CN113636796A - 一种基于石墨炔的城市生活垃圾焚烧飞灰重金属固化材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固废处理与生态环境材料领域，提供一种基于石墨炔的城市生活垃圾焚烧飞灰重金属固化材料及制备方法，其原材料为：城市生活垃圾焚烧飞灰200～400份，偏铝酸钠20～40份，水玻璃70～250份，石墨炔2～6份，二甲基甲酰胺10～30份，拌合水270～380份。本发明采用固体废弃物为原材料，绿色环保，操作工艺简单，同时充分利用石墨炔的纳米尺寸、大比表面积、三维多孔通道和极高活性的叁键特征，可有效固化城市生活垃圾焚烧飞灰中的重金属离子，显著降低有害重金属离子的浸出率，获得优异的力学性能，有利于实现城市生活垃圾焚烧飞灰的利用。
Description
技术领域
本发明属于固废处理与生态环境材料领域，涉及一种城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属的固化技术，特别涉及一种基于石墨炔纳米复合硅铝酸盐材料的固化城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属的固化材料及其制备方法。
背景技术
随着城镇人口的集中以及人们生活质量的提高，大量生活垃圾不断产生。我国处理生活垃圾的三种方式分别是：堆肥处理、填埋处理和焚烧处理。相比于前两种处理方式，焚烧处理能最大程度的减少土地占用量，在焚烧过程中分解有害的有机物，从源头上避免这些物质对环境造成的影响。但是生活垃圾焚烧后会产生大量的残渣，其中飞灰占3％～5％。飞灰中盐类离子含量较高，同时含有二噁英和Pb、Cd、Zn等较高浓度的重金属，我国《国家危险废物名录》已经明确规定城市生活垃圾焚烧飞灰为危险废物，编号为HW18。如果飞灰不加处理直接进入垃圾填埋场，在自然环境的作用下，飞灰中的有毒有害物质易进入土壤、大气、地下水等与人们生活密切相关的环境中，危害人类的健康。因此，实现城市生活垃圾焚烧飞灰的利用，是我国成为环境友好型、资源节约型社会和践行循环经济的重中之重。
目前国内外研究学者普遍采用水泥固化技术对城市生活垃圾焚烧飞灰进行无害化处理，但是水泥固化方式存在增容大，长期稳定性不足，飞灰中的氯含量对于固化体的重金属固化效果和抗压强度影响很大，生产水泥所需要的能耗和所产生的的碳排放也不符合可持续发展的理念。因此，采取合适的固化方法处理城市生活垃圾焚烧飞灰，成为国内外急需解决的环保问题之一。
飞灰中富含钙源，硅铝酸盐材料富含硅源和铝源。飞灰在硅铝酸盐激发剂的激发作用下可形成多种水化产物，如C-A-S-H凝胶和N-A-S-H凝胶结构，这种结构以平衡电荷和网络填充形式对重金属离子起到很好的固化作用，将其有效地应用在城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属离子的固化上，具有很大的现实意义。
石墨炔纳米材料是一种新型的碳同素异形体，近年来受到越来越多的关注，其独特的sp-sp2碳原子、均匀的孔隙和高度的π共轭结构使其在气体分离、催化、水处理、湿度传感器、能源等领域均展现出广阔的应用前景。然而，目前国内外对石墨炔的研究主要集中在能源存储材料、压电材料及催化还原材料等领域的研究，而对石墨炔纳米复合硅铝酸盐材料固化处理城市生活垃圾焚烧飞灰这方面的研究甚少。
本发明提供一种固化城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属的方法，是将石墨炔纳米材料复合硅铝酸盐材料从而固化城市生活垃圾焚烧飞灰中的重金属。一方面石墨炔中的碳碳叁键具有极高的化学活性，可键合到网络结构中的结合位点，另一方面充分利用了石墨炔的纳米尺寸填充孔隙来改善基体的密实度以及由于石墨炔的高比表面积、三维多孔通道的特征，可选择性吸附和容纳重金属离子，这些优势都将进一步提高其固化体对重金属的固化效果，而且还获得了优异的力学性能，是一种新型绿色环保的固化城市生活垃圾焚烧飞灰重金属的新技术，具有良好的市场前景。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种城市生活垃圾焚烧飞灰重金属固化材料及制备方法，所述材料为一种基于石墨炔复合硅铝酸盐材料，能有效固化城市生活垃圾焚烧飞灰中的重金属离子，提高固化材料的力学性能，获得一种绿色环保的固化城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属离子的材料。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于石墨炔的城市生活垃圾焚烧飞灰重金属固化材料，所述材料为一种基于石墨炔纳米复合硅铝酸盐材料，主要原材料包括城市生活垃圾焚烧飞灰、硅铝酸盐激发剂、石墨炔、分散剂和拌合水。
原材料各组分的要求如下：
城市生活垃圾焚烧飞灰：粉末状，颗粒粒径1～180μm。
硅铝酸盐激发剂：偏铝酸钠，白色颗粒；水玻璃，硅酸钠，无色、透明的粘稠状液体。
石墨炔：颗粒粒径150nm～1μm。
分散剂：二甲基甲酰胺(DMF)，透明液体。
拌合水：普通自来水，主要性能指标应符合行业标准《混凝土用水标准》JGJ63的规定。
结合其试验性能指标，原材料各组分的重量份如下：
城市生活垃圾焚烧飞灰：200～400份。
硅铝酸盐激发剂：偏铝酸钠20～40份，水玻璃70～250份。
石墨炔：2～6份。
分散剂：二甲基甲酰胺10～30份。
拌合水：270～380份。
上述原材料的质量允许误差：城市生活垃圾焚烧飞灰为±1％；硅铝酸盐激发剂为±1％；石墨炔为±0.5％；分散剂为±0.5％；拌合水为±1％。
与传统材料相比，石墨炔具有丰富的碳化学键、大共轭体系、多活性位点、特殊三角孔道结构以及优良的化学稳定性，以上优点均可进一步提高对重金属离子的吸附能力；而由偏铝酸钠和水玻璃所制备的硅铝酸盐激发剂能有效激发飞灰的活性，生成更多的水化产物，且填充于孔隙中，有效降低孔隙率，提高基体力学性能；采用二甲基甲酰胺作为分散剂，能够改善石墨炔在水溶液中的分散能力。
上述基于石墨炔的固化城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属的材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步：将作为分散剂的二甲基甲酰胺(DMF)按量称取后加入拌合水中，再加入已称量好的石墨炔纳米材料，并置于超声波环境中进行超声处理，在180～380W的超声功率作用下超声处理15min～40min，制得分散均匀的石墨炔分散液。其中，经试验确定二甲基甲酰胺与石墨炔纳米材料的最优质量比为5:1。
第二步，精确称取偏铝酸钠和水玻璃配制硅铝酸盐激发剂，将偏铝酸钠加入水玻璃中，并置于磁力搅拌器上恒温搅拌5min。
第三步，精确称取城市生活垃圾焚烧飞灰置于搅拌锅中，搅拌均匀后，再加入第二步制备得到的硅铝酸盐激发剂，机械搅拌均匀，搅拌时间120s，最后加入第一步制备得到的石墨炔分散液，机械搅拌均匀，搅拌时间180s。
第四步，将第三步搅拌好的浆体浇筑模具振捣压实成型，然后将模具放置在标准养护条件下养护1天后拆模，试样继续养护至相应龄期后进行相关性能测试，其中养护温度控制在20±2℃，相对湿度控制在95％以上。
与现有的城市生活垃圾焚烧飞灰固化处理技术相比，本发明提供的一种城市生活垃圾焚烧飞灰中重金属的方法，是将石墨炔纳米复合硅铝酸盐材料来固化城市生活垃圾焚烧飞灰中的重金属，固化体的28d抗压强度超过50MPa，对城市生活垃圾焚烧飞灰中的重金属的固化效率均大于99.2％。本发明固化处理过程操作简单，经济环保，具有显著的创新意义和应用价值。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明：
实施例1
某城市生活垃圾焚烧厂飞灰固化体原材料如下：
城市生活垃圾焚烧飞灰200份、偏铝酸钠20份、水玻璃180份、石墨炔5份、分散剂25份、拌合水325份。
制备步骤如下：
将作为分散剂的二甲基甲酰胺(DMF)按量称取后加入拌合水到烧杯中，并用搅拌棒机械搅拌，待分散剂完全溶解后，精确称取石墨炔纳米材料于分散剂溶液中，并置于超声波处理器中，在300W的超声功率下超声处理30min，制得分散均匀的石墨炔分散液，其中二甲基甲酰胺与石墨炔的质量比为5:1。
精确称取偏铝酸钠和水玻璃配制硅铝酸盐激发剂，将偏铝酸钠加入水玻璃中，并置于磁力搅拌器上恒温搅拌5min。
称取城市生活垃圾焚烧飞灰置于搅拌锅中，加入硅铝酸盐激发剂，机械搅拌时间120s，最后加入石墨炔分散液，机械搅拌时间180s。
将搅拌好的浆体浇筑模具振捣压实成型，然后将模具放置在标准养护条件下养护1天后拆模，试样继续养护至相应龄期后进行相关性能测试，其中养护温度控制在20±2℃，相对湿度控制在95％以上。
实施例2
某城市生活垃圾焚烧厂飞灰固化体原材料如下：
城市生活垃圾焚烧飞灰275份、偏铝酸钠30份、水玻璃250份、石墨炔3份、分散剂15份、拌合水380份。
制备步骤如下：
将作为分散剂的二甲基甲酰胺(DMF)按量称取后加入拌合水到烧杯中，并用搅拌棒机械搅拌，待分散剂完全溶解后，精确称取石墨炔纳米材料于分散剂溶液中，并置于超声波处理器中，在340W的超声功率下超声处理25min，制得分散均匀的石墨炔分散液，其中二甲基甲酰胺与石墨炔的质量比为5:1。
精确称取偏铝酸钠和水玻璃配制硅铝酸盐激发剂，将偏铝酸钠加入水玻璃中，并置于磁力搅拌器上恒温搅拌5min。
称取城市生活垃圾焚烧飞灰置于搅拌锅中，加入硅铝酸盐激发剂，机械搅拌时间120s，最后加入石墨炔分散液，机械搅拌时间180s。
将搅拌好的浆体浇筑模具振捣压实成型，然后将模具放置在标准养护条件下养护1天后拆模，试样继续养护至相应龄期后进行相关性能测试，其中养护温度控制在20±2℃，相对湿度控制在95％以上。
实施例3
某城市生活垃圾焚烧厂飞灰固化体原材料如下：
城市生活垃圾焚烧飞灰300份、偏铝酸钠40份、水玻璃200份、石墨炔2份、分散剂10份、拌合水375份。
制备步骤如下：
将作为分散剂的二甲基甲酰胺(DMF)按量称取后加入拌合水到烧杯中，并用搅拌棒机械搅拌，待分散剂完全溶解后，精确称取石墨炔纳米材料于分散剂溶液中，并置于超声波处理器中，在180W的超声功率下超声处理40min，制得分散均匀的石墨炔分散液，其中二甲基甲酰胺与石墨炔的质量比为5:1。
精确称取偏铝酸钠和水玻璃配制硅铝酸盐激发剂，将偏铝酸钠加入水玻璃中，并置于磁力搅拌器上恒温搅拌5min。
称取城市生活垃圾焚烧飞灰置于搅拌锅中，加入硅铝酸盐激发剂，机械搅拌时间120s，最后加入石墨炔分散液，机械搅拌时间180s。
将搅拌好的浆体浇筑模具振捣压实成型，然后将模具放置在标准养护条件下养护1天后拆模，试样继续养护至相应龄期后进行相关性能测试，其中养护温度控制在20±2℃，相对湿度控制在95％以上。
实施例4
某城市生活垃圾焚烧厂飞灰固化体原材料如下：
城市生活垃圾焚烧飞灰400份、偏铝酸钠35份、水玻璃70份、石墨炔6份、分散剂30份、拌合水270份。
制备步骤如下：
将作为分散剂的二甲基甲酰胺(DMF)按量称取后加入拌合水到烧杯中，并用搅拌棒机械搅拌，待分散剂完全溶解后，精确称取石墨炔纳米材料于分散剂溶液中，并置于超声波处理器中，在380W的超声功率下超声处理15min，制得分散均匀的石墨炔分散液，其中二甲基甲酰胺与石墨炔的质量比为5:1。
精确称取偏铝酸钠和水玻璃配制硅铝酸盐激发剂，将偏铝酸钠加入水玻璃中，并置于磁力搅拌器上恒温搅拌5min。
称取城市生活垃圾焚烧飞灰置于搅拌锅中，加入硅铝酸盐激发剂，机械搅拌时间120s，最后加入石墨炔分散液，机械搅拌时间180s。
将搅拌好的浆体浇筑模具振捣压实成型，然后将模具放置在标准养护条件下养护1天后拆模，试样继续养护至相应龄期后进行相关性能测试，其中养护温度控制在20±2℃，相对湿度控制在95％以上。
表为基于石墨炔的城市生活垃圾焚烧飞灰重金属固化材料的力学性能和重金属固化效率。
以上所述的实施例为本发明的具体实施方式，只是基于本发明整体构思下的某种实现方式，并不用来限定本发明的保护范围。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明展现的技术范围内做出的的任何修改、改进或替换，均应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种固化城市生活垃圾焚烧飞灰重金属的材料，其特征在于，所述材料为一种基于石墨炔纳米复合硅铝酸盐材料，主要原材料包括城市生活垃圾焚烧飞灰、硅铝酸盐激发剂、石墨炔、分散剂和拌合水；
结合其试验性能指标，原材料各组分的要求及质量配比如下：
城市生活垃圾焚烧飞灰：200～400份；
硅铝酸盐激发剂：偏铝酸钠20～40份，水玻璃70～250份；
石墨炔：颗粒粒径为150nm～1μm，2～6份；
分散剂：二甲基甲酰胺，10～30份；
拌合水：270～380份；
上述原材料的质量允许误差：城市生活垃圾焚烧飞灰为±1％；硅铝酸盐激发剂为±1％；石墨炔为±0.5％；分散剂为±0.5％；拌合水为±1％。
2.根据权利要求1所述的一种固化城市生活垃圾焚烧飞灰重金属的材料，其特征在于，所述城市生活垃圾焚烧飞灰为粉末状，其颗粒粒径为1～180μm。
3.权利要求1或2所述的一种固化城市生活垃圾焚烧飞灰重金属的材料的制备方法，其特征在于以下步骤：
第一步：将作为分散剂的二甲基甲酰胺按量称取后加入拌合水中，再加入已称量好的石墨炔纳米材料，并置于超声波环境中进行超声处理，制得分散均匀的石墨炔分散液；
第二步，精确称取偏铝酸钠和水玻璃配制硅铝酸盐激发剂，将偏铝酸钠加入水玻璃中，并置于磁力搅拌器上恒温搅拌；
第三步，精确称取城市生活垃圾焚烧飞灰置于搅拌锅中，搅拌均匀后，再加入第二步制备得到的硅铝酸盐激发剂，机械搅拌均匀；最后加入第一步制备得到的石墨炔分散液，机械搅拌均匀；
第四步，将第三步搅拌好的浆体浇筑模具振捣压实成型，然后将模具放置在标准养护条件下养护1天后拆模，试样继续养护至相应龄期后进行相关性能测试，其中养护温度控制在20±2℃，相对湿度控制在95％以上。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述二甲基甲酰胺与石墨炔纳米材料的质量比为5:1。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，第一步所述超声处理功率为180W～380W，时间为15min～40min。
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