CN111056759A - 一种核壳结构陶粒包覆层添加剂及其应用 - Google Patents

一种核壳结构陶粒包覆层添加剂及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种核壳结构陶粒包覆层添加剂及其应用，属于污染土壤治理技术领域，该添加剂以质量百分比计，原料包括以下组分：助熔剂：20％‑90％；钝化剂：10％‑80％。本发明所述的核壳结构包覆层添加剂可以进一步增强包覆层对重金属的固封效果，减少包覆层的孔隙率，增大包覆层的致密程度，降低重金属的浸出风险，实现无害化处理。

Description

一种核壳结构陶粒包覆层添加剂及其应用
技术领域
本发明涉及污染土壤治理技术领域，特别是涉及一种核壳结构陶粒包覆层添加剂及其应用。
背景技术
土壤是生态系统最基本且最重要的组成部分，但随着经济的发展，以及城镇化和工业化进程的推进，我国土壤污染问题日趋严重。2014年《全国土壤污染状况调查公报》指出：全国土壤总的超标率为16.1％，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2％、2.3％、1.5％和1.1％。污染类型以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8％，主要的无机污染物为镉、铜、铅、铬、锌、镍等重金属。全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。
重金属在土壤中具有移动性差、滞留时间长、不能被微生物降解等特点，当土壤中重金属含量累积到一定程度后，会引起作物中污染物含量超标，并通过食物链富集到人体和动物中，危害人畜健康，引发人类癌症和其它疾病等。
为了处理污染土壤以实现其再利用，我国急需一种可以满足目前中国城镇化建设需求的低成本、高效、快速处理并重新利用工业废弃地的技术。传统污染土壤处置技术包括物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术等。单一的物理修复如客土法等仅能将污染土壤进行清移并异地堆放，极易造成二次污染，热解法等仅能将土壤中有机污染物清除，但高温处理后的土壤由于性能发生很大改变，较难继续使用。化学修复仅是从土壤中移除污染物或者降低污染物在土壤中的生物毒性和迁移性，存在着处理效率低、技术要求高、对生态环境存在潜在的威胁等问题。生物修复存在着修复周期过长，不能高效的处理污染土壤的问题，同时存在对于不同性质的污染土壤，修复生物适应力不同，易导致修复效果不理想等问题。没有技术可以满足目前中国城镇化建设对低成本、高效、快速处理并重新利用工业废弃地技术的需求。有人提出一种基于核壳结构混凝土骨料制备及使用的三重固化修复技术，该技术的主要技术思路是：将污染土壤经干燥、破碎、磨细等预处理后，先造粒成核，再在其表面包覆清洁土壤或其他矿物材料，经高温烧制成陶粒，用于工业场地再用时的混凝土制备。通过陶粒的高温烧成确保有机污染物的安全分解，借助烧成过程中的高温化学固化、陶粒外壳的物理固封和常温下胶凝材料的物理、化学固结实现对重金属污染的无害化控制。但使用这种技术对某些易溶出重金属(如铬、镉)的固化效果还不理想，有待加强。
发明内容
本发明的目的是提供一种核壳结构陶粒包覆层添加剂及其应用，以解决上述现有技术存在的问题，进一步降低污染土壤制备核壳烧结陶粒重金属的浸出风险。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种核壳结构陶粒包覆层添加剂，以质量百分比计，原料包括以下组分：
助熔剂：20％-90％；
钝化剂：10％-80％。
进一步地，所述助熔剂为碳酸钠、硼砂和/或碱金属氧化物。
进一步地，所述碱金属氧化物为锂、钠或钾的氧化物、过氧化物或超氧化物。
进一步地，所述助熔剂为废弃玻璃粉或含有玻璃的工业固废粉。
进一步地，所述钝化剂为含硅酸盐矿物或碱金属氧化物的工业矿渣。
进一步地，所述钝化剂为氢氧化钙、硫酸亚铁、沸石。
本发明还提供一种上述的核壳结构陶粒包覆层添加剂在固封污染土壤中的应用。
进一步地，所述污染土壤为重金属污染土壤。
污染土壤中所包含的重金属可以是以下元素的一种或几种：铜、铬、铅、锌、锡、镍、钴、锑、镉和铋。
进一步地，在核壳结构陶粒造粒成核前，在包覆材料中加入核壳结构陶粒包覆层添加剂，并充分混匀。
进一步地，核壳结构陶粒包覆层添加剂的添加量为1wt％-8wt％。
上述核壳结构陶粒包覆层添加剂的使用方法，包括以下步骤：
(1)准确称量所述核壳结构陶粒包覆层添加剂各原料的质量，将助熔剂、钝化剂充分混匀制成添加剂，放于干燥避光环境中备用；
(2)将包覆材料烘干，然后在包覆材料中掺入1wt％-8wt％的核壳结构陶粒包覆层添加剂，采用混料机混合15min；
(3)将污染土壤进行造粒成核，再将制得的核心球移入另一个成球盘之中，在核心球表面包覆掺入核壳结构陶粒包覆层添加剂的包覆材料，制备成核壳结构陶粒生胚，制成陶粒生胚后陈腐24h，使添加剂与生料充分反应；
(4)将步骤(3)中的陶粒生胚进行烧成，烧成条件为：升温速率为10-15℃/min，保温温度400-450℃，保温时间25-35min，烧结温度950-1180℃，烧结时间10-15min。
本发明公开了以下技术效果：
本发明所述的核壳结构包覆层添加剂可以进一步增强包覆层对重金属的固封效果，减少包覆层的孔隙率，增大包覆层的致密程度，降低重金属的浸出风险，实现无害化处理。
本发明所述核壳结构陶粒包覆层添加剂的主要组分有两部分：助熔剂有助于熔融态物质的生成从而减小包覆层的孔隙率，使得包覆层表面生成一层致密的釉质烧结产物，起到阻止重金属浸出的作用；钝化剂能够使进入包覆层的重金属生成不易溶于水的化合物，进一步阻止重金属离子随水分穿过包覆层，从而降低重金属的浸出风险。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
本发明实施例中，重金属浸出试验采用的标准是环保部颁布的：HJ557-2009《固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》。
实施例1
(1)按照质量百分比40％和60％的配比，将硼砂、废弃玻璃粉混匀制成添加剂；
(2)将粘土包覆材料烘干，然后向其中掺入3wt％的添加剂；
(3)将含有铬(6000-15000mg/kg)的污染土壤进行造粒成核，再将制得的核心球移入另一个成球盘之中，在核心球表面包覆掺入添加剂的粘土包覆材料，制成核壳结构陶粒生胚，制成陶粒生胚后陈腐24h，使添加剂与包覆材料充分反应；
(4)将步骤(3)的陶粒生胚进行烧成，烧成条件为：升温速率为15℃/min，保温温度420℃，保温时间25min，烧结温度1100℃，烧结时间10min。
本实施例1中制得的陶粒的堆积密度为1230kg/m3，筒压强度9.05MPa，一小时吸水率为5.32％。
重金属浸出试验结果表明：浸出液中重金属铬的浓度低于ICP-OES仪器检测限，可认为未检出。
实施例2
(1)以碳酸钠为助熔剂，以氢氧化钙为钝化剂，将两种组分等比例充分混匀制成添加剂；
(2)将粉煤灰包覆材料进行烘干，然后向其中掺入8wt％的添加剂；
(3)将含有铅(6000-15000mg/kg)污染土壤进行造粒成核，在将制得的核心球移入另一个成球盘之中，在核心球表面包覆掺入添加剂的粉煤灰包覆材料，制成核壳结构陶粒生胚，制成陶粒生胚后陈腐24h，使添加剂与包覆材料充分反应；
(4)将步骤(3)的陶粒生胚进行烧成，其烧成条件为：升温速率为10℃/min，保温温度450℃，保温时间35min，烧结温度1180℃，烧结时间15min。
本实施例中制得的陶粒的堆积密度为985kg/m3，筒压强度8.8MPa，一小时吸水率为6.25％。
重金属浸出试验结果表明：浸出液中铅的浓度低于ICP-OES仪器检测限，可认为未检出。
实施例3
(1)按照质量百分比分别为40％、35％、25％的配比，将硼砂、氢氧化钠、硫酸亚铁混匀制成添加剂；
(2)将页岩粉包覆材料进行烘干，然后掺入6wt％的添加剂；
(3)将含有镉的污染土壤进行造粒成核，再将制得的核心球移入另一个成球盘之中，在核心球表面包覆掺入添加剂的页岩粉包覆材料，制成核壳结构陶粒生胚，制成陶粒生胚后陈腐24h，使添加剂与包覆材料充分反应；
(4)将步骤(3)的陶粒生胚进行烧成，烧成条件为：升温速率为12℃/min，保温温度430℃，保温时间33min，烧结温度1130℃，烧结时间18min。
本实施例中制得的陶粒的堆积密度为1045kg/m3，筒压强度7.9MPa，一小时吸水率为7.86％。
重金属浸出试验结果表明：浸出液中重金属镉的浓度低于ICP-OES仪器检测限，可认为未检出。
实施例4
(1)按照质量百分比为60％、25％、15％的配比，将含工业废玻璃粉、碳酸钾、赤泥，经过烘干、破碎、筛除碎石等预处理过程后，用球磨机球磨1h，过80μm筛后，混匀制成添加剂；
(2)煤矸石粉末包覆材料进行烘干，然后掺入8wt％的添加剂；
(3)将含有污染物铜的土壤进行造粒成核，再将制得的核心球移入另一个成球盘之中，在核心球表面包覆掺入添加剂的煤矸石包覆材料，制成核壳结构陶粒生胚，制成陶粒生胚后陈腐24h，使添加剂与包覆材料充分反应；
(4)将步骤(3)的陶粒生胚进行烧成，烧成条件为：升温速率为15℃/min，保温温度450℃，保温时间35min，烧结温度1180℃，烧结时间20min。
本实施例中制得的陶粒的堆积密度为913kg/m3，筒压强度6.8MPa，一小时吸水率为8.36％。
重金属浸出试验结果表明：浸出液中重金属铜的浓度低于ICP-OES仪器检测限，可认为未检出。
实施例5
(1)以硼砂为助熔剂，以沸石为钝化剂，将两种组分等比例充分混匀制成添加剂；
(2)将粉煤灰包覆材料进行烘干，然后向其中掺入8wt％的添加剂；
(3)将含有铅污染土壤进行造粒成核，在将制得的核心球移入另一个成球盘之中，在核心球表面包覆掺入添加剂的粉煤灰包覆材料，制成核壳结构陶粒生胚，制成陶粒生胚后陈腐24h，使添加剂与包覆材料充分反应；
(4)将步骤(3)的陶粒生胚进行烧成，其烧成条件为：升温速率为10℃/min，保温温度450℃，保温时间35min，烧结温度1180℃，烧结时间15min。
本实施例中制得的陶粒的堆积密度为945kg/m3，筒压强度6.9MPa，一小时吸水率为8.37％。
重金属浸出试验结果表明：浸出液中重金属铜的浓度低于ICP-OES仪器检测限，可认为未检出。
实施例6
(1)以过氧化钠为助熔剂，以氢氧化钙为钝化剂，将两种组分等比例充分混匀制成添加剂；
(2)将粉煤灰包覆材料进行烘干，然后向其中掺入8wt％的添加剂；
(3)将含有铅污染土壤进行造粒成核，在将制得的核心球移入另一个成球盘之中，在核心球表面包覆掺入添加剂的粉煤灰包覆材料，制成核壳结构陶粒生胚，制成陶粒生胚后陈腐24h，使添加剂与包覆材料充分反应；
(4)将步骤(3)的陶粒生胚进行烧成，其烧成条件为：升温速率为10℃/min，保温温度450℃，保温时间35min，烧结温度1180℃，烧结时间15min。
本实施例中制得的陶粒的堆积密度为955kg/m3，筒压强度6.7MPa，一小时吸水率为8.35％。
重金属浸出试验结果表明：浸出液中重金属铜的浓度低于ICP-OES仪器检测限，可认为未检出。
对实施例1-6进行长期浸出试验，检测混凝土试块30d，60d，90d的浸出结果；试验用试块体积是100×100×100mm，浸出液是去离子水，浸出方式是静置浸出，定期采用ICP-OES检测浸出液中重金属离子浓度，结果显示：浸出液中重金属铜的浓度低于ICP-OES仪器检测限，可认为未检出。
对比例1
(1)将含有重金属铬的污染土壤进行造粒成核，再将制得的核心球移入另一个成球盘之中，在核心球表面包覆不掺入任何添加剂的粉煤灰，制成核壳结构陶粒生胚，制成陶粒生胚后陈腐24h，使添加剂与包覆材料充分反应；
(2)将步骤(1)的陶粒生胚进行烧成，烧成条件为：升温速率为10℃/min，保温温度450℃，保温时间30min，烧结温度1130℃，烧结时间30min。本实施例中制得的陶粒的堆积密度为942kg/m3，筒压强度8.5MPa，一小时吸水率为10.56％。
每100g陶粒含1500mg铬污染物，采用ICP-OES试验测定得铬浸出浓度为2.2mg/L。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种核壳结构陶粒包覆层添加剂，其特征在于，以质量百分比计，原料包括以下组分：
助熔剂：20％-90％；
钝化剂：10％-80％。
2.根据权利要求1所述的一种核壳结构陶粒包覆层添加剂，其特征在于，所述助熔剂为碳酸钠、硼砂和/或碱金属氧化物。
3.根据权利要求2所述的一种核壳结构陶粒包覆层添加剂，其特征在于，所述碱金属氧化物为锂、钠或钾的氧化物、过氧化物或超氧化物。
4.根据权利要求1所述的一种核壳结构陶粒包覆层添加剂，其特征在于，所述助熔剂为废弃玻璃粉或含有玻璃的工业固废粉。
5.根据权利要求1所述的一种核壳结构陶粒包覆层添加剂，其特征在于，所述钝化剂为含硅酸盐矿物或碱金属氧化物的工业矿渣。
6.根据权利要求1所述的一种核壳结构陶粒包覆层添加剂，其特征在于，所述钝化剂为氢氧化钙、硫酸亚铁或沸石。
7.一种权利要求1-6任一项所述的核壳结构陶粒包覆层添加剂在固封污染土壤中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述污染土壤为重金属污染土壤。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，在核壳结构陶粒造粒成核前，在包覆材料中加入核壳结构陶粒包覆层添加剂，并充分混匀。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，核壳结构陶粒包覆层添加剂的添加量为1wt％-8wt％。
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