CN101519220A - 一种城市垃圾焚烧飞灰合成水化氯铝酸钙的方法 - Google Patents

Abstract

本发明系一种水化氯铝酸钙的合成方法，属环境工程固体废物利用技术领域。将城市垃圾焚烧飞灰、铝酸盐水泥和去离子水按质量比为70∶30∶33混合搅拌，放入水泥培养箱在湿度为95～99％的条件下培养72h天后烘干研磨，即得到以水化氯铝酸钙为主的微颗粒。通过水作用下固相之间的混合水合反应，合成具有污染物束缚能力的、LDHs的特殊结构及其阴离子可交换性、记忆效应等特性的化合物。为危险废物飞灰的处理处置提供了新途径，同时也达到以废治废的效果。

Description

一种城市垃圾焚烧飞灰合成水化氯铝酸钙的方法

技术领域

本发明系城市垃圾焚烧飞灰合成水化氯铝酸钙的方法，属环境工程固体废物利用技术领域。

背景技术

影响城市生态系统的众多因素中，城市垃圾是最活跃的扰动因素之一，随着城市化进程的不断加快，我国城市垃圾产生量急剧增加，且增长势头不减，城市垃圾的处理已越来越引起全社会的重视。垃圾焚烧技术由于可以有效地破坏有机毒性物质，大大降低垃圾的体积，而且可以回收能源，将成为我国垃圾资源化、无害化和减容化处理技术的重要研究和发展方向，生活垃圾焚烧对于可燃物质的去除效果很好，但对于其中所含的重金属物质而言，通常在其焚烧后重金属的总量不会发生改变，大部分重金属会分布在占焚烧垃圾总量0.5％～3.0％的焚烧飞灰中。焚烧飞灰的分析结果表明，焚烧飞灰并不是化学惰性物质，其中含有能被水浸出的较高浓度的Cd，Pb，Zn以及Cr等多种有害重金属物质和盐类，若处理不当，将会污染地下水及周围环境，因而是一种有害物质。如何安全有效地处置利用焚烧飞灰已成为急需解决的环境和社会问题。固化/稳定化技术是国际上处理有毒有害废物的主要方法之一。固化稳定化的主要方式有：烧结、熔融、药剂稳定法和水泥固化法。由于烧结、熔融法需要耗费大量的能量，而药剂稳定法使用的药剂价格较贵、且会产生大量的含重金属污水，因此，水泥固化法仍是最常用的固化MSWI飞灰的方式。水泥稳定化处理是固化稳定化预处理MSWI飞灰的常用方法，但此方法将耗费大量的水泥资源并引起填埋场增容比的增加。利用必须进入填埋场的危险废物替代水泥等增容固化材料，共处理重金属类危险废物，是安全填埋场中满足固化稳定化和有效减容的一个新思路。实现的关键是需要按照危险废物的组分特点，设计和构建新的矿物体系，以满足低增容比、高的重金属束缚效率、良好的物理性能和耐久性的要求。在掺加了富铝组分的CaO-CaCl₂-CaSO₄-SiO₂-Al₂O₃-H₂O体系中，除形成水化硅酸钙(C2S2H)相外，氯离子将优先形成具有层状结构的Cl-AFm。

水滑石类化合物包括水滑石和类水滑石，其主体一半由两种金属的氢氧化物构成，因此又称为层状双羟基复合金属氧化物(layered double hydroxide，简写为LDH)。

LDHs是由层间阴离子及带正电荷层板堆积而成的化合物，其结构类似于水镁石Mg(OH)₂，由MO₆八面体共用棱边而形成主体层板。LDHs的化学组成具有如下通式：，其中M²⁺和M³⁺分别为二价和三价重金属阳离子，位于主体层板上；A^n-为层间阴离子；x为M³⁺/(M²⁺+M³⁺)的摩尔比值；m为层间水分子的个数。位于层板上的二价金属阳离子M²⁺可以在一定的比例范围内被离子半径相近的三价金属阳离子M³⁺同晶取代，从而使得主体层板带部分的正电荷；层间可以交换的客体A^n-与层板正电荷相平衡，因此使得LDHs的这种主客体结构呈现电中性。

LDHs的层间具有可交换的阴离子，其阴离子易于被交换的顺序为：CO₃ ^2->SO₄ ^2->HPO₄ ^2->OH^->F^->Cl^->Br^->NO₃ ^-，所以高价阴离子易于进入LDHs层间，低价阴离子易于被交换出来。即具有更高电荷密度、更高价电荷的阴离子比单价阴离子拥有更强的吸引力。

一般，其交换过程可以用以下方程式表示：

LDH-A+X＝＝LDH-X+A

式中：A和X分别代表两种不同的阴离子。这类反应通常属于液固相反应，其中层状氢氧化物处于固相，自由阴离子处于液相。

同时，LDHs具有特殊的层状结构，其焙烧产物在一定条件下可重新吸收水和阴离子从而部分恢复为LDHs的层状结构，称之为LDH的记忆效应。利用这种结构记忆效应，焙烧LDH也可以作为阴离子吸附剂。

因此，利用飞灰水泥合成LDH，是一种废物利用的方法，达到了飞灰的最终稳定化处置的目的，同时也产生了用途广泛的LDH——水化氯铝酸钙(friedel化合物)。

由于LDHs的层间结构、阴离子的可交换性以及其记忆效应，广泛运用于吸附、催化，阻燃等领域。但是一般其合成方法比较复杂，有共沉淀法，溶胶凝胶法离子交换法，焙烧柱撑法等，但一般条件控制比较严格或者耗能较高，大规模生产不便或成本过高。

发明内容

本发明的目的是提供一种廉价和工艺简便的水化氯铝酸钙的合成方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种城市垃圾焚烧飞灰合成水化氯铝酸钙的方法，该方法具有以下的工艺过程：

将城市垃圾焚烧飞灰、CA50型铝酸盐水泥和去离子水按质量比为70：30：33称取，其中城市垃圾焚烧飞灰为：富含钙和可溶性氯元素，并且具有较高的碱度，城市垃圾焚烧飞灰与去离子水按质量比为1：20混合搅拌，平衡后溶液pH范围在10.5～11.5，氯有0.16～0.2mol/L；先将城市垃圾焚烧飞灰和铝酸盐水泥研磨并过80目筛；研磨混合均匀后，加去离子水充分搅拌、混匀，放入水泥培养箱在10～25℃、湿度为95～99％的条件下培养72h天后65℃烘干研磨，即得到以水化氯铝酸钙为主的微颗粒。

所述的CA50型铝酸盐水泥指符合国标GB 201-2000，在铝酸盐水泥中Al元素以可以水化的CA，C2A，C3A等型式存在。

利用危险废弃物垃圾焚烧飞灰和铝酸盐水泥的性质来合成水化氯铝酸钙。通过水作用下固相之间的混合水合反应，合成具有污染物束缚能力的、LDHs的特殊结构及其阴离子可交换性、记忆效应等特性和化合物。为危险废物飞灰的处理处置提供了新途径，同时也达到以废治废的效果。

发明效果：城市垃圾焚烧飞灰属于危险固体废物，常常用普通硅酸盐水泥固化稳定化方法处理。而本发明以城市垃圾焚烧飞灰为原料合成以水化氯铝酸钙为主的微颗粒。使得危险废物城市垃圾焚烧飞灰能够重新被利用，达到以废治废的效果。

本发明利用飞灰中的可溶性Ca，Cl元素，与铝酸盐水泥中的Al物质CA，C2A，C3A等的水化过程中共同形成类LDH矿物的原理，达到稳定飞灰并合成水化氯铝酸钙的目的。根据XRD(X射线衍射)分析的图谱可以证明物质成分，XRD三强线非常明显，有很明显层状结构，并且与ICCD(衍射数据国际中心)的PDF2-2004数据库中卡片号为31-0245的图谱相对应。合成物化学式为3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O表明合成成功。

本发明的特点：本发明巧妙利用危险废物飞灰与铝酸盐水泥的特性，简便巧妙地合成LDH矿物。且本发明采用廉价原料，使得大规模合成LDHs成为可能，有很大的环境潜力。

附图说明

图1合成产物的XRD分析图谱

图2合成工艺流程图

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后。

实施例1

具体合成路线如说明书附图2所示。取城市垃圾焚烧飞灰70g，该城市垃圾焚烧飞灰为：富含钙和可溶性氯元素，并且具有较高的碱度，城市垃圾焚烧飞灰与去离子水按质量比为1：20混合搅拌，平衡后溶液pH范围在10.5～11.5，氯有0.16～0.2mol/L；再取CA50型铝酸盐水泥30g。混合，研磨并过80目筛。研磨混合均匀后，加入33ml去离子水充分搅拌，混匀。混匀后放入水泥培养箱在20℃、湿度为97％的条件下培养3天后65℃烘干研磨。得到以水化氯铝酸钙为主的微颗粒，合成物化学式为3CaO·Al₂O₃·CaCl₂·10H₂O。其XRD分析图谱如图1。

Claims (1)

1、一种城市垃圾焚烧飞灰合成水化氯铝酸钙的方法，其特征在于该方法具有以下的工艺过程：

将城市垃圾焚烧飞灰、CA50型铝酸盐水泥和去离子水按质量比为70：30：33称取，其中城市垃圾焚烧飞灰为：富含钙和可溶性氯元素，并且具有较高的碱度，城市垃圾焚烧飞灰与去离子水按质量比为1：20混合搅拌，平衡后溶液pH范围在10.5～11.5，氯有0.16～0.2mol/L；先将城市垃圾焚烧飞灰和铝酸盐水泥研磨并过80目筛；研磨混合均匀后，加去离子水充分搅拌、混匀，放入水泥培养箱在10～25℃、湿度为95～99％的条件下培养72h天后65℃烘干研磨，即得到以水化氯铝酸钙为主的微颗粒。

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