CN112430049A - 一种降低重金属污染土渗透系数、污染物有效扩散系数的固化剂及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低重金属污染土渗透系数、污染物有效扩散系数的固化剂及其制备方法与应用，该固化剂由以下质量百分比的物料组成：钢渣粉40‑80％；电石渣粉10‑50％；磷石膏粉5‑15％。该固化剂能够显著降低重金属污染土的渗透系数和污染物有效扩散系数，减少污染土中重金属污染物的迁移性，修复污染土可作为环境友好型材料资源化利用；同时，该固化剂原材料成本低廉、制备简单、使用方面、效果稳定，原材料环境友好性好、环境负荷低，可大规模推广应用于重金属污染场地的固化稳定化修复工程中。

Description

一种降低重金属污染土渗透系数、污染物有效扩散系数的固 化剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及环境工程、岩土工程及水文地质工程领域，具体涉及一种降低重金属污染土渗透系数、污染物有效扩散系数的固化剂及其制备方法与应用。
背景技术
随着我国城市功能及城市布局的调整，原位于城市中心区、郊区的企业，例如化工厂、金属冶炼厂、电镀厂等都逐步关停或者退城进园，但工业、企业多年的生产过程，在其搬迁后遗留的土地中累积了大量污染物，不仅为遗留土地的高效利用带来了阻力，也为周围环境带来严重的安全隐患。近年来，政府颁布的《土壤污染防治行动计划》(土十条)也将污染土壤修复工作视为当前重要的民生工程之一，开展相关污染修复治理工作迫在眉睫。
工业污染场地土壤重金属污染呈现为重金属物种类多、含量高及酸度大等特点。在重金属污染场地的修复中，固化稳定技术被广泛采用。常用的固化剂主要包括水泥、石灰等材料，对重金属固化稳定化具有良好的效果，但也存在大量的缺点，例如水泥、石灰生产能耗大、温室气体排放多、且消耗不可再生天然矿物、材料成本高等。
综上所述，传统固化剂存在诸多缺陷，需要减少水泥、石灰等材料的使用，寻找一种能固化稳定重金属，同时固化稳定效率高、成本低廉、性能稳定、材料来源广泛且环境友好的新型固化剂成为环保科技工作者关注的焦点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种降低重金属污染土渗透系数、污染物有效扩散系数的固化剂及其制备方法与应用，所得固化剂成本低廉，性能稳定。
为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种降低重金属污染土渗透系数、污染物有效扩散系数的固化剂，由以下质量百分比的物料组成：钢渣粉40-80％；电石渣粉10-50％；磷石膏粉5-15％。
优选地，所述降低重金属污染土渗透系数、污染物有效扩散系数的绿色固化剂，由以下质量百分比的物料组成：钢渣粉50-70％；电石渣粉20-40％；磷石膏粉8-12％。
优选地，所述钢渣粉为活化钢渣粉，由以下方法制备而成：①将过200目筛的钢渣粉在105～125℃下烘至含水率低于1～3％；②用柠檬酸-醋酸的混合溶液进行活化，其中柠檬酸和醋酸溶液的浓度分别为0.001～0.003mol/L和0.002～0.005mol/L；钢渣粉活化时，钢渣粉质量和柠檬酸-醋酸的混合溶液的体积比为1:2～5；固液接触时间为0.5～3小时；③将活化后钢渣粉在105～125℃烘至含水率低于1～3％，过200目筛，即可。
优选地，所述电石渣粉由以下方法制备而成：过200目筛的电石渣粉在105～125℃条件下烘至含水率低于1～3％；所述磷石膏粉由以下方法制备而成：过200目筛的磷石膏粉在45～60℃条件下烘至含水率低于1～3％。
本发明所述固化剂的制备方法如下：按质量百分比将钢渣粉、电石渣粉和磷石膏粉采用干法搅拌0.5-1小时至混合均匀。
上述降低重金属污染土渗透系数、污染物有效扩散系数的固化剂的制备方法，按质量百分比将钢渣粉、电石渣粉和磷石膏粉采用干法搅拌1h至混合均匀，即可。
上述固化剂在重金属污染场地的固化稳定化修复工程中的应用。
优选地，所述重金属为铅、锌、镉、镍和铜中的一种或多种混合。
优选地，所述重金属全量浓度大于10000mg/kg。
有益效果：
与现有技术相比，本发明一种降低重金属污染土渗透系数、污染物有效扩散系数的固化剂及其制备方法与应用，具有如下优势：
①三种原材料的组合应用时，电石渣中含有的氢氧化钙和磷石膏中含有的硫酸钙在污染土的孔隙水中迅速溶解，溶解产物能够有效促进钢渣粉中硅酸盐发生水化反应(例如，水化硅酸钙和钙矾石)。这些水化产物能够有效填充污染土的孔隙，进而降低重金属污染土渗透系数和污染物有效扩散系数。而三种原材料单独使用时，固化土中上述水化产物数量明显减少。因此，与三种原材料单独运用相比，三种原材料的组合应用显著增加了其对重金属污染土渗透系数和污染物有效扩散系数的降低程度；
②与传统的水泥和石灰材料相比，其效果明显增加；
③有效利用废物原料，环境友好型固化剂，钢渣、电石渣和磷石膏作为工业废渣，大面积堆积，已经造成了严重的环境污染，通过对钢渣的活化，有效提高了钢渣的利用价值，变废为宝。
具体实施方式
实施例1
一种降低重金属污染土渗透系数、污染物有效扩散系数的固化剂，由以下质量分数的物料组成：钢渣粉60％；电石渣粉30％；磷石膏粉10％。
所述钢渣粉为活化钢渣粉，由以下方法制备而成：①将过200目筛的钢渣粉在105℃条件下烘至含水率低于1％；②用柠檬酸-醋酸的混合溶液进行活化，其中柠檬酸和醋酸溶液的浓度分别为0.002mol/L和0.003mol/L，钢渣粉活化时，钢渣粉质量和柠檬酸-醋酸的混合溶液的体积比为1:3，固液接触时间为1小时；③将活化后钢渣粉在105℃条件下烘至含水率低于1％，过200目筛，即可。所述电石渣粉由以下方法制备而成：过200目筛的电石渣粉在105～125℃条件下烘至含水率低于1～3％。所述磷石膏粉由以下方法制备而成：过200目筛的磷石膏粉在45～60℃条件下烘至含水率低于1～3％。
所述的固化剂，制备方法如下：按质量百分比将钢渣粉、电石渣粉和磷石膏粉采用干法搅拌1h至混合均匀。
所述的固化剂用于降低重金属污染土的渗透系数和污染土中污染物有效扩散系数。
重金属类型为镍和锌复合污染，其中重金属镍和锌浓度分别为6500mg/kg和5500mg/kg。
固化剂掺量为5％(占污染土干重)，压实度为95％，养护时间为28天。
实施例2
与实施例1的制备过程和养护过程相同，所不同的是，钢渣粉掺量为5％(是指钢渣粉投入在污染土中的含量)，无电石渣粉和磷石膏粉添加。
实施例3
与实施例1的制备过程和养护过程相同，所不同的是，电石渣粉掺量为5％，无钢渣粉和磷石膏粉添加。
实施例4
与实施例1的制备过程和养护过程相同，所不同的是，磷石膏粉掺量为5％，无钢渣粉和电石渣粉添加。
实施例5
与实施例1的制备过程和养护过程相同，所不同的是，固化剂由以下质量分数计的物料组成：钢渣粉90％；电石渣粉8％；磷石膏粉2％。
实施例6
与实施例1的制备过程和养护过程相同，所不同的是，固化剂由以下质量分数计的物料组成：钢渣粉60％；电石渣粉20％；磷石膏粉20％。
对比例1
不添加任何固化剂，仅取实施例1中的复合重金属污染土样。
对比例2
与实施例1的制备过程和养护过程相同，所不同的是，固化剂为#42.5型普通硅酸盐水泥。
对比例3
与实施例1的制备过程和养护过程相同，所不同的是，固化剂为工业级生石灰。
试验标准：渗透系数采用ASTM D5084方法进行，重金属有效扩散系数采用一维柱状扩散试验并结合Pollute V6.3计算程序获得。试验结果如表1所示。
表1渗透系数和重金属有效扩散系数试验结果
编号 渗透系数(m/s) 镍有效扩散系数(m<sup>2</sup>/s) 锌有效扩散系数(m<sup>2</sup>/s)
实施例1 2.32×10<sup>-8</sup> 2.50×10<sup>-12</sup> 4.25×10<sup>-12</sup>
实施例2 5.45×10<sup>-9</sup> 6.55×10<sup>-11</sup> 9.55×10<sup>-11</sup>
实施例3 1.27×10<sup>-9</sup> 6.75×10<sup>-11</sup> 5.50×10<sup>-11</sup>
实施例4 1.45×10<sup>-9</sup> 9.25×10<sup>-11</sup> 3.75×10<sup>-11</sup>
实施例5 1.46×10<sup>-9</sup> 5.55×10<sup>-12</sup> 5.25×10<sup>-12</sup>
实施例6 2.02×10<sup>-9</sup> 4.20×10<sup>-12</sup> 6.25×10<sup>-12</sup>
对比例1 1.35×10<sup>-10</sup> 1.10×10<sup>-10</sup> 1.25×10<sup>-10</sup>
对比例2 6.11×10<sup>-8</sup> 5.15×10<sup>-11</sup> 8.05×10<sup>-11</sup>
对比例3 2.53×10<sup>-9</sup> 7.75×10<sup>-12</sup> 6.65×10<sup>-12</sup>
由表1可知，①与未添加任何固化剂的原污染土相比，添加本发明公开的固化剂(5％)后，污染土的渗透系数降低约2个数量级，重金属镍和锌的有效扩散系数也分别降低约2个数量级。
②本发明公开的固化剂对污染土的渗透系数和重金属镍和锌的有效扩散系数的降低程度远高于相同掺量的传统水泥和石灰材料。例如，本发明公开的固化剂处理污染土的渗透系数约为相同掺量的水泥处理污染土的1/3，而本发明公开的固化剂对污染土的渗透系数约为相同掺量的水泥处理污染土的1/2。
③本发明公开的固化剂对污染土的渗透系数和重金属镍和锌的有效扩散系数的降低效果原高于单一组分，且固化剂中三组份的质量比例对污染土的渗透系数和重金属镍和锌的有效扩散系数影响显著。通过优化试验，得出最佳的质量配比。
目前通常采用生产耗能和碳排放定量评价建筑材料自身的生态环境属性，因为本发明公开的固化剂的钢渣粉、电石渣粉和磷石膏粉均为工业废弃物，其并非专门生产，因此如果将这些固体废弃物作为固化剂使用时其生产耗能和碳排放均为0。而硅酸盐水泥和石灰为大量使用的建筑材料，其生产过程高耗能、高碳排放，见表2。因此，从材料的价格和生态环境指标进行比较，本发明公开的固化剂明显优于硅酸盐水泥和石灰。
表2BCP固化稳定剂与传统固化稳定剂性能对比
Figure BDA0002785719690000051
综上所述，本发明固化剂不仅可以降低重金属污染土渗透系数，还可以将死污染物有效扩散系数，取材广泛，成本低廉，具有良好的市场前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种降低重金属污染土渗透系数、污染物有效扩散系数的固化剂，其特征在于，由以下质量百分比的物料组成：钢渣粉40-80％；电石渣粉10-50％；磷石膏粉5-15％。
2.根据权利要求1所述的固化剂，其特征在于，由以下质量百分比的物料组成：钢渣粉50-70％；电石渣粉20-40％；磷石膏粉8-12％。
3.根据权利要求1或2所述的固化剂，其特征在于，所述钢渣粉为活化钢渣粉，由以下方法制备而成：
①将过200目筛的钢渣粉在105～125℃条件下烘至含水率低于1～3％；
②用柠檬酸-醋酸的混合溶液进行活化，其中柠檬酸和醋酸溶液的浓度分别为0.001～0.003mol/L和0.002～0.005mol/L，钢渣粉活化时，钢渣粉质量和柠檬酸-醋酸的混合溶液的体积比为1:2～1:5，固液接触时间为0.5～3小时；
③将活化后钢渣粉在105～125℃条件下烘至含水率低于1～3％，过200目筛，即可。
4.根据权利要求1或2所述的固化剂，其特征在于，所述电石渣粉由以下方法制备而成：过200目筛的电石渣粉在105～125℃条件下烘至含水率低于1～3％；所述磷石膏粉由以下方法制备而成：过200目筛的磷石膏粉在45～60℃条件下烘至含水率低于1～3％。
5.基于据权利要求1或2所述的固化剂的制备方法，其特征在于，按质量百分比将钢渣粉、电石渣粉和磷石膏粉采用干法搅拌0.5-1小时至混合均匀。
6.基于权利要求1或权利要求5所述的固化剂在重金属污染场地的固化稳定化修复工程中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，重金属为铅、锌、镉、镍或铜中的一种或多种混合。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述重金属全量浓度大于10000mg/kg。
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