800, Ostrava-Poruba, Tschechische Republik

Pavel Raska

Institut für Geologie, VSB-Technische Universität Ostrava, 17. listopadu 2172/15, 70800, Ostrava-Poruba, Tschechische Republik

Dalibor Matysek

Abteilung für Physikalische Chemie, VSB-Technische Universität Ostrava, 17. November 2172/15, 70800, Ostrava-Poruba, Tschechische Republik

Vlastimil Novák

Liberty Ostrava as, Vratimovská 689/117, Kunčice, 719 00, Ostrava, Tschechische Republik

Jiří Krčmář

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Š.L. – Untersuchung; BK – Untersuchung; PR – Untersuchung; DM – Untersuchung; VN – Untersuchung; MR – Untersuchung; JK – Untersuchung.

Korrespondenz mit Šárka Langová.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Langová, Š., Kostura, B., Raška, P. et al. Elektrochemische Charakterisierung von ausgelaugtem Stahlschlamm. Sci Rep 12, 16691 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20980-4

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Eingegangen: 22. März 2022

Angenommen: 21. September 2022

Veröffentlicht: 06. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20980-4

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Elektrochemische Charakterisierung von ausgelaugtem Stahl