CN104986926A

CN104986926A - 一种重金属污染淤泥稳定化处理材料的配方

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Publication number: CN104986926A
Application number: CN201510326599.2A
Authority: CN
Inventors: 包建平; 张会文; 舒实; 魏代伟; 蒋裕丰
Original assignee: Nanjing Hehai Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Hehai Technology Co Ltd
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2015-10-21

Abstract

本发明公开了一种重金属污染淤泥稳定化处理材料的配方，它涉及固体废弃物资源化利用技术领域；它的配方为：按质量百分比为水泥20-30%、石灰15-25%、膨润土45-55%、腐殖质12-22%；在水泥基固化材料的基础上加入石灰、膨润土、腐殖质，按比例混合均匀；本发明可以减少重金属污染淤泥在堆场和处置过程中对周围水环境产生的二次污染问题；污染淤泥能再生利用，具有较强的经济性；处理效果好，应用范围广。

Description

一种重金属污染淤泥稳定化处理材料的配方

技术领域

本发明涉及固体废弃物资源化利用技术领域，具体涉及一种重金属污染淤泥稳定化处理材料的配方。

背景技术

在许多河道和湖泊的清淤工程中，由于河道和湖泊长期受纳含有重金属污染的废水，重金属离子由于颗粒物的沉降作用或与有机物等发生反应，在河道和湖泊淤泥中沉积。随着河道、湖泊的水利清淤和环保清淤工程开展，会产生大量的重金属污染淤泥，这些淤泥的含水率较高、粘粒含量高，强度和承载力极低，在堆放过程中会占用大量土地资源，同时淤泥中的重金属会随着地表降雨径流和地下水渗流作用对周围的水环境产生污染。同时在市政工程、矿山修复工程中需要大量的填土，大多通过开采砂土矿而取得。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单、设计合理、使用方便的一种重金属污染淤泥稳定化处理材料的配方。

为了解决背景技术所存在的问题，本发明的一种重金属污染淤泥稳定化处理材料的配方，它的配方为：按质量百分比为水泥20-30%、石灰15-25%、膨润土45-55%、腐殖质12-22%；在水泥基固化材料的基础上加入石灰、膨润土、腐殖质，按比例混合均匀。

本发明有益效果为：

一、环境保护，可以减少重金属污染淤泥在堆场和处置过程中对周围水环境产生的二次污染问题；

二、资源再生利用，可以将重金属污染淤泥转化为市政填土和绿化用土；

三、原材料来源广泛，价格便宜，具有较强的经济性；

四、处理效果好，通过机械搅拌后，与污染淤泥充分混合，在提高淤泥的强度的同时，可以有效地对重金属进行稳定，降低重金属的溶出性能和生物活性；

五、应用范围广，可以根据淤泥中重金属污染物的种类及含量，调整原料组分的配比和添加量，满足不同工况的要求。

附图说明

图1为具体实施方式一的反应对比示意图；

图2为具体实施方式二的反应对比示意图；

图3为具体实施方式中C-S-H对重金属的稳定化作用示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式一：本具体实施方式采用如下技术方案：它的配方为：按以下质量百分比混合均匀而成，水泥20%、石灰25%、膨润土33%、腐殖质22%。

按照本配比，在每立方米淤泥中加入85kg本发明材料，淤泥经过处理后，7天无侧限抗压强度可以达到103kPa，渗透系数小于10^-5cm，满足市政填土和绿化用土的强度要求，除Pb的浸出量变化不大外，其他五种重金属的浸出量较原泥都具有较大的降低，浸出量均下降到危险废物鉴别标准以下。较只使用水泥一种材料，重金属浸出量降低了85%以上，如图1所示。

具体实施方式二：本具体实施方式采用如下技术方案：它的配方为：按以下质量百分比混合均匀而成，水泥30%、石灰15%、膨润土43%、腐殖质12%。

按照本配比，在每立方米淤泥中加入75kg本发明材料，淤泥经过处理后，7天无侧限抗压强度可以达到95kPa，渗透系数小于10^-5cm，满足市政填土和绿化用土的强度要求，除Pb的浸出量变化不大外，其他五种重金属的浸出量较原泥都具有较大的降低，浸出量均下降到危险废物鉴别标准以下。较只使用水泥一种材料，重金属浸出量降低70%以上，如图2所示。

机理说明：

水泥加入到污染淤泥中，会发生如下水化反应：

3CaO·SiO₂+ 6H₂O = 3CaO·SiO₂·3H₂O + 3Ca(OH)₂ （式1）

2(2CaO·SiO₂) + 4H₂O = 3CaO·SiO₂·3H₂O + Ca(OH)₂ （式2）

3CaO·Al₂O₃+ 6H₂O = 3CaO·Al₂O₃·6H₂O （式3）

生石灰与水发生如下反应：

CaO+H₂O=Ca(OH)₂（式4）

从上述四个反应方程式，可以看出，水泥发生水化反应的主要产物有C-S-H（水化硅酸钙）、Ca(OH)₂和3CaO·Al₂O₃·6H₂O，生石灰与水发生反应的唯一生成物就是Ca(OH)₂。在水泥与石灰的稳定化处理中，重金属离子可能与OH^-结合，形成不溶于水的盐类。在污染底泥中 Cd的氧化值为+2，Cd(OH)₂为强碱性，溶于水，因此在水泥和石灰稳定化底泥中Cd²⁺与OH^-不发生反应，不能形成Cd的氢氧化物沉淀。Cr的氧化值多为+3，Cr(OH)₃具有两性，既能与强酸反应，又能与强碱反应，具体反应如式5，因此在水泥和石灰稳定化底泥中，生成的OH^-含量较高，Cr³⁺不能与OH^-形成不溶沉淀物。Cu的氧化值为+2，在碱性环境下，Cu²⁺与OH^-形成不溶于水的盐类Cu(OH)₂，具体反应式见式6，因此在水泥和石灰稳定化底泥中，Cu形成了沉淀物，形态发生改变。Ni(OH)₂属于强碱，Ni²⁺不能与OH^-发生反应、形成沉淀物。Pb(OH)₂属于弱碱性物质，微溶于水，在水泥与石灰的稳定化底泥中，Pb²⁺可以与OH^-形成不溶的Pb(OH)₂，具体反应如式7。Zn是两性重金属的典型代表，Zn²⁺在OH^-量不同时，发生的反应不同，具体反应如式8，在水泥与石灰的稳定化底泥中OH^-含量较高，Zn不能与反应OH^-生成沉淀。

（式5）

Cu²⁺+2OH^-=Cu(OH)₂（式6）

Pb²⁺+2OH^-=Pb(OH)₂（式7）

Zn²⁺+2OH^-(适量)=Zn(OH)₂

Zn(OH)₂+2OH^-(过量)=Zn(OH)₄ ^2-

从上述分析可以看出，在碱性环境中，Cu和Pb能与OH^-结合，发生反应，生成不溶于水的盐类，使它们的形态发生改变；其他重金属在OH^-含量较高的碱性环境中，均不能与OH^-发生反应，碱性环境对它们的形态改变作用不大。

水泥对重金属稳定化的效果取决于水化产物的数量。水泥与水发生水合反应后，生成了C-S-H，C-S-H对重金属的形态及浸出有很大影响。一部分重金属会吸附在C-S-H颗粒表面、一部分重金属会进入C-S-H结构内部，被C-S-H所包裹、还有一部分会取代C-S-H中的Ca或者与C-S-H表面的Ca反应形成Ca与该重金属的氧化物。在硬化水泥浆体的C-S-H结构中，Cd和Zn会取代C-S-H中的Ca或与C-S-H表面的Ca反应形成氧化物Cd-Ca-Si和Zn-Ca-Si；Cr则直接进入C-S-H结果内部，被包裹在C-S-H中；Cu和Pb不仅与OH^-反应生成不溶物质，而且在水泥熟料颗粒的表面也形成一些不溶性的沉积物，如碳酸盐、硫酸盐等，这些物质表面能低，吸附在水泥颗粒表面低，常常延缓水泥的水化。同时CuO还会被C₂S（硅酸二钙）通过物理作用结合，大部分则形成了一种含Cu-Ca-Si的化合物。C-S-H对重金属的稳定化作用如图3所示；其中图中1为表面颗粒BaCO₃、BaSO₄、2为Cr被纳入其中、3为水泥熟料颗粒、4为C-S-H、5为表面区域、6为Zn与CaZn₂OH)₆、7为Cd与CaCd(OH)₄、8为Pb、Cu沉淀。

黏土矿物广泛存在于自然界中，因为黏土矿物具有特殊的晶体结构，因此黏土矿物具有很多特性，例如：复水、脱水性能、离子交换性能、可塑性能、膨胀和收缩性能等。黏土矿物同时属于胶体范畴，具有较高的比表面积和表面双电层

膨润土的加入对重金属的形态变化有明显效果。重金属元素可通过一系列反应机制被膨润土吸附、结合。这些反应机制包括：（1）离子交换吸附机理、（2）配合作用机理、（3）共沉淀机理。同时，黏膨润土有很强的吸附性，按照吸附原因的区别，可被分为物理吸附、化学吸附和离子交换吸附；

（1）物理吸附：

物理吸附是指由吸附剂与吸附质之间的分子间引力而产生的吸附。物理吸附是可逆的，吸附和解吸速度在一定的温度、重金属浓度条件下呈现动态平衡。物理吸附是由于膨润土的表面分子具有表面能而产生的。一般而言，吸附剂的比表面积越大，吸附能力就越强。

（2）化学吸附：

化学吸附是指吸附剂与吸附质之间的化学键力而产生的吸附。吸附方式一般存在以下两种情形：（I）介质中有存在中性电解质时，无机阳离子可以在黏土矿物和阴离子型聚合物之间形成一个“桥接”，高聚物则通过这个“桥接”吸附在黏土矿物的表面；（II）黏土矿物晶体带正电荷，阴离子基团可以靠它与正电荷之间的静电引力吸附在黏土矿物的表面。

（3）离子交换吸附：

黏土矿物通常具有不饱和电荷，根据电量平恒原理，必定会有等量的异种电荷吸附在黏土表面上以达到电中性平衡。通常，吸附在黏土矿物表面上的离子可以和溶液中的同号离子发生交换作用，这种作用即称为离子交换性吸附。常见的与黏土矿物发生交换吸附的离子为：（I）阳离子：Ca²⁺、Mg²⁺、H⁺、K⁺、NH₄ ⁺、Na⁺和Al³⁺等；（II）阴离子：SO₄ ^2-、Cl^-和NO₃ ^-等。

膨润土对重金属离子的吸附属于阳离子交换吸附，阳离子交换吸附可以发生在膨润土晶体表面，也可以发生在其矿物晶层中。一般来说，交换吸附受以下几点因素影响：①离子价数，在溶液中离子浓度相差不大时，离子价态越高，则与黏土之间的吸附能力就越强；②离子半径、价态相同、浓度相近的情况下，金属离子半径大的，水化半径越小，离子中心离黏土表面越近，吸附能力就越强；③离子浓度，离子浓度对吸附强弱的影响符合质量作用定律，即浓度越大，吸附作用越强；④介质，碱性介质的交换量比酸性介质中高；同时阳离子交换吸附还受黏土矿物粒度和温度的影响。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种重金属污染淤泥稳定化处理材料的配方，其特征在于：它的配方为：按质量百分比为水泥20-30%、石灰15-25%、膨润土45-55%、腐殖质12-22%；在水泥基固化材料的基础上加入石灰、膨润土、腐殖质，按比例混合均匀。