CN113233805A - 一种高炉钛矿渣基磷酸盐水泥及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高炉钛矿渣基磷酸盐水泥，属于建筑及环境材料技术领域，该组成物及重量份为高炉钛矿渣100份、磷酸盐15‑50份；使用时该水泥材料与水搅拌混合，具有凝结速度可控，早期强度高，低温凝结速度快等优点，该水泥材料应用于固化重金属中，重金属离子与高炉钛矿渣基磷酸盐材料形成难溶性产物，且形成的水化产物对重金属离子具有吸附固化作用，降低重金属离子的溶出；利用高炉钛矿渣制备磷酸盐水泥，降低了材料制备的成本，同时也为高炉钛矿渣的高效资源化利用提供了一种新途径，该方法具有一定的环保和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种高炉钛矿渣磷酸盐水泥，以及在固化重金属中的应用，属于建筑材料和环境保护工程技术领域。
背景技术
磷酸盐水泥是一种新型无极胶凝材料，是由碱土金属氧化物、磷酸盐、缓凝剂、掺合料和水混合搅拌制备而成的，具有高强、快凝、抗冻性好等优点。但碱土金属氧化物价格高、反应活性强，通常需要1200℃以上高温煅烧处理降低其反应活性，改善其可操作性，致使磷酸盐水泥传统制备技术成本高、能耗大。
高炉钛矿渣是炼铁过程中排出的固体废弃物， 产量大， 堆积、弃置问题日趋严重， 如果能够实现高炉钛矿渣的二次资源再利用将产生不可预期的经济效益和环境效益。高炉钛矿渣的主要化学组成为TiO2、CaO和SiO2等。
重金属污染已成为全球性的环境问题，重金属能进入到空气、水和土壤危害人体健康。据报道，长期接触镉(Cd)会引起肺腺癌、肺癌、肾功能损伤和骨折；长期高剂量暴露在锌(Zn)会影响胆固醇的平衡和生育能力；铅(Pb)中毒可能导致各种类型的疾病，包括神经系统疾病，阿尔茨海默氏病；慢性砷(As)可能导致角化过度，皮肤病变以及肺癌，膀胱癌等，重金属污染防治是当前和今后一个时期环境保护工作的重中之重。固化/稳定化是治理重金属污染的有效方法之一，磷酸盐水泥可以处理重金属化合物，制得重金属固化体，通过物理包裹、吸附和化学键合的三重作用固化重金属离子，其中重金属离子能够与处理材料形成难溶性产物，从而降低重金属危害。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高炉钛矿渣基磷酸盐水泥，其组成物及重量份为高炉钛矿渣100份、磷酸盐15-50份；使用时与水混合，本发明高炉钛矿渣基磷酸盐水泥是以磷酸盐为主要黏结相的类无机胶凝材料，具有凝结速度可控，快硬早强等优良性能，以工业废渣高炉钛矿渣为原料制备水泥，不仅降低了材料制备成本，而且可以固化重金属，同时可以降低环境负担、利于资源回收再利用，为高炉钛矿渣的高效资源化利用提供一种新途径。
所述废弃高炉钛矿渣是经过粉磨，过100目筛，筛余量小于5%；
所述磷酸盐为磷酸二氢铵、磷酸二氢钾。
本发明另一目的是将上述高炉钛矿渣基磷酸盐水泥应用在固化重金属中，即是将高炉钛矿渣100份、磷酸盐15-50份、重金属或含重金属废渣1-6份、水15-26份混合均匀，浇注成型，自然养护后完成固化。
含重金属废渣包括含重金属烟尘。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明采用高炉钛矿渣为主要原料，配合磷酸盐和水，制备出高炉钛矿渣基磷酸盐水泥，同时将高炉钛矿渣基磷酸盐水泥应用在固定/稳定化重金属化合物方面也有良好效果，通过物理包裹、吸附和化学键合的三重作用固化重金属离子；该方法不仅固化/稳定化重金属效果显著，同时能够有效再利用工业废渣，提高高炉钛矿渣的综合利用率，对重金属污染的治理提供了新思路。
附图说明
图1为高炉钛矿渣的XRD图；
图2为高炉钛矿渣磷酸盐水泥的XRD图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明的内容，下面通过具体的实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容，本实施例中来自攀钢的高炉钛矿渣主要成分如下：
实施例1：本高炉钛矿渣基磷酸盐水泥由高渣100g、磷酸二氢铵16g、水17.1g组成；高炉钛矿渣经过粉磨，过100目筛，筛余量小于5%，高炉钛矿渣的XRD图见图1；
称取上述组合物混合搅拌3min，迅速倒入20mm×20mm×20mm六联模具中，并在振动台上振动成型，制得高炉钛矿渣基磷酸盐水泥试样，试样成型3h后脱模，采用自然养护方式养护至一定龄期测试其抗压强度，试样1天抗压强度2.8MPa，3d抗压强度4.8MPa，7d抗压强度8.5MPa，28d抗压强度15.8MPa，对该材料进行XRD物相分析，结果见图2，从图中可以看出该材料形成了磷酸盐等物相。
实施例2：本高炉钛矿渣基磷酸盐水泥由高渣100g、磷酸二氢钾25g、水22.8g组成，高炉钛矿渣经过粉磨，过100目筛，筛余量小于5%；
称取上述组合物混合搅拌3min，迅速倒入20mm×20mm×20mm六联模具中，并在振动台上振动成型，制得高炉钛矿渣基磷酸盐水泥试样，试样成型3h后脱模，采用自然养护方式养护至一定龄期测试其抗压强度，试样1d抗压强度3.2MPa，3d抗压强度5.2MPa，7d抗压强度10.2MPa，28d抗压强度18.5MPa。
实施例3：本高炉钛矿渣基磷酸盐水泥由高渣100g、磷酸二氢铵40g、水23.8g组成，高炉钛矿渣经过粉磨，过100目筛，筛余量小于5%；
称取上述组合物混合搅拌3min，迅速倒入20mm×20mm×20mm六联模具中，并在振动台上振动成型，制得高炉钛矿渣基磷酸盐水泥试样，试样成型3h后脱模，采用自然养护方式养护至一定龄期测试其抗压强度，试样1d抗压强度3.7 MPa，3d抗压强度6.5MPa，7d抗压强度14.5MPa，28d抗压强度22.3 MPa。
实施例4：本高炉钛矿渣基磷酸盐水泥由高渣100g、磷酸二氢铵33.3g、水25.3g组成，高炉钛矿渣经过粉磨，过100目筛，筛余量小于5%；
称取上述组合物混合搅拌3min，迅速倒入20mm×20mm×20mm六联模具中，并在振动台上振动成型，制得高炉钛矿渣基磷酸盐水泥试样，试样成型3h后脱模，采用自然养护方式养护至一定龄期测试其抗压强度，试样1d抗压强度5.4 MPa，3d抗压强度9.5 MPa，7d抗压强度17.5MPa，28d抗压强度25.6 MPa。
实施例5：本高炉钛矿渣基磷酸盐水泥在重金属固定稳定化中应用方法如下：
（1）将高炉钛矿渣100g、磷酸二氢钾33.3g、水25.3g、硝酸铅2g，混合均匀后，充分搅拌；其中高炉钛矿渣经过粉磨，过100目筛，筛余量小于5%；
（2）将步骤（1）混合物迅速倒入20mm×20mm×20mm六联模具中，并在振动台上振动成型，密封后在恒温恒湿养护箱中养护3h，形成固化块；
（3）拆去步骤（2）中固化块的模具，将固化块置于恒温恒湿的环境下继续养护28天；
按照《固体废物浸出毒性浸出方法 水平震荡法》对固化体进行毒性浸出实验，重金属浸出浓度利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）进行测定，毒性浸出28天时Pb浸出浓度为0.767 mg/L，远远低于《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》GB-5085.3-2007标准中对重金属Pb的浸出浓度限值100mg/L；
对固化体进行抗压强度测试，样品设置3个平行样（测定数据为3次测定的平均值）；固化体28天抗压强度为16.3MPa，达到填埋处理对强度的要求。
实施例6：本高炉钛矿渣基磷酸盐水泥在重金属固定稳定化中应用方法如下：
（1）将高炉钛矿渣100g、磷酸二氢铵35g、水25g、硝酸铅4g，混合均匀后，充分搅拌；其中高炉钛矿渣经过粉磨，过100目筛，筛余量小于5%；
（2）将步骤（1）混合物迅速倒入20mm×20mm×20mm六联模具中，并在振动台上振动成型，密封后在恒温恒湿养护箱中养护3h，形成固化块；
（3）拆去步骤（2）中固化块的模具，将固化块置于恒温恒湿的环境下继续养护28天；
按照《固体废物浸出毒性浸出方法 水平震荡法》对固化体进行毒性浸出实验，重金属浸出浓度利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）进行测定。毒性浸出实验，28天时Pb浸出浓度为0.830 mg/L，远远低于《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》GB-5085.3-2007标准中对重金属Pb的浸出浓度限值100mg/L；
对固化体进行抗压强度测试，样品设置3个平行样（测定数据为3次测定的平均值）。固化体28天抗压强度为14.5MPa，达到填埋处理对强度的要求。
实施例7：本高炉钛矿渣基磷酸盐水泥在重金属固定稳定化中应用方法如下：
（1）将高炉钛矿渣100g、磷酸二氢铵33.3g、水25.3g、硝酸铜3g，混合均匀后，充分搅拌；其中高炉钛矿渣经过粉磨，过100目筛，筛余量小于5%；
（2）将步骤（1）混合物迅速倒入20mm×20mm×20mm六联模具中，并在振动台上振动成型，密封后在恒温恒湿养护箱中养护3h，形成固化块；
（3）拆去步骤（2）中固化块的模具，将固化块置于恒温恒湿的环境下继续养护28天；
按照《固体废物浸出毒性浸出方法 水平震荡法》对固化体进行毒性浸出实验，重金属浸出浓度利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）进行测定。毒性浸出实验，28天时Cu浸出浓度为1.32 mg/L，远远低于《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》GB-5085.3-2007标准中对重金属Cu的浸出浓度限值100mg/L；
对固化体进行抗压强度测试，样品设置3个平行样（测定数据为3次测定的平均值）。固化体28天抗压强度为13.5MPa，达到填埋处理对强度的要求。
实施例8：本重金属固定稳定化的处理方法如下：
（1）将高炉钛矿渣100g、磷酸二氢铵33.3g、水25.3g、硝酸铜5g，混合均匀后，充分搅拌；其中高炉钛矿渣经过粉磨，过100目筛，筛余量小于5%；
（2）将步骤（1）混合物迅速倒入20mm×20mm×20mm六联模具中，并在振动台上振动成型，密封后在恒温恒湿养护箱中养护3h，形成固化块；
（3）拆去步骤（2）中固化块的模具，将固化块置于恒温恒湿的环境下继续养护28天；
按照《固体废物浸出毒性浸出方法 水平震荡法》对固化体进行毒性浸出实验，重金属浸出浓度利用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）进行测定。毒性浸出实验，28天时Cu浸出浓度为1.42mg/L，远远低于《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》GB-5085.3-2007标准中对重金属Cu的浸出浓度限值100mg/L；
对固化体进行抗压强度测试，样品设置3个平行样（测定数据为3次测定的平均值）。固化体28天抗压强度为10.6MPa，达到填埋处理对强度的要求。
Claims (5)
1.一种高炉钛矿渣基磷酸盐水泥，其特征在于：组成物及重量份为高炉钛矿渣100份、磷酸盐15-50份。
2.根据权利要求1所述的高炉钛矿渣基磷酸盐水泥，其特征在于：高炉钛矿渣是经过粉磨，过100目筛，筛余量小于5%的矿渣粉。
3.根据权利要求1所述的高炉钛矿渣基磷酸盐水泥，其特征在于：磷酸盐为磷酸二氢钾或磷酸二氢铵。
4.权利要求1-3任一项所述的高炉钛矿渣基磷酸盐水泥在固化重金属中的应用，其特征在于：将高炉钛矿渣100份、磷酸盐15-50份、重金属或含重金属废渣1-6份、水15-26份混合均匀，浇注成型，自然养护后完成固化。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：含重金属废渣包括含重金属烟尘。
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