劉瓊芳、張名惠、邱國創 / 工研院材化所；方彥斌、蔡文博 / 台鋼資源股份有限公司
鋼鐵是全球用量最大的金屬，隨著需求量逐年增加，不可避免也會產生大量的副產物，因此，需要建立環境友善、成本可行、應用性高、循環性佳的再利用技術，以支撐關鍵金屬產業永續發展的循環經濟目標。本文回顧鋼鐵副產物現行與潛力高值化應用方向，包括：建築與土木、CO2/SO2/NOx吸收劑、水處理劑、土壤改質劑、催化反應觸媒與高值金屬純化回收等，提供妥善處理鋼鐵業副產物之參考，並探討後續面臨的挑戰與需要付出的努力。
【內文精選】
前 言
人類對鋼鐵的需求以0.8%速率逐年增加，未來鋼鐵製程因應淨零碳排趨勢有所調整，伴隨產生的各式副產物產量依舊可觀，保守估計產量達10億公噸以上，集塵灰則近1,000萬噸。近20年來，隨著環境保護意識的抬頭，學界、鋼鐵業、研究單位積極投入副產物再利用技術開發，鋼鐵業離零廢棄目標愈來愈近。歐、美、日等先進國家，爐渣綜合利用率近90%，歐盟更高達94%，其應用領域如圖一所示，路基材料、水泥、混凝土等為主要應用路徑。此外，尚有依爐渣基本特性開發的功能性材料，如土壤改質劑、污染氣體吸收劑、CO2捕集礦化劑、水質淨化劑、觸媒等；另外，回收副產物中的有價金屬或氧化物，如：鋅、鐵與氧化鈣等，降低天然資源耗用與礦物開採污染、延長原料使用週期，亦是各方關注焦點。
鋼鐵工業副產物成分與特性
鐵渣(高爐石)與鋼渣(轉爐石與電弧爐碴)是鋼鐵生產過程不可避免的主要副產物，次要副產物為集塵灰。爐渣與集塵灰的產量及成分皆會隨原料與製程而改變。爐渣主要元素為鐵、鈣、鋁與矽等氧化物，以及微量的重金屬，如：Cr、Ni、Pb與Zn等；電弧爐集塵灰主要成分為ZnO，其次為Fe2O3。爐渣依冷卻方式不同，可分為氣冷、水淬或蒸氣冷卻等；爐渣在冷卻後呈塊狀，因此，進一步再利用前，多以破碎、研磨進行均質化與活化處理，應用領域與副產物成分相關，說明如後。
鋼鐵副產物應用
鋼鐵工業副產物依其特殊物理或化學性，經由功能性的材料設計與加工製造，取代既有同等規格產品，降低天然原物料的使用，常見用途介紹如下。
2. 環境污染防治應用
爐渣除可應用在建築業外，近年來，學者研究發現，爐渣對去除製程廢氣、水與土壤中的污染物，具有令人印象深刻的表現，若能妥善應用，將能達到以廢制廢的資源循環與環境保護目標。相關研究結果說明如下。
(1) 水處理
利用吸附劑與過濾介質去除廢水中的重金屬等雜質，達到淨水效果，日益受到關注。爐渣中的可溶性化合物與廢水中的重金屬反應，生成氫氧配位化合物，可以去除廢水中的重金屬。爐渣的多孔結構會吸收污染物，且游離CaO會與污染物反應，並催化廢水中的H2S轉化為酸性揮發性硫化物(AVS)、元素硫與硫代硫酸鹽，進而達到水質淨化效果，且除硫效率高達94%。在所有污染物中，研究最多的是爐渣除磷，廢水中的磷很難以生物法移除，爐渣中的游離CaO對磷的親和性高，反應機制如圖四所示，去除率可達80%以上，是一種很有應用潛力與符合成本效益的方法。
圖四、Ca2+與PO43-溶出與Ca3(PO4)2沉澱機制
(3) 氣體吸收劑
爐渣中的游離CaO/MgO是捕集工業煙道廢氣中酸性氣體，如：SO2、CO2、NOx、H2S、Cl- 等關鍵成分，在氣體淨化與固碳方面表現出巨大潛力。爐渣穩定性是爐渣於建築業應用的一大關鍵議題，學者研究發現，爐渣中的CaO/MgO經CO2礦物化固定後，體積穩定性可大幅提升。爐渣在酸性溶液中，浸出含Ca/Mg顆粒表面形成貧鈣層，相變化行為與礦物晶體結構有關，反應機制如圖六所示，若可將工業製程所產生富含CO2的廢氣作為碳源，將可達到企業減碳與資源再生的雙贏策略…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖六 爐渣在酸性環境下，Ca2+/Mg2+浸出與CO2反應機制
★本文節錄自《工業材料雜誌》420期，更多資料請見下方附檔。