CN114292067B - 一种用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料的制备方法，本发明以水泥、沸石粉、粉煤灰和发泡剂为原料，所述发泡剂由十二烷基硫酸钠、海藻酸钠和氧化石蜡皂制得。根据不同的原料采用不同的混合参数，制得一种具有固定水和土壤中重金属离子功效的水泥材料。本发明水泥材料不仅制备工艺简单，而且对水和土壤中的砷、镉、锌、铜和铅等重金属离子具有良好的吸附性能。
Description
技术领域
本发明涉及水和土壤中重金属离子治理领域，特别涉及一种用于吸附水和 土壤中重金属离子的水泥材料及其制备方法。
背景技术
原位稳定化固定土壤中的重金属污染物技术目前备受环境科学研究领域的 关注，主要是由于其材料价格低廉、操作简便同时对环境不会造成二次污染。 磷酸盐和碳酸盐类物质是修复污染土壤中最具前景的有效稳定重金属的物质。 这两种材料价格低廉，广泛应用于农田作为肥料或酸性调节剂。修复后的土壤 可用于种植作物，原位稳定化是在污染较轻的农田土壤中暂时固定重金属的一 种有效、经济的方法。
中国专利CN201810756641.8：一种吸附重金属的板及制备方法，以粉煤灰、 普通硅酸盐水泥、改性废弃石膏、钢渣、粉煤灰、海泡石、硅藻土为原料制得 一种吸附重金属的板；CN201811368306.7：一种具有吸附重金属离子能力的透 水混凝土，该透水混凝土由如下原料制成：水泥20.89～21.18％、粒径为 2.35～4.75mm的再生混凝土骨料55.14～56.49％、粒径为4.76～9.5mm的再生混凝 土骨料18.38～18.50％、硅灰1.31～1.35％、吸附材料1.27～1.67％、减水剂 0.45～0.74％、水性环氧树脂0.43～2.07％制得。上述专利均未记载制得的材料吸 附重金属的技术效果。因此，本发明提出一种制备工艺简单、能够有效固定水 和土壤中重金属离子的水泥材料。
发明内容
鉴以此，本发明提出一种用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料及其 制备方法，本发明水泥材料制备时间短，吸附位点多，去除水和土壤中重金属 离子的效果好。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料，按重量份计，所述水泥 材料包括：35-45份水泥、7-9份沸石粉、1-3份粉煤灰和0.3-0.7份发泡剂。
进一步的，所述发泡剂按重量份计，包括以下组分：1-3份十二烷基硫酸钠、 0.5-1.5份海藻酸钠和3-5份氧化石蜡皂。
进一步的，所述水泥材料制备方法包括以下步骤：
(1)将水泥、沸石粉和粉煤灰混合，制得水泥混合料。
(2)将水加入水泥混合料中搅拌，制得水泥浆体。
(3)将发泡剂加入水中搅拌，形成发泡剂泡沫。
(4)将发泡剂泡沫加入水泥浆体中搅拌，制得水泥材料浆体。
(5)将水泥材料浆体倒入模具中，养护10天，制得水泥材料。
进一步的，步骤(2)中，水泥混合料和水的质量比为1:0.65-0.75。
进一步的，步骤(2)中，所述搅拌为使用转速1500-1600r/min搅拌30-40min。
进一步的，步骤(3)中，所述发泡剂和水的质量比为1:10-15。
进一步的，步骤(3)中，所述发泡剂搅拌为使用300-400r/min搅拌5-8min。
进一步的，步骤(4)中，所述搅拌为使用转速为1000-1200r/min搅拌4-6min。
本发明的制备方法能够控制发泡剂泡沫的细腻程度、大小和发泡量，本发 明中将发泡剂泡沫和水泥浆体搅拌参数有利于将发泡剂泡沫和水泥浆体混合均 匀，泡沫在水泥浆体中形成的孔洞大小均匀，均匀分布，稳定性好。
进一步的，所述水泥为硅酸盐水泥。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中以水泥、沸石粉、粉煤灰和发泡剂为原料制备一种用于吸附水和 土壤中重金属离子的水泥材料。本发明中发泡剂由十二烷基硫酸钠、海藻酸钠 和氧化石蜡皂制得，本发明中通过控制发泡剂的用量和制备方法，进一步控制 泡沫的细腻程度、大小和发泡量。水泥、沸石粉和粉煤灰合理配比结合发泡剂 泡沫，制得的水泥材料浆体在养护期间能够加快C-S-H凝胶和氢氧化钙的生长 速率，提高水泥材料对水和土壤中重金属离子的吸附能力和固定效果。结合试 验例1-3，本发明中将水泥替换为废弃水泥建材，制得的水泥材料也可以起到很 好的重金属吸附和固定效果，有利于将废料循环利用，保护环境。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，对本发明做进一步 的说明。
本发明实施例所用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
本发明实施例所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料的制备方法
1、发泡剂：按重量份计，称取以下组分：2份十二烷基硫酸钠、1份海藻 酸钠和4份氧化石蜡皂，备用。
2、按重量份计，称取以下原料：40份硅酸盐水泥、8份沸石粉、2份粉煤 灰和0.5份发泡剂。
3、将硅酸盐水泥、沸石粉和粉煤灰混合，制得水泥混合料，将水加入水泥 混合料中使用转速1550r/min搅拌35min，制得水泥浆体，水泥混合料和水的质 量比为1:0.7。
4、将发泡剂加入水中使用350r/min搅拌7min，形成发泡剂泡沫，发泡剂 和水质量比为1:13。
5、将发泡剂泡沫加入水泥浆体中使用转速为1100r/min搅拌5min，制得水 泥材料浆体，将水泥材料浆体倒入模具中，放入20℃，湿度≥95％的标准养护室 养护10天，制得水泥材料。
实施例2用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料的制备方法
1、发泡剂：按重量份计，称取以下组分：1份十二烷基硫酸钠、0.5份海藻 酸钠和3份氧化石蜡皂，备用。
2、按重量份计，称取以下原料：35份硅酸盐水泥、7份沸石粉、1份粉煤 灰和0.3份发泡剂。
3、将硅酸盐水泥、沸石粉和粉煤灰混合，制得水泥混合料，将水加入水泥 混合料中使用转速1500r/min搅拌30min，制得水泥浆体，水泥混合料和水的质 量比为1:0.65。
4、将发泡剂加入水中使用300r/min搅拌5min，形成发泡剂泡沫，发泡剂 和水质量比为1:10。
5、将发泡剂泡沫加入水泥浆体中使用转速为1000r/min搅拌4min，制得水 泥材料浆体，将水泥材料浆体倒入模具中，放入20℃，湿度≥95％的标准养护室 养护10天，制得水泥材料。
实施例3用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料的制备方法
1、发泡剂：按重量份计，称取以下组分：3份十二烷基硫酸钠、1.5份海藻 酸钠和5份氧化石蜡皂，备用。
2、按重量份计，称取以下原料：45份硅酸盐水泥、9份沸石粉、3份粉煤 灰和0.7份发泡剂。
3、将硅酸盐水泥、沸石粉和粉煤灰混合，制得水泥混合料，将水加入水泥 混合料中使用转速1600r/min搅拌40min，制得水泥浆体，水泥混合料和水的质 量比为1:0.75。
4、将发泡剂加入水中使用400r/min搅拌8min，形成发泡剂泡沫，发泡剂 和水质量比为1:15。
5、将发泡剂泡沫加入水泥浆体中使用转速为1200r/min搅拌6min，制得水 泥材料浆体，将水泥材料浆体倒入模具中，放入20℃，湿度≥95％的标准养护室 养护10天，制得水泥材料。
实施例4用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料的制备方法
实施例4和实施例1的区别在于发泡剂的配比，具体为：按重量份计，1份 十二烷基硫酸钠、1份海藻酸钠和1份氧化石蜡皂，备用。
实施例5用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料的制备方法
实施例5和实施例1的区别在于发泡剂的原料，具体为：按重量份计，2份 十二烷基硫酸钠、1份羟甲基纤维素和4份脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐，备用。
对比例1
对比例1和实施例1的区别在于发泡剂的制备，具体为，将发泡剂加入水 中使用200r/min搅拌7min，形成发泡剂泡沫，发泡剂和水质量比为1:8。
对比例2
对比例2和实施例1的区别在于原料的配比，具体为：按重量份计，称取 以下原料：30份硅酸盐水泥、12份沸石粉、5份粉煤灰和0.5份发泡剂。
对比例3
对比例3和实施例1的区别在于原料的组成，具体为：按重量份计，称取 以下原料：40份废弃水泥建材、8份沸石粉、2份粉煤灰和0.5份发泡剂。
制备方法为：
1、将从工地取回的废弃水泥建材粉碎，制得废弃水泥粉末，将废弃水泥粉 末、沸石粉和粉煤灰混合，制得水泥混合料，将水加入水泥混合料中使用转速 1550r/min搅拌35min，制得水泥浆体，水泥混合料和水的质量比为1:0.0.7。
2、将发泡剂加入水中使用350r/min搅拌7min，形成发泡剂泡沫，发泡剂 和水质量比为1:13。
3、将发泡剂泡沫加入水泥浆体中使用转速为1100r/min搅拌5min，制得水 泥材料浆体，将水泥材料浆体倒入模具中，放入20℃，湿度≥95％的标准养护室 养护10天，制得水泥材料。
试验例1
使用实施例1-5和对比例1-3制得的水泥材料进行重金属离子吸附试验。
实验过程：(1)分别配制初始浓度为100mg/L的砷溶液、镉溶液、锌溶液、 铜溶液和铅溶液各8份。
(2)将实施例1-5和对比例1-3制得的水泥材料粉碎，分别称取0.5g加入 砷溶液、镉溶液、锌溶液和汞溶液中，调节砷溶液、镉溶液、锌溶液、铜溶液 和铅溶液pH值为7.0。
(3)将步骤(2)制得的溶液放在摇床中振荡，温度控制在25℃，以200r/min 的速率振荡24h。
(4)将振荡后的溶液在高速离心机上进行离心，转速为4000r/min进行离 心10min。将上清液用注射器取出，过0.45μm滤膜过滤，取上清液。上清液利 用原子荧光光谱仪测定溶液中重金属离子的浓度。
去除率(％)＝(重金属离子初始浓度-反应后的重金属浓度)/重金属离子初始 浓度×100
实验结果表明，本发明制得的水泥材料能够有效去除水和土壤中砷、镉、 锌、铜和铅等重金属离子。实施例4和5改变发泡剂的原料和配比，造成水泥 材料吸附位点减少和水泥材料中C-S-H凝胶和氢氧化钙含量相对比实施例1有 明显下降。对比例1改变发泡剂的制备工艺，本发明中发泡剂的配比、原料的 选择和制备工艺制得一种稳定性好、泡沫细腻的泡沫。本发明的发泡剂泡沫和 水泥浆料介质相容性好，形成孔洞大小均匀的水泥材料。对比例2改变水泥材 料的配比，水泥材料中C-S-H凝胶和氢氧化钙相对比实施例1含量降低，导致 水泥材料吸附重金属离子效果下降。
试验例2水泥材料中的C-S-H凝胶和氢氧化钙的含量
将实施例1-5和对比例1-3制得的水泥材料通过X射线衍射仪以及同步热分 析仪检测水泥材料中的C-S-H凝胶和氢氧化钙的含量。
| 组别 | C-S-H凝胶(％) | 氢氧化钙(％) |
| 实施例1 | 39.66 | 4.93 |
| 实施例2 | 38.94 | 4.88 |
| 实施例3 | 38.77 | 4.65 |
| 实施例4 | 35.14 | 4.23 |
| 实施例5 | 36.05 | 4.05 |
| 对比例1 | 33.98 | 4.13 |
| 对比例2 | 33.55 | 4.06 |
| 对比例3 | 40.11 | 4.89 |
实验结果表明，本发明的制备方法和原料配比，能使水泥浆料在10天内定 型，制得的水泥材料在养护期间C-S-H凝胶和氢氧化钙含量快速增加。有利于 缩短水泥材料的制备时间和提高水泥材料吸附水和土壤中重金属离子的效果。
试验例3
(1)供试土壤采自海南省东方市附近重金属污染矿区表层(0～20cm)土 壤,平铺于干净的塑料布上，将大块压碎，同时将其中的石块、根茎、塑料袋等 杂物剔除，放在室内阴凉、通风处进行风干。风干后的土壤进行磨碎处理，同 时筛分至＜2mm。
(2)向采集的土壤中添加含有重金属砷、镉、锌、铜和铅溶液，人工污染 成60mg/kg的重度污染土壤。
(3)将实施例1-5和对比例1-3制得的水泥材料分别添加至土壤中，添加 量为30g/kg，命名为处理1-8，每个处理设置三个平行试验，设置对照组，对照 组不进行处理，对照组设置两个平行，稳定化修复14天，期间保持土壤最大含 水量的70％左右，室温培养14天，培养14天后，将土样样品取出，风干，通 过2mm的筛网，备用。
(4)将处理后的土壤采用GB5085.3-2007浸出毒性鉴别中检测方法进行检 测。
(5)实验结果
实验结果表明，对照组中出现大量的金属离子污染物。经过本发明水泥材 料处理，土壤中的砷、镉、锌、铜和铅被水泥材料固定。结合试验例1-3，本发 明中使用废弃水泥建材代替水泥，也获得很好的重金属离子吸附效果。表明废 弃水泥建材可以应用于被重金属污染水和土壤修复中，能够起到废物循环利用， 有利于环境的保护。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料，其特征在于，按重量份计，所述水泥材料包括：35-45份水泥、7-9份沸石粉、1-3份粉煤灰和0.3-0.7份发泡剂，所述发泡剂按重量份计，包括以下组分：1-3份十二烷基硫酸钠、0.5-1.5份海藻酸钠和3-5份氧化石蜡皂。
2.如权利要求1所述的用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将水泥、沸石粉和粉煤灰混合，制得水泥混合料；
(2)将水加入水泥混合料中搅拌，制得水泥浆体；
(3)将发泡剂加入水中搅拌，形成发泡剂泡沫；
(4)将发泡剂泡沫加入水泥浆体中搅拌，制得水泥材料浆体；
(5)将水泥材料浆体倒入模具中，养护10天，制得水泥材料。
3.如权利要求2所述的用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，水泥混合料和水的质量比为1:0.65-0.75。
4.如权利要求2所述的用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述搅拌为使用转速1500-1600r/min搅拌30-40min。
5.如权利要求2所述的用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述发泡剂和水的质量比为1:10-15。
6.如权利要求2所述的用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述发泡剂搅拌为使用300-400r/min搅拌5-8min。
7.如权利要求2所述的用于吸附水和土壤中重金属离子的水泥材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，所述搅拌为使用转速为1000-1200r/min搅拌4-6min。
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