CN112300804A - 一种重金属污染土壤固化剂及其制备方法和用途 - Google Patents

一种重金属污染土壤固化剂及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明属于土壤修复技术领域，涉及一种重金属污染土壤固化剂及其制备方法和用途。本发明中重金属污染土壤固化剂的制备方法包括如下步骤：将钢渣和矿渣混合，然后磷酸化处理，干燥获得重金属污染土壤固化剂。本发明的重金属污染土壤固化剂的原料取自废弃的钢渣和矿渣，经磷酸酸化处理后，可对污染土壤中的锡、铜、锌、铅等重金属污染物具有十分优异的处理效果，可有效减少土壤中重金属的浸出毒性，达到修复土壤重金属污染的目的。本发明以废弃的钢渣和矿渣为原料，实现了变废为宝，达到了以废治废的目的，有利于降低成本。

Description

一种重金属污染土壤固化剂及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种重金属污染土壤固化剂及其制备方法和用途。
背景技术
土壤重金属污染已成为中国主要的环境污染问题之一，国内外学者研究了很多土壤修复技术，如物理修复技术、化学修复技术、物理化学修复技术和植物修复技术。目前物理化学修复技术中的固化稳定化技术应用最广泛，开发出来的修复材料也很多，比如在凹凸棒石、海藻土、沸石等。固化稳定化技术是按一定的比例将重金属污染的土壤与固化剂进行混合，通过一定的时间熟化后，最后形成渗透能力很弱的固体混合物。
钢渣是炼钢过程中加入石灰、萤石等造渣溶剂而形成的复合固溶体，是冶炼行业的主要固体副产物。钢渣微粉遇水后表面会析出大量的OH-离子，可以与土壤中的重金属污染物发生离子交换反应，使重金属污染物转化为不易溶解、迁移能力弱、毒性更小的形式存在。另外钢渣微粉还是一种具有潜在胶凝活性的再生材料，与水泥类似，可以增强固化体对重金属离子的固化作用，减少重金属离子的迁移。已有文献记载，转炉滚筒渣球磨后作为固化稳定化药添加到重金属污染土壤中，180d内钢渣微粉对重金属污染土壤中Cd、Cu、Pb、Ni和Zn的修复效果均保持在90％以上(杨刚，李辉等,基于傅里叶红外光谱的钢渣微粉修复重金属污染土壤效果软侧量模型,光谱学与光谱分析,743-748,37(3)，2017)。但仅限于部分重金属离子如Cd、Cu等的修复，而且未侧定其修复后固体混合物的无侧限抗压强度。
常用物理修复材料如凹凸棒石、海藻土、沸石能修复土壤中重金属，但是它们属于矿石类，用于修复重金属污染土壤会导致自然资源的消耗，而其他物理修复材料如粉煤灰及矿渣，其修复效果一般；此外，化学修复剂存在价格昂贵和易造成二次污染的问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于一种重金属污染土壤固化剂及其制备方法和用途，用于解决现有技术中存在的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。
本发明的目的之一在于提供一种重金属污染土壤固化剂的制备方法，包括如下步骤：
将钢渣和矿渣混合，然后无机酸酸化处理，干燥获得重金属污染土壤固化剂。
优选地，以钢渣和矿渣的总质量为基准计，所述钢渣的重量百分比为28％～72％，矿渣的重量百分比28～72％，所述磷酸的添加量为矿渣和钢渣总重量的2.2％～4.8％。更优选地，所述钢渣的重量百分比为40％～60％，矿渣的重量百分比40～60％，所述磷酸的添加量为矿渣和钢渣总重量的3.2％～4.8％。
优选地，所述钢渣的细度为过45μm孔径筛的筛余量≤2％；所述钢渣的比表面积≥600m2/kg。本申请中比表面积的测定方法按照《GB/T8074-2008水泥比表面积测定法法勃氏法》进行。
优选地，所述矿渣28d活性指数≥95％。本申请中活性指数的测定方法按照《GB/T18046-2000用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》进行。
优选地，所述酸化处理的时间为20～28h。更优选地，所述酸化处理的时间为22～26h。
本发明的目的之二在于提供一种上述所述的制备方法制得的重金属污染土壤固化剂。
本发明的目的之三在于提供上述所述的重金属污染土壤固化剂作为固化剂用于修复重金属污染土壤中的用途。
本发明的目的之四在于提供重金属污染土壤的修复方法，包括以下步骤：
将上述所述重金属污染土壤固化剂与重金属污染土壤混合，加水，搅拌，养护至少28天。
本发明的重金属污染土壤固化剂修复土壤后，修复后土壤中重金属Ni2+、Pb2、Zn2+和Cu2+的固化率均达到95％以上，28d无侧限抗压强度达到2MPa以上。
优选地，所述重金属污染土壤固化剂与重金属污染土壤的质量比为(10～25):100。更优选地，所述重金属污染土壤固化剂与重金属污染土壤的质量比为(12～20):100。
优选地，所述水与重金属污染土壤固化剂的质量比为1：(1.5～4.5)。更优选地，所述水与重金属污染土壤固化剂的质量比为1：(2～4)。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的重金属污染土壤固化剂的原料取自废弃的钢渣和矿渣，经磷酸酸化处理后，钢渣和矿渣吸附有磷酸，磷酸与重金属发生化学反应生成不易逆反应和不易析出的磷酸盐，再通过固化剂的物理固化，可有效减少土壤中重金属的浸出毒性，达到修复土壤中重金属污染的目的。此外，采用本发明方法修复后的土壤具有较高的无侧限抗压强度，可实现软地基的加固，有利于场地的多功能开发，如可作为路基填料等。而且本发明以废弃的钢渣和矿渣为原料，实现了变废为宝，达到了以废治废的目的，有利于降低成本。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围不局限于下述特定的具体实施方案；还应当理解，本发明实施例中使用的术语是为了描述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
本申请中钢渣细度为过45μm孔径筛的筛余量≤2％；所述钢渣的比表面积≥600m2/kg，具体选自宝钢股份炼钢产生的转炉钢渣经过磨细得到的钢渣；
本申请中矿渣28d活性指数≥95％，具体选自宝钢股份炼钢产生的高炉矿渣经过磨细得到的矿渣；
本申请中磷酸为分析纯。
实施例1
本实施例中，将钢渣和矿渣按照重量比为40：60混合，用磷酸进行酸化处理24h，磷酸的添加量为钢渣和矿渣总重量的3.2％，得到重金属污染土壤固化剂1#。
将重金属污染土壤固化剂1#与重金属污染土壤按照质量比为25:100混合，然后加入水，水与重金属污染土壤固化剂的质量比为1：3，搅拌，自然养护28d，检测固化率和无侧限抗压强度。
所得结果如下：
技术指标 Ni<sup>2+</sup> Pb<sup>2+</sup> Zn<sup>2+</sup> Cu<sup>2+</sup>
固化率，％ 98.3 96.3 99.4 95.7
无侧限抗压强度，MPa 2.11 2.08 2.36 2.1
实施例2
本实施例中，将钢渣和矿渣按照重量比为28：72混合，用磷酸进行酸化处理22h，磷酸的添加量为钢渣和矿渣总重量的2.2％，得到重金属污染土壤固化剂2#。
将重金属污染土壤固化剂2#与重金属污染土壤按照质量比为22:100混合，然后加入水，水与重金属污染土壤固化剂的质量比为1：2，搅拌，自然养护28d，检测固化率和无侧限抗压强度。
所得结果如下：
Figure BDA0002803840550000031
Figure BDA0002803840550000041
实施例3
本实施例中，将钢渣和矿渣按照重量比为72：28混合，用磷酸进行酸化处理26h，磷酸的添加量为钢渣和矿渣总重量的4.8％，得到重金属污染土壤固化剂3#。
将重金属污染土壤固化剂3#与重金属污染土壤按照质量比为20:100混合，然后加入水，水与重金属污染土壤固化剂的质量比为1：4，搅拌，自然养护28d，检测固化率和无侧限抗压强度。
所得结果如下：
技术指标 Ni<sup>2+</sup> Pb<sup>2+</sup> Zn<sup>2+</sup> Cu<sup>2+</sup>
固化率，％ 99.4 98.0 99.1 98.3
无侧限抗压强度，MPa 2.01 2.01 2.08 2.13
实施例4
本实施例中，将钢渣和矿渣按照重量比为50：50混合，用浓度为85％的磷酸进行酸化处理28h，磷酸的添加量为钢渣和矿渣总重量的3.8％，得到重金属污染土壤固化剂4#。
将重金属污染土壤固化剂4#与重金属污染土壤按照质量比为18:100混合，然后加入水，水与重金属污染土壤固化剂的质量比为1：1.5，搅拌，自然养护28d，检测固化率和无侧限抗压强度。
所得结果如下：
技术指标 Ni<sup>2+</sup> Pb<sup>2+</sup> Zn<sup>2+</sup> Cu<sup>2+</sup>
固化率，％ 95.1 95.9 96.8 95.7
无侧限抗压强度，MPa 2.25 2.69 2.32 2.47
实施例5
本实施例中，将钢渣和矿渣按照重量比为60：40混合，用磷酸进行酸化处理20h，磷酸的添加量为钢渣和矿渣总重量的3.0％，得到重金属污染土壤固化剂5#。
将重金属污染土壤固化剂5#与重金属污染土壤按照质量比为15:100混合，然后加入水，水与重金属污染土壤固化剂的质量比为1：4.5，搅拌，自然养护28d，检测固化率和无侧限抗压强度。
所得结果如下：
技术指标 Ni<sup>2+</sup> Pb<sup>2+</sup> Zn<sup>2+</sup> Cu<sup>2+</sup>
固化率，％ 96.7 96.3 98.2 99.0
无侧限抗压强度，MPa 2.28 2.31 2.30 2.09
对比例1
将钢渣和矿渣按照重量比为40：60混合，不用酸处理，其他处理同实施例1。
技术指标 Ni<sup>2+</sup> Pb<sup>2+</sup> Zn<sup>2+</sup> Cu<sup>2+</sup>
固化率，％ 92.4 92.0 90.7 93.3
无侧限抗压强度，MPa 2.11 2.08 2.36 2.10
对比例2
不添加矿渣，全部使用钢渣100％，不用酸处理，其他处理同实施例1。
技术指标 Ni<sup>2+</sup> Pb<sup>2+</sup> Zn<sup>2+</sup> Cu<sup>2+</sup>
固化率，％ 92.2 95.0 91.7 94.9
无侧限抗压强度，MPa 0.521 0.899 0.800 0.681
对比例3
不添加钢渣，全部使用矿渣100％，不用酸处理，其他处理同实施例1。
技术指标 Ni<sup>2+</sup> Pb<sup>2+</sup> Zn<sup>2+</sup> Cu<sup>2+</sup>
固化率，％ 90.0 89.7 92.8 94.7
无侧限抗压强度，MPa 3.69 3.05 3.88 2.96
无侧限抗压强度是指在四周没有侧向压力时，在轴向压力作用下，试样所能承受的最大抗剪强度。采用CBR-I承载比试验仪，按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)执行。
固化率的检侧方法参考《危险废物鉴别标准——浸出毒性鉴别》(GB 5085.3-1996)标准进行浸出毒性试验，固化率计算公式：
Figure BDA0002803840550000051
C0(m mol/L)为未固化污染土壤浸出液中的重金属离子摩尔浓度，C(m mol/L)为固化处理后污染土壤浸出液的重金属离子摩尔浓度。
由实施例1～6和对比例1～3可以看出，单独使用钢渣作为固化剂，修复Ni2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+重金属污染土壤，修复后土壤的无侧限抗压强度偏低；单独使用矿渣粉作为固化剂，修复Ni2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+重金属污染土壤，修复后土壤的固化率偏低；使用矿粉和钢渣，而未使用磷酸处理，修复Ni2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+重金属污染土壤，修复后土壤的的固化率偏低。矿粉和钢渣的混合物经过磷酸改性后，修复Ni2+、Pb2+、Zn2+、Cu2+重金属污染土壤，修复后土壤的固化率达到95％以上，同时无侧限抗压强度达到2MPa以上，表明具有良好的修复效果。
综上所述，本发明实施例的重金属污染土壤固化剂的原料来自废弃的矿渣和钢渣，经磷酸酸化处理后可对不同污染程度的重金属污染土壤进行固化稳定化，降低土壤中重金属的有效态含量；本发明实施例的重金属污染土壤修复方法以废治废，有利于降低成本。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种重金属污染土壤固化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将钢渣和矿渣混合，然后用无机酸酸化处理，干燥获得重金属污染土壤固化剂。
2.根据权利要求1所述的重金属污染土壤固化剂的制备方法，其特征在于，以钢渣和矿渣的总质量为基准计，所述钢渣的重量百分比为28％～72％，矿渣的重量百分比28～72％；所述无机酸酸化处理是采用磷酸酸化处理，所述磷酸的添加量为矿渣和钢渣总重量的2.2％～4.8％。
3.根据权利要求1所述的重金属污染土壤固化剂的制备方法，其特征在于，所述钢渣的细度为过45μm孔径筛的筛余量≤2％；所述钢渣的比表面积≥600m2/kg。
4.根据权利要求1所述的重金属土壤污染固化剂的制备方法，其特征在于，所述矿渣28d活性指数≥95％。
5.根据权利要求1所述的重金属污染土壤固化剂的制备方法，其特征在于，所述酸化处理的时间为20～28h。
6.根据权利要求1～5任一所述的制备方法制得的重金属污染土壤固化剂。
7.根据权利要求6所述重金属污染土壤固化剂作为固化剂用于修复重金属污染土壤的用途。
8.一种重金属污染土壤的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
将权利要求6所述的重金属污染土壤固化剂与重金属污染土壤混合，加水，搅拌，养护至少28天。
9.根据权利要求8所述的重金属污染土壤的修复方法，其特征在于，所述重金属污染土壤固化剂与重金属污染土壤的质量比为(10～25):100。
10.根据权利要求8所述的重金属污染土壤的修复方法，其特征在于，所述水与重金属污染土壤固化剂的质量比为1：(1.5～4.5)。
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