CN110330245A - 含重金属固体废弃物资源化利用方法 - Google Patents

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申培亮
刘诗
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B9/00—Magnesium cements or similar cements
    • C04B9/20—Manufacture, e.g. preparing the batches

Abstract

本发明公开了一种含重金属固体废弃物资源化利用方法，包括以下步骤：按质量百分数计，将镁水泥熟料矿物组分10％‑20％、辅助功能组分1％‑3％、辅助胶凝组分30％‑70％、含重金属固体废弃物15％‑40％分别粉磨至过0.075um方孔筛率90％以上，然后依次搅拌混合。本发明镁基胶凝材料，通过引入辅助组分和使用氧化镁激发固体废弃物，对重金属离子具有化学固化和物理固化的能力，其中重金属离子可以与胶凝材料性能难溶性产物，形成的水化产物对于重金属离子具有吸附固化作用，对于常见重金属离子具有优异的固化作用，显著降低重金属离子的溶出。强度高，且后期强度持续发展，应用前景广泛。

Description

含重金属固体废弃物资源化利用方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及含重金属固体废弃物资源化利用方法。
背景技术
随着我国城市化进程的加快和人民生活质量的提高，社会经济快速发展，但是在城镇化和经济发展也带来了较为突出的环境问题，其中城市垃圾、市政污泥、工业危废及带来的有毒土壤，这些废弃物及引起的环境污染问题已成为目前迫切需要解决的重大问题。由于我国固体废弃物在收集、堆放等制度不完善，造成这些固体废弃物中重金属离子偏高，主要为Cu、Pb、Cd、As、Sb、Hg、V、Co、Ni、Cr和Mn等多种重金属离子，易造成重金属污染，处置存在一定的环境风险，同时也为这些固体废弃物的资源化利用带来难题。根据统计数据，我国每年产生生活垃圾近2亿吨，同时历年堆存的垃圾总量超过70亿吨，经焚烧后仍然产生20-30％有毒飞灰和残渣，目前主要以填埋为主。每年因城市污水处理产生湿污泥量高达3000万吨，由于污水处理中，重金属离子被浓缩到污泥中，使其重金属含量较高。大量含重金属的固体废弃物的产生为此类废弃物的处置带来风险和难度。
目前绿色建筑材料是主流发展方向，建筑材料是我国建筑行业的基础性材料，具有用量大，重金属固化能力强，是目前固体废弃物资源化利用的重要领域。目前针对固体废弃物重金属离子含量高的特点，在胶凝材料固化重金属机制和应用方面开展了大量研究，研究发现地聚合物水泥基材料、硅酸盐水泥基材料、磷酸盐水泥基材料均可以阻止重金属离子的迁移、扩散，降低重金属的毒害程度。其中常见的固化方式主要为：物理固化、化学稳定化和物理化学吸附。由于此类水泥基材料对重金属离子的固化作用，目前以推动部分固体废弃物在建筑领域的利用，但是从目前研究及应用可知，磷酸盐水泥具有成本高，应用普适性差的问题，地聚合物水泥基材料固化重金属主要以铜和铅为主，适应性较差。硅酸盐水泥对于各类重金属离子具有固化效果，但是目前固化稳定性存在较大的不确定性。这些一定程度上制约了含重金属废弃物的利用。综上所述，目前在使用水泥基材料固化废弃物中的重金属离子并实现其资源化利用方面开展了大量研究，取得了一些成果，但仍未实现含重金属离子固体废弃物的大规模应用。因此，针对目前常用水泥基材料对重金属离子固化作用不稳定的问题，制备一种重金属离子固化能力强、强度高的新型绿色镁基胶凝材料，实现含重金属固体废弃物的资源化利用。
发明内容
本发明目的在于提供一种镁基胶凝材料固化重金属及资源化利用的方法，该镁基胶凝材料不仅重金属离子固化能力强、强度高，而且具有低收缩、低水化热的特点。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
含重金属固体废弃物资源化利用方法，包括以下步骤：
按质量百分数计，将镁水泥熟料矿物组分10％-20％、辅助功能组分1％-3％、辅助胶凝组分30％-70％、含重金属固体废弃物15％-40％分别粉磨至过0.075um方孔筛率90％以上，然后依次搅拌混合制备得到镁基胶凝材料。
按上述方案，所述镁水泥熟料矿物组分包括C3S、C2S、C3A、C4AF、MgO和CaO，其组成按质量百分数计为C3S 10％-15％、C2S 5％-10％、C3A 1％-3％、C4AF 3％-5％、MgO 40％-60％、CaO 20％-30％。
按上述方案，所述的辅助功能组分为镁铝双金属氢氧化物或镁铁双金属氢氧化物。
按上述方案，所述的辅助胶凝组分含有偏高岭土和矿渣微粉其中之一，且含量不低于50wt％；其余为硅灰、粉煤灰、煅烧粘土、钢渣中的任意一种或混合，比表面积不小于350m2/kg。
按上述方案，所述的含重金属固体废弃物为垃圾焚烧飞灰和底渣、市政污泥、有毒土壤、工业废渣中的一种或混合；所述工业废渣为镉渣、锡渣、锌渣、铬渣和锰渣中的任意一种或混合。
将本发明所得镁基胶凝材料、水、河砂和石子按照强度设计要求进行配合比设计和搅拌，其可用于混凝土砖等预制品、道路路基材料、现浇混凝土结构等用途和部位。
本发明所得镁基胶凝材料早强强度高、后期强度持续增长，其3天抗压强度大于10MPa，28天抗压强度不低于32.5MPa。各类重金属离子固化率高，离子溶出速度慢。
本发明与现有技术相比有如下优点：
本发明镁基胶凝材料，通过引入辅助组分和使用氧化镁激发固体废弃物，对重金属离子具有化学固化和物理固化的能力，其中重金属离子可以与胶凝材料性能难溶性产物，形成的水化产物对于重金属离子具有吸附固化作用，对于常见重金属离子具有优异的固化作用，显著降低重金属离子的溶出。另外，强度高，且后期强度持续发展，应用前景广泛。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
实施例1
一种镁基胶凝材料主要包括镁水泥熟料矿物、辅助功能组分、辅助胶凝组分和固体废弃物，上述成分按重量百分数为：镁水泥熟料矿物15％，辅助功能组分1％，辅助胶凝组分54％和固体废弃物30％，辅助功能组分为镁铝双金属氢氧化物，辅助胶凝材料为矿渣和粉煤灰等比例混合物，其比表面积为400m2/kg，所用的固体废弃物为垃圾焚烧飞灰。其中镁水泥熟料矿物组分由氧化镁、氧化钙、硅酸盐水泥熟料组成，上述成分按质量百分数为：氧化镁50％，氧化钙30％，硅酸盐水泥熟料20％。
将各各成分进行混合均匀，按GBT17671-1999标准测试3天和28天强度；按照JC/T1086测定抗氯离子扩散系数，按照GB 5086.1-1997测定重金属离子浸出；按照JC/T 603-2004标准测试其28天干缩率，其性能测试结果见表1。
实施例2
一种镁基胶凝材料主要包括镁水泥熟料矿物、辅助功能组分、辅助胶凝组分和固体废弃物，上述成分按重量百分数为：镁水泥熟料矿物20％，辅助功能组分2％，辅助胶凝组分58％和固体废弃物20％，辅助功能组分为镁铝双金属氢氧化物，辅助胶凝材料为偏高岭土和粉煤灰等比例混合物，其比表面积为350m2/kg，所用的固体废弃物为市政污泥。其中镁水泥熟料矿物组分由氧化镁、氧化钙、硅酸盐水泥熟料组成，上述成分按质量百分数为：氧化镁40％，氧化钙20％，硅酸盐水泥熟料40％。
将各各成分进行混合均匀，按GBT17671-1999标准测试3天和28天强度；按照JC/T1086测定抗氯离子扩散系数，按照GB 5086.1-1997测定重金属离子浸出；按照JC/T 603-2004标准测试其28天干缩率，其性能测试结果见表1。
实施例3
一种镁基胶凝材料主要包括镁水泥熟料矿物、辅助功能组分、辅助胶凝组分和固体废弃物，上述成分按重量百分数为：镁水泥熟料矿物15％，辅助功能组分3％，辅助胶凝组分67％和固体废弃物15％，辅助功能组分为镁铁双金属氢氧化物，辅助胶凝材料为矿渣和煅烧黏土等比例混合物，其比表面积为345m2/kg，所用的固体废弃物为有毒煅烧土壤。其中镁水泥熟料矿物组分由氧化镁、氧化钙、硅酸盐水泥熟料组成，上述成分按质量百分数为：氧化镁40％，氧化钙30％，硅酸盐水泥熟料30％。
将各各成分进行混合均匀，按GBT17671-1999标准测试3天和28天强度；按照JC/T1086测定抗氯离子扩散系数，按照GB 5086.1-1997测定重金属离子浸出；按照JC/T 603-2004标准测试其28天干缩率，其性能测试结果见表1。
实施例4
一种镁基胶凝材料主要包括镁水泥熟料矿物、辅助功能组分、辅助胶凝组分和固体废弃物，上述成分按重量百分数为：镁水泥熟料矿物20％，辅助功能组分1％，辅助胶凝组分59％和固体废弃物20％，辅助功能组分为镁铝双金属氢氧化物，辅助胶凝材料为矿渣和钢渣等比例混合物，其比表面积为335m2/kg，所用的固体废弃物为镉渣和锌渣等比例混合物。其中镁水泥熟料矿物组分由氧化镁、氧化钙、硅酸盐水泥熟料组成，上述成分按质量百分数为：氧化镁60％，氧化钙20％，硅酸盐水泥熟料20％。
将各各成分进行混合均匀，按GBT17671-1999标准测试3天和28天强度；按照JC/T1086测定抗氯离子扩散系数，按照GB 5086.1-1997测定重金属离子浸出；按照JC/T 603-2004标准测试其28天干缩率，其性能测试结果见表1。
表1 镁基胶凝材料性能及重金属离子固化效果
项目 案例1 案例2 案例3 案例4
3天抗压强度MPa 18.6 12.3 15.6 10.3
28天抗压强度MPa 43.2 35.6 37.4 33.5
28天干缩率 0.027％ 0.020％ 0.012％ 0.032％
Cd溶出mg/L 0.02 0.009 0.002 0.15
Ni溶出mg/L 0.12 0.03 0.001 0.00
Pb溶出mg/L 0.14 0.14 0.0006 0.00
Zn溶出mg/L 0.002 0.0009 0.0003 0.13

Claims (5)

1.含重金属固体废弃物资源化利用方法，其特征在于包括以下步骤：
按质量百分数计，将镁水泥熟料矿物组分10％-20％、辅助功能组分1％-3％、辅助胶凝组分30％-70％、含重金属固体废弃物15％-40％分别粉磨至过0.075um方孔筛率90％以上，然后依次搅拌混合制备得到镁基胶凝材料。
2.如权利要求1所述含重金属固体废弃物资源化利用方法，其特征在于所述镁水泥熟料矿物组分包括C3S、C2S、C3A、C4AF、MgO和CaO，其组成按质量百分数计为C3S10％-15％、C2S5％-10％、C3A1％-3％、C4AF3％-5％、MgO40％-60％、CaO20％-30％。
3.如权利要求1所述含重金属固体废弃物资源化利用方法，其特征在于所述的辅助功能组分为镁铝双金属氢氧化物或镁铁双金属氢氧化物。
4.如权利要求1所述含重金属固体废弃物资源化利用方法，其特征在于所述的辅助胶凝组分含有偏高岭土和矿渣微粉其中之一，且含量不低于50wt％；其余为硅灰、粉煤灰、煅烧粘土、钢渣中的任意一种或混合，比表面积不小于350m2/kg。
5.如权利要求1所述含重金属固体废弃物资源化利用方法，其特征在于所述的含重金属固体废弃物为垃圾焚烧飞灰和底渣、市政污泥、有毒土壤、工业废渣中的一种或混合；所述工业废渣为镉渣、锡渣、锌渣、铬渣和锰渣中的任意一种或混合。
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