赤泥-粉煤灰协同水泥-生石灰固化铜离子污染高岭土的试验探讨

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论文字数:38263 论文编号:sb2021120111164540250 日期:2021-12-15 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,为了对赤泥和粉煤灰这两种大宗固体废弃物进行综合利用,对重金属污染土壤进行修复,本文将赤泥、粉煤灰协同水泥在生石灰的激发作用下对铜离子污染高岭土进行了固定化修复。通过无侧限抗压强度试验、电化学阻抗谱测试、毒性浸出试验、扫描电镜试验研究了该固化剂体系对铜离子污染高岭土的固化效果。

第 1 章    绪论

1.1  选题背景
开展资源综合利用是我国深入实施可持续发展战略的重要内容,大宗工业固体废弃物产生量大,涉及方面众多,对环境的影响较大,是我国资源综合利用的核心领域。“十三五”期间,我国不断完善了相关法规政策和标准规范,推动了资源综合利用。“十四五”时期,我国以推动高质量发展为主题,提高资源综合利用率的任务更加迫切,由于能源结构、发展阶段等因素,我国固废仍面临产生强度高、利用不充分、综合利用产品附加值低的严峻挑战。目前,我国固废堆存量达 600 亿吨,其中,赤泥和粉煤灰等固废利用率和利用水平较低,浪费了大量的土地资源,存在较大的生态环境安全隐患,推进大宗固废综合利用对提高资源利用效率、改善环境质量、促进经济社会发展全面绿色转型具有重要意义[1]。赤泥是氧化铝提取工业中产生的固体废渣,粉煤灰是火力发电厂排放的主要固体废弃物,目前对赤泥和粉煤灰的研究颇多,基于对其基本理化性质的研究,可将其应用到建筑材料制备以及重金属污染土壤的固定化/稳定化等方面。
土壤是生态系统的基本环境要素,是人类生存的物质基础。现阶段,我国土壤污染问题较为严重,尤其是人口密集的长三角、珠三角地区以及西南、中南地区的土壤重金属污染较大。“十四五”规划中明确对于土壤污染治理作出了新的规划,要求积极探索土壤调查评估和修复全过程的咨询模式。2016 年国务院印发的《土壤防治行动计划》即“土十条”,明确提出要加强土壤污染防治,逐步改善土壤环境质量[2]。工矿企业用地土壤环境问题突出,生产过程中排放的废气、废水和废渣是造成土壤重金属污染的主要原因之一。农用地土壤重金属污染也较为严重,中国地质调查局发布的《中国耕地地球化学调查报告(2015)》显示,我国有 3488 万亩重金属中重度污染或超标耕地[3]。由于重金属不能被土壤自我消解,且易于积累,会抑制土壤动植物的生长,并且土壤表层的重金属极易进入人体,对人类健康造成严重威胁,所以对重金属污染土壤的修复是治理土壤环境过程中亟待解决的问题。
重金属铜广泛应用于多种工业领域,长期开采和大量使用过程中,土壤中铜含量已提高数十倍,本文中以赤泥和粉煤灰这两种常见的大宗固废和少量的生石灰、水泥作为固化剂,对铜离子污染土进行修复,基于高岭土是最常见的一种粘土矿物,选用铜离子污染的高岭土进行基础研究。通过本文的研究,一方面对大宗固废进行综合利用,另一方面对土壤重金属污染进行修复,节约资源的同时进行环境治理,符合我国绿色发展的理念和可持续发展的战略。
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1.2  固废利用现状
我国工业化过程中,产生了大量的工业固体废弃物。“十三五”规划中的《工业绿色发展规划(2016-2020 年)》[4]中明确提出“五年利用大宗工业固体废物约 70 亿吨”,“大力推进工业固体废弃物综合利用”,规划中也明确列出了工业绿色发展主要指标,其中工业固体废物综合利用率由 2015 年的 65%提高到 73%,尾矿利用率由 22%提高到25%,煤矸石由 68%提升到 71%,工业副产石膏由 47%提升到 60%,钢铁冶炼渣由 79%提升到 95%,赤泥由 4%提升到 10%。至此,“十三五”期间,累计综合利用各类大宗固废约 130 亿吨,减少占用土地超过 100 万亩,对缓解我国部分原材料紧缺、改善生态环境质量发挥了重要作用。“十四五”时期,我国依旧面临固废产生强度高、利用不充分、综合利用产品附加值低的严峻挑战,主要目标仍是粉煤灰、尾矿和建筑垃圾等大宗固废的综合利用能力显著提升,利用规模不断扩大。
根据 2019 年生态环境部发布的《2019 年全年大、中城市固体废物污染环境防治年报》[5]中显示,一般工业固体废物利用处置情况如图 1-1 所示。从图中可以看出,虽然我国固废综合利用量较高,但利用率还比较低,大量的工业固废处于堆积状态,持续推进固废综合利用、提高资源利用效率仍是我国推动高质量发展的一个迫切需要完成的任务。
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第 2 章    试验内容及方案

2.1试验材料
本试验所用的高岭土为河南铂润铸造材料有限公司生产的商用高岭土(325 目),呈白色粉末状,其化学成分见表 2-1 所示。赤泥(RM)选自山西河津某铝厂所产的拜耳法赤泥,原料经过破碎处理破碎至 200 目,其化学成分见表 2-2。粉煤灰(FA)取自山西省太原市某燃煤火电厂,含硫量较高,细度为Ⅰ级,具体化学成分见表 2-3。水泥使用的是太原狮头水泥厂生产的 P.O.42.5 普通硅酸盐水泥,化学成分见表 2-4。生石灰使用的是天津市北辰方正试剂厂生产的分析纯 CaO。试验中所用铜离子为分析纯 Cu(NO3)2·3H2O,产自天津市天力化学试剂有限公司。
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2.2试验内容
2.2.1  试验配合比设计
在正式试验之前,研究过程中进行了多次预实验。在预实验中,对于水泥和生石灰的用量以及水灰比的选择,设置了多个比例,根据浆料的凝结时间和试件成型的难易程度以及经济性考虑对固化剂配比进行了多次调整,最终本试验设置了五个配比,设计配合比如下:以高岭土为基准,赤泥和粉煤灰的总量为 35%,选定铜离子浓度 0.4%,水泥含量为 7%,CaO 含量为 3.5%,固化体水灰比为 0.45,设计的固化体试件配合比如表 2-5 所示。试验设置 4 个龄期:7d,28d,60d,90d。 
2.2.2试样制备
根据设计配合比,分别称量试验所需的高岭土、硝酸铜、赤泥、粉煤灰、水泥、生石灰和水备用;用干净的湿布擦拭搅拌机桶及叶片,将称量的高岭土、硝酸铜充分混合,搅拌均匀,制备污染土;再将称量的固化剂和制备的污染土倒入砂浆搅拌机搅拌 1min,然后加入称量好的水,再用搅拌机充分搅拌混合至均匀,放入 70.7×70.7×70.7 mm3的可拆卸钢模中,并放置在振动台仪器上振动 2min,使浆料均匀密实的充满试模,刮去多余的浆液,用刮刀抹平模具表面,并用保鲜膜包裹钢模防止试件表面水分蒸发;对试件进行编号,设置 3 个平行试样;在 24±2 h 后拆模放入 20±2  ℃,相对湿度 90%以上的养护箱中,养护至龄期后进行试验。

第  3  章  固化体的无侧限抗压强度分析 .................................... 21
3.1  前言 ................................... 21
3.2  赤泥-粉煤灰质量比对固化体试件无侧限抗压强度的影响 ................................. 21
3.3  养护龄期对固化体试件无侧限抗压强度的影响 ............................... 25
第  4  章  固化体的电化学阻抗特征分析研究 .................................... 33
4.1  前言 .............................. 33
4.2  赤泥-粉煤灰质量比及龄期对固化体电化学阻抗特性的影响 ................. 33
4.3  固化体的等效电路模型 ......................... 35
第  5  章  固化体的固化效果评价分析研究 ...................... 49
5.1  前言 ......................................... 49
5.2  固化体铜离子的浸出浓度 ........................................... 49
5.3  电化学阻抗参数与无侧限抗压强度的关系 ........................... 50

第 5 章    固化体的固化效果评价分析研究

5.1 固化体铜离子的浸出浓度
毒性浸出试验是评价固化技术修复重金属污染土壤的重要评价指标。表  5-1 是固化体的铜离子浸出浓度,其变化规律如图  5-1 所示。
从图  5-1(a)中可以看出,随着固化剂配比中赤泥含量的增加,粉煤灰含量的减少,铜离子浸出浓度先减小后又增加,根据《危险废物鉴别标准  浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-2207),铜离子浸出液浓度限值为 100 mg/L,按照设计配比固化后最高的仅为 0.093 mg/L,符合国家标准,且随着龄期的增长,铜离子浸出浓度降低,证明赤泥-粉煤灰-水泥-生石灰体系对铜离子污染高岭土的固化效果是比较好的。图中显示,赤泥粉煤灰质量比增加,铜离子的浸出浓度先减小后又增大。在赤泥-粉煤灰质量比为 7:3 时,铜离子浸出率最低,说明在该体系下,赤泥-粉煤灰质量比为 7:3 时,对铜离子污染高岭土效果是最好的。当粉煤灰掺量很少或者赤泥掺量很少时,形成的胶凝产物对铜离子的固定作用都会降低,使得铜离子的浸出率增加。
从图  5-1(b)中可以看出,随着龄期增长,铜离子浸出浓度逐渐降低,这说明水化后期的水化产物对铜离子的吸附、包裹作用更强。随着养护龄期的增加,赤泥和粉煤灰的水化反应充分进行,网状的结构物和针棒状的钙矾石明显增多,与赤泥、粉煤灰颗粒之间形成比较紧密的结构,钙矾石与复杂凝胶增多,对铜离子的固定作用增强,使得铜离子的浸出浓度降低。
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第 6 章    结论与展望

6.1  结论
为了对赤泥和粉煤灰这两种大宗固体废弃物进行综合利用,对重金属污染土壤进行修复,本文将赤泥、粉煤灰协同水泥在生石灰的激发作用下对铜离子污染高岭土进行了固定化修复。通过无侧限抗压强度试验、电化学阻抗谱测试、毒性浸出试验、扫描电镜试验研究了该固化剂体系对铜离子污染高岭土的固化效果。本文中设置了五个赤泥-粉煤灰质量比,四个养护龄期,分别研究了赤泥-粉煤灰质量比、养护龄期的变化对固化体试件的无侧限抗压强度、电化学阻抗谱图及阻抗参数和铜离子浸出浓度的影响。并建立了电化学阻抗参数与强度之间的关系,结合扫描电镜图像对电化学阻抗谱法评价固化效果的可行性做出了分析。主要结论如下:
(1)固化体试件的无侧限抗压强度试验表明,在赤泥-粉煤灰质量比为 7:3 时,固化体的强度最高,说明在该质量比下,赤泥-粉煤灰协同水泥-生石灰对铜离子污染高岭土的固化效果是最好的,用二次多项式对强度与赤泥-粉煤灰质量比之间的关系进行了拟合,由拟合方程验证了在赤泥-粉煤灰质量比在 7:3 时强度最高。
(2)通过分析养护龄期对固化体试件的无侧限抗压强度的影响,结果得出随着养护龄期增加,固化体试件的强度逐渐增大。通过拟合强度与龄期间的关系得到强度与龄期之间呈现线性正相关关系;固化体试件的应力应变曲线分为密实阶段、弹性阶段、弹性屈服阶段和破坏阶段。固化体试件的极限应变在 2%~5%之间,韧性较大。固化体的变形模量与强度呈现线性关系,在本研究范围内可取强度(20~45)倍。
(3)电化学阻抗谱测试结果表明:赤泥-粉煤灰质量比的变化会引起 Nyquist 图中容抗弧半径和 Bode 图中阻抗模值的变化,赤泥-粉煤灰质量比增大,容抗弧半径和阻抗模值都呈现先增大后减小的趋势。
(4)电化学阻抗参数孔隙液电阻和电荷传递电阻都随着赤泥-粉煤灰质量比和养护龄期的变化而变化,通过拟合,得到在赤泥-粉煤灰质量比为 7:3 时,孔隙液电阻和电荷传递电阻最大,且孔隙液电阻和电荷传递电阻与养护龄期都呈线性正相关关系。
参考文献(略)