矿渣-偏高岭土聚合物固化垃圾焚烧飞灰配比研究.pdf

年月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第 卷第 期收稿日期:基金项目:区域开发与环境响应湖北省重点实验室 年度开放基金项目(编号:(C);年湖北省博士后创新研究岗(编号:)作者简介:方号源(),男,硕士研究生,研究方向为固体废物资源化利用.通讯作者:朱书景(),男,博士,教授,研究方向为黑臭水体治理、固体废物资源化利用.矿矿渣渣偏偏高高岭岭土土聚聚合合物物固固化化垃垃圾圾焚焚烧烧飞飞灰灰配配比比研研究究方号源,李卓文,江 珊,何 昀,朱茜茜,朱书景(湖北大学 资源环境学院,湖北 武汉 )摘要:垃圾焚烧飞灰属危险固废,必须无害化处理后再利用.利用高炉矿渣偏高岭土制备聚合物固化垃圾焚烧飞灰,在正交试验基础上得到地聚物最佳制备参数,用该参数制备出的B K G按比例掺入飞灰制备地聚物固化体;与原始飞灰相比,d养护后,B K G掺量的固化体抗压强度均满足相关要求;掺入 和 地聚物的固化体C r浸出浓度均下降了约,远高于水泥固化体;通过微观试验分析证明:B K G对垃圾焚烧飞灰进行固化稳定化,实现了对危险废物的无害化处理.关键词:垃圾焚烧飞灰;固化稳定化;微观试验;地聚物中图分类号:X 文献标识码:A文章编号:()S t u d yo nt h eR a t i oo fS l a g M e t a k a o l i nP o l y m e rS o l i d i f i e dW a s t eI n c i n e r a t i o nF l yA s hF a n gH a o y u a n,L iZ h u o w e n,J i a n gS h a n,H eY u n,Z h uQ i a n q i a n,Z h uS h u j i n g(F a c u l t yo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e,H u b e iU n i v e r s i t y,W u h a n,H u b e i ,C h i n a)A b s t r a c t:W a s t e i n c i n e r a t i o nf l ya s h i sad a n g e r o u ss o l i dw a s t ea n dm u s tb e t r e a t e dh a r m l e s s l yb e f o r e r e u s e I nt h i sp a p e r,t h eb e s tp r e p a r a t i o np a r a m e t e r so f g e o p o l y m e rw e r eo b t a i n e do nt h eb a s i so f o r t h o g o n a l t e s t s T h eB K Gp r e p a r e db yu s i n gb l a s tf u r n a c es l a gm e t a k a o l i nt op r e p a r ep o l y m e rs o l i d i f i e dw a s t ew a so b t a i n e d,a n dt h eB K Gp r e p a r e db yt h i sp a r a m e t e rw a sp r o p o r t i o n a l l ym i x e dw i t hf l ya s ht op r e p a r e t h eg e o p o l y m e rs o l i d a t e C o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a l f l ya s h,a f t e r dc u r i n g,t h eC rl e a c h i n gc o n c e n t r a t i o no fs o l i d i f i e db o d ym i x e dw i t h a n d g e o p o l y m e rd e c r e a s e db ya b o u t,w h i c hw a sm u c hh i g h e r t h a nt h a t o f c e m e n t s o l i d T h r o u g hm i c r o s c o p i c t e s t a n a l y s i s,i t i sp r o v e d t h a tB K Gs o l i d i f i e sa n ds t a b i l i z e s t h e f l ya s ho fw a s t e i n c i n e r a t i o n,a n dr e a l i z e st h eh a r m l e s st r e a t m e n to fh a z a r d o u sw a s t e K e yw o r d s:f l ya s h;c u r i n gs t a b i l i z a t i o n;m i c r o s c o p i ce x p e r i m e n t a t i o n;g e o p o l y m e r s 引言近年来,我国生活垃圾产生量呈现每年 的快速增长.未经处理的垃圾堆存不仅会对环境造成危害,还对人类健康带来风险.卫生填埋和焚烧法是目前生活垃圾的主流处理方法,年的垃圾处理量已高达 万t.焚烧法处理飞灰后会产生大量固体残余物,不对垃圾焚烧飞 灰 进 行 处 理 会 促 使 重 金 属 迁 移 进 入 地 下水、土壤和空气之中,对人民的健康造成巨大危害.固化稳定化技术是目前用于处理各类危废的重要手段之一,该技术就是利用具有胶凝特性的材料将废弃物固结从而形成具有一定强度的固体.目前水泥固化法是最常用的一种危废处理方法,水泥水化反应之后会产生各类水化产物,可以通过物方号源,等:矿渣偏高岭土聚合物固化垃圾焚烧飞灰配比研究环境与安全理吸附和同位取代等将有害物质固定住 ,从而实现有害物质的稳定化.但是水泥作为固化剂应用于飞灰的固化时,由于飞灰对水泥水化过程会产生阻碍作用并影响抗压强度,因此往往需要添加大量 水 泥 才 能 使 固 化 体 满 足 对 环 境 无 害 的 需求.同时水泥的生产会消耗大量能量并排放大量二氧化碳,给环境带来巨大负荷.固化体的长期稳定性和抗盐性较差,使得固化体存在污染物重新进入环境中的风险 .地质聚合物可以通过富含硅和铝的工业废料或天然矿物在酸或碱的激发作用下制备,其原理为材料中的硅质和铝质在酸或碱的作用下经过解聚反应、聚合反应形成具有立体状结构的胶凝材料 .但是,地聚物的制备往往使用大量偏高岭土,矿渣仅作为掺料,与我国大量矿渣需要有效处理的现状不适应.因此,探究最适的地聚物配方固化飞灰,对于飞灰的绿色无害化处理具有实际意义.本研究拟通过使用矿渣偏高岭土合成聚合物(下文简称B K G)替代水泥减少水泥用量,开展地聚物固化飞灰时的机理探究,为飞灰的无害化、资源化处理提供支撑.试验 试验材料本试验所用的垃圾焚烧飞灰来自成都市某生活垃圾焚烧场.试验前要预先将飞灰烘干,除去其中大颗粒及杂物.垃圾焚烧飞灰的化学组成见表.表垃圾焚烧飞灰的化学组成成分M g OA lOS i OF eON aOKOC a OS OC l占比/垃圾焚烧飞灰中的常见重金属总量和重金属浸出浓度见表.与 生活垃圾填埋场污染控制标准(G B )相比有P b和C r两种元素的浸出浓度超出了限值.表垃圾焚烧飞灰的重金属总量及浸出浓度种类B aP bZ nC uC dC r重金属总量/(m g/k g)重金属浸出浓度/(m g/L)固化材料本试验所用的制备材料分别为过 目筛的S 级高炉矿渣粉、过 目筛所得的偏高岭土粉末、碱激发剂(液体硅酸钠)、硅酸盐水泥.试验方法矿渣偏高岭土合成地聚物的制备方法采用浇注法.用矿渣偏高岭土地质聚合物固化飞灰时,按一定掺入比将矿渣/偏高岭土与垃圾焚烧飞灰均匀混合,根据设定的配比再加入一定量的碱激发剂溶液充分 搅 拌 m i n,然 后 将 浆 体 倒 入 mm mm mm的钢化模具中,振实成型.将模具密封后,放置恒温养护箱中 下养护 h,脱模后在、相对湿度的养护箱中养护至相应龄期.用普通硅酸盐水泥固化飞灰作对照组,飞灰确定为 g,试验方法同上.结果与讨论 地聚物制备参数探究本试验选择正交表L()来设计实验方案,偏高岭土掺量设置、三水平,水玻璃模数设置、三水平,液固比设置 、三水平,B K G养护 d后测试其抗压强度并以此为指标,正交表试验设计和试验结果如表所示.以抗压强度为实验结果指标得出,矿渣偏高岭土合成地聚物的最佳制备参数为:水玻璃模数为、偏高岭土占比为、液固比为.表正交实验结果实验编号A偏高岭土B水玻璃模数C液固比D空列抗压强度/MP a()()()()()()()()()固化体抗压强度测试分析按照B K G(、)的配比与飞灰均匀混合,水泥按照与B K G同样掺入比作为对照,按同样的比例将水泥掺入其中制备水泥固化体.地聚物(B K G)制备方法按照 中最优参数制备.利用地质聚合物固化垃圾焚烧飞灰过程中,确定垃圾焚烧飞灰的质量为 g不变,通过掺入不同比例的地质聚合物来对其进行固化.以普通硅酸盐水泥固化垃圾焚烧飞灰作为对照组,飞灰同样确定为 g.抗压强度是衡量固化体安全性的重要指标之 年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期一,能确保固化体的完整性,增强固化体对重金属的阻控作用,这是保证固化体资源化利用的基本条件,一般固废填埋要求在MP a左右,建筑材料要求在 MP a以上.不同掺量下B K G/水泥固化体的抗压强度测试结果如图,由图可知,随着B K G掺量的增加,所有固化体的抗压强度均在增加,相比之下掺入B K G的固化体强度均高于掺入水泥的固化飞灰,说明地聚物比水泥有更优异的力学性 能.掺 入 B K G有最高的力学性能,通过对比,B K G固化块抗压强度发展速度比水泥固化块更加迅速,这说明B K G材料相比于水泥材料具有更快的水化速率.总体来看,掺入B K G的固化块力学性能均高于水泥,抗 压 强 度 均 可 以 满 足 填 埋 和 建 材 化 的要求.图养护 d时不同B K G/水泥掺入量固化块的抗压强度 固化体重金属毒性浸出测试分析固化体无论是用于填埋,还是用作路基或建筑材料,都不可避免会接触到水环境.因此本试验采用醋酸缓冲溶液法(H J/T )进行固化体颗粒浸出毒性测试.本文主要针对飞灰种C r、P b进行浸出试验(图).原始飞灰的六价铬浸出浓度达到了 m g/L.d的养护后,B K G掺入量为 和 的固化块C r浸出浓度都极低(分别为 和 m g/L),相比于原飞灰分别下降了约 和 ,掺入 和 水泥的固化块中C r浸出浓度分别为 和 m g/L,固化效果与B K G的固化效果差距巨大,两类固化块均低于进入生活垃圾填埋场的污染防控限值,但是水泥固化块无法满足用作路基材料和混凝土骨料的要求;对于经过 d养护后的固化块中P b的浸出浓度,B K G固化块中P b的浸出浓度最低可达 m g/L,水泥固化块中P b的浸出浓度最低可达 m g/L,满足进入生活垃圾填埋场和用作路基材料和混凝土骨料的要求.因此B K G作为固化剂来固化稳定化垃圾焚烧飞灰可以达到远超水泥的效果.其中掺入 B K G和 B K G的固化体在抗压强度和重金属浸出方面均差异不大,且均可满足进入生活垃圾填埋场的要求.因此在减少物料和最大化效率的基础上,本文选择 为最佳掺入量,后续试验均采用掺入 B K G的飞灰固化块.图不同掺量固化块中相应重金属浸出浓度 地聚物固化体物相组成分析对养护 d所制得的、B K G掺量和 水泥掺量固化体进行了X R D分析,图为经过J a d e软件分析处理后的X R D图,其中个不同B K G掺入量的固化体的物相组成大致相同,但是由于B K G的掺入量不同导致所形成的物相丰度具有差异.随着B K G的掺入量增加,所对应的固化体中F s、钙矾石和水化硅铝酸钙的丰度及峰的强度均在增加.其中F s的增加最为明显,F s对于重金属离子具有良好的吸附性能和离子交换能力,因此更多的F s出现意味着重金属的浸出浓度更低.通过对比 掺入量的B K G固化体方号源,等:矿渣偏高岭土聚合物固化垃圾焚烧飞灰配比研究环境与安全和水泥固化体,水泥固化体中物相组成明显少于B K G固化体,仅有大量CSH凝胶和部分F s、C a(OH),导致在宏观上水泥固化体的性能低于B K G固化体.地聚物固化体微观结构分析对 和 B K G掺 量 的 固 化 体 进 行 了S EM分析,如图、所示.B KG掺 量 固 化 体 的S EM分 析 如 图所示.图中可以明显观察到部分堆叠的水化凝胶产物以类水滑石产物,这些物质主要为水化反应产生的无定形硅酸钙凝胶(CSH)和硅铝酸钙(CASH),以及层叠状的正六边形水化产物.图不同B K G掺量和 水泥掺量固化块的X R D分析图 B KG掺量固化体的S EM分析图谱 B K G掺量固化体的S EM分析如图所示.相比于图,图可以观察到聚合度更高的产物,这些结构是地质聚合物最典型的立体结构,该结构聚合度高,与其他水化产物相互连接,相互粘结,将垃圾焚烧飞灰颗粒紧紧地包裹粘结起来,从而在宏观上表现出良好的力学性能,所以较多的B K G掺量更有益于飞灰固化体的抗压强度发展;这种高聚合度的状态,直接带来的好处就是比表面积更大,对重金属的阻控能力也更强,这也从说明了B K G掺量更高的固化体重金属毒性浸出更低的原因.图 B KG掺量固化体的S EM分析图谱 地聚物固化稳定化垃圾焚烧中重金属机理探究通过对固化体进行X R D分析,飞灰固化体中没有出现含铬结晶相,说明重金属铬可能以离子形态或其他非结晶态进入各类反应产物之中.如前文图所示,随着B K G掺入量的增大,含量增加最为明显的是F r i e d e l s s a l t,同时伴随着重金属浸出浓度的下降,这说明该类物质对重金属铬具有十分有效的固化作用.年月绿 色 科 技(J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y)第 期B K G固化/稳定化飞灰过程中的物理作用主要体现为物理固封和物理吸附.B K G主要产物为无定形的凝胶体以及六边形的F r i e d e l ss a l t.固化体中由于部分偏高岭土的掺入给体系带来了“火山灰效应”和“微集料效应”,使其孔隙率更低,拥有更好的力学性能和密实度,一定程度地降低了固化体中重金属铬的浸出浓度.通过对B K G固化体的表征分析研究,将地聚物对飞灰的固化稳定化分为个基本阶段,即各类材料中C a、S i、A l元素在碱性条件下的解聚、聚合反应形成CSH和C(N)ASH凝胶以及水化产物F r i e d e l ss a l t的形成、各类产物的硬化以及对飞灰的包裹.结论本研究利用B K G完成了对垃圾焚烧飞灰的固化稳定化试验,通过正交试验得出B K G最佳制备参数;以相同掺比水泥固化飞灰作为对照组,以固化块的抗压强度和重金属毒性浸出为指标,得出B K G的最佳掺入比.同时结合各种表征分析手段,研究了B K G对飞灰中重金属的固化机理,得出以下结论:()随着B K G掺量的增加,养护 d的B K G固化体的抗压强度均逐渐上升,掺入比为 时达到最高值;d养护后,B K G掺量的固化体抗压强度均满足相关要求()B K G对飞灰中的重金属C r具有十分良好的固化稳定化效果,与原始飞灰相比,d养护后,掺入 和 B K G的固化体C r浸出浓度均下降了约;B K G和水泥对飞灰中的P b固化效果相差不多.处理后固化体中C r的浸出浓度均满足相关处理要求.()X R D图谱分析表明随着B K G掺量增加,固化体中含量增加最明显的是F r i e d e l ss a l t,这类物质可以有效地吸附重金属阳离子或与之发生离子交换.故推断矿渣偏高岭土合成地聚物固化飞灰中C r离子的固化机理为物理固封、离子交换和化学键合的共同作用.参考文献Z h a oX i n g a n g,J i a n gG u i w u,L iA n g,e ta l T e c h n o l o g y,c o s t,ap e r f o r m a n c eo fw a s t e t o e n e r g yi n c i n e r a t i o ni n d u s t r yi nC h i n aJ R e n e w a b l ea n dS u s t a i n a b l eE n e r g yR e v i e w s,周鑫基于环境风险评估的垃圾堆填场污染物监测方案研究J环境保护与循环经济,():H a s s a nHF R e c y c l i n go fm u n i c i p a l s o l i dw a s t e i n c i n e r a t o r a s hi nh o t m i xa s p h a l t c o n c r e t eJ C o n s t r B u i l d M a t e r,():中华人民共和国国家统计局中国统计年鉴Z北京:中国统计出版社,L eN H,R a z a k a m a n a n t s o aA,N g u y e nML,e t a l E v a l u a t i o no fp h y s i c o c h e m i c a la n d h y d r o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f M S W Ib o t t o ma s hf o r r o a dc o n s t r u c t i o nJ W a s t eM a n a g 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ep r e s e n c eo fC d,P ba n dC ra n dt h ei mm o b i l i z a t i o no fh e a v ym e t a l s i np a s t e sJC o n s t r u c t i o na n dB u i l d i n gM a t e r i a l s,:Z e n gS,W a n gJ C h a r a c t e r i z a t i o no fm e c h a n i c a la n de l e c t r i cp r o p e r t i e so fg e o p o l y m e r s s y n t h e s i z e du s i n g f o u r l o c a l l ya v a i l a b l e f l ya s h e sJC o n s t r u c t i o n&B u i l d i n g M a t e r i a l s,:黄萧复合地质聚合物固化/稳定化铬渣及其强化技术研究D重庆:重庆大学,