CN114933429A - 垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法，包括将垃圾焚烧飞灰与金属冶炼渣进行干燥、破碎、研磨后混合后得到混合原料，将氢氧化钠与水玻璃混合并陈化至陈化时间后得到碱激发剂溶液，将混合原料与碱激发剂溶液混合并加入去离子水搅拌后得到混合浆体，将混合浆体浇筑至模具中，将模具恒温恒湿养护至初始养护时间后，取出模具脱模并在室温下进行养护，得到碱激发凝胶材料；本发明以垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣为主要原料，实现对垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣的无害化及资源化处置。
Description
技术领域
本发明属于危险废物无害化及资源化领域，尤其涉及一种垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法。
背景技术
垃圾焚烧飞灰是指城市生活垃圾在经过700~1000℃高温焚烧处理后产生的烟雾，在经烟气净化系统快速冷却过程中凝结形成的细小颗粒物。垃圾焚烧飞灰中的污染成分受被焚烧垃圾的组分、焚烧条件、烟气净化方式及添加剂种类的影响。垃圾焚烧飞灰因其通常具有较大的比表面积，易于聚集多种重金属、可溶性盐类物质以及其他难降解有毒物质，其中多种具有浸出毒性的重金属也是垃圾焚烧飞灰中的主要污染源。
针对上述两种危险废物的处置，利用碱激发技术可以有效处置含重金属的固体废物，且相比于污染物分离、热处理、有价金属回收等其他处置方法，该方法工艺流程简单、低碳经济环保。
发明内容
本发明目的在于针对上述技术问题提供一种垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法,以减少垃圾焚烧飞灰及金属冶炼渣的危害，并使其得到资源化利用。
为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：
垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法，所述方法包括以下步骤：
原料预处理工艺：将垃圾焚烧飞灰与金属冶炼渣进行干燥、破碎、研磨后得到飞灰颗粒和冶炼渣颗粒，将所述飞灰颗粒和所述冶炼渣颗粒混合后得到混合原料；
碱激发剂配制工艺：将氢氧化钠与水玻璃混合并陈化至陈化时间后得到碱激发剂溶液，其中所述陈化时间为3h至18h；
混合制浆工艺：将所述混合原料与所述碱激发剂溶液混合并加入去离子水搅拌后得到混合浆体；
浇筑养护工艺：将所述混合浆体倒入模具中，将所述模具放置于烘箱中保持养护温度养护至初始养护时间后，取出模具脱模并在室温下进行养护，得到碱激发凝胶材料，其中所述初始养护时间为18h至24h。
进一步地，所述原料预处理工艺中所述飞灰颗粒质量占所述混合原料质量的10%至60%。
进一步地，所述混合原料的颗粒直径不超过0.28mm。
进一步地，所述碱激发剂配制工艺中所述水玻璃的水玻璃模数为1.4至1.6。
进一步地，所述混合制浆工艺中所述碱激发剂溶液质量占所述混合浆体质量的4%至10%。
进一步地，所述混合制浆工艺中所述去离子水质量占所述混合浆体质量的25%至28%。
进一步地，所述浇筑养护工艺中所述养护温度为30℃至60℃。
进一步地，所述浇筑养护工艺中将所述混合浆体倒入所述模具后振荡至振动时间再将所述模具放入烘箱中。
进一步地，所述振动时间为5min至60min。
本发明垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法具有以下优点：本发明所述方法工艺简单、资源化程度高、成本低廉，易于产业化，具有显著的环保效益和经济价值，本方法以垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣为主要原料，实现了垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣无害化处置和资源化处置的目的。
附图说明
图1为本发明实施例中垃圾焚烧飞灰的化学组成分析结果示意图；
图2为本发明实施例中垃圾焚烧飞灰的重金属浸出毒性测试结果示意图；
图3为本发明实施例中铅锌冶炼渣的化学组成分析结果示意图；
图4为本发明实施例中铅锌冶炼渣的重金属浸出毒性测试结果示意图；
图5为本发明实施例中垃圾焚烧飞灰和铅锌冶炼渣制备碱激发凝胶材料的流程示意图；
图6为本发明实施例中碱激发凝胶材料的重金属元素浸出浓度和固化效率测试结果示意图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、流程及方法，下面结合附图，对本发明垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法做进一步详细的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明所提供的实施例中，如图1所示，所取用的垃圾焚烧飞灰的化学组成主要包括CaO、Na2O和K2O等，其中CaO约为43.84%，Cl约为23.66%，Na2O约为13.67%。本实施例中采用TCLP浸出方法对取用的垃圾焚烧飞灰进行浸出毒性试验，选择Zn、Pb、Cu和Cd四种重金属元素作为浸出毒性检测对象，其浸出结果如图2所示，其中重金属Zn、Cu和Cd的浸出浓度相对较低，但Pb的浸出浓度远远超过美国EPA限值，因此所取用的垃圾焚烧飞灰有较高的重金属浸出风险。
本实施例所取用的金属冶炼渣为铅锌冶炼渣，如图3所示，其化学组成主要包括SiO2、Al2O3、CaO和Fe2O3等，其中SiO2约含37.39%、Al2O3约含13.27%、CaO约含19.53%，Fe2O3约含19.25%。采用TCLP浸出方法对其中的Zn、Pb、Cu和Cd进行浸出毒性试验，其浸出结果如图4所示，其中重金属Pb、Cu和Cd的浸出浓度未超过限值，但Zn的浸出浓度高达43.86mg/L，仍有一定浸出风险。
如图5所示，在本实施例中，利用垃圾焚烧飞灰和铅锌冶炼渣制备碱激发凝胶材料的具体过程如下：
首先可以对原料进行预处理，将取用的垃圾焚烧飞灰和铅锌冶炼渣分别放在105℃的干燥箱中烘干12小时至恒重。随后将干燥后的垃圾焚烧飞灰和铅锌冶炼渣放入破碎机中进行破碎，然后用球磨机以200r/min的速度将其研磨18小时并过200目筛，分别得到颗粒直径不超过0.075mm的飞灰颗粒和冶炼渣颗粒。接着将飞灰颗粒和冶炼渣颗粒按照质量比1：4的比例充分混合后得到了混合原料，将混合原料用密封袋封存以待使用。
接着可以配置碱激发剂，将氢氧化钠和水玻璃混合加入聚乙烯烧杯中，并陈化18个小时，使其充分混合均匀，得到碱激发剂溶液。其中所取用水玻璃的水玻璃模数为1.5。
然后可以将获得的混合原料与碱激发剂溶液混合并加入去离子水充分搅拌后得到了混合浆体，其中碱激发剂溶液质量占混合浆体质量的10%，去离子水质量占混合浆体质量的25.9%。
将得到的混合浆体浇筑至模具中，放置在30℃的烘箱中，恒温恒湿养护24h后，取出模具并将样品脱模，在室温下进行养护，可以得到碱激发凝胶材料。其中将混合浆体倒入模具后，还可以将其放置在振捣台上振荡5min至10min，以消除混合浆体中存在的气泡。
利用TCLP法对本实施例得到的碱激发凝胶材料进行重金属浸出毒性测试并且计算Pb、Zn和Cu的固化效率，结果如图6所示。与所取用的垃圾焚烧飞灰和铅锌冶炼渣原样相比，各重金属的浸出浓度均处于较低水平且远远低于美国EPA浸出浓度标准，并且由于碱激发胶凝材料具有低孔隙率和致密结构的特性，进一步限制了重金属离子在固化体中的扩散，使其不易被浸出。另外Pb、Zn和Cu三种重金属在碱激发凝胶材料中的固化效率均高于97%，其中Cu的固化效率高达99%以上。由于重金属浸出浓度较低并且重金属的固化效率均处于较高的水平，这意味着即使在颗粒破碎的情况下，重金属仍不易被浸出。
因此可以看出，利用垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料可以大幅减少垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣给环境带来的危害。另外本实施例所获得的碱激发凝胶材料具有较高的抗压强度及较低的环境风险性，能够作为建筑材料安全利用。
本发明通过以垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法实现了对垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣内重金属Zn、Pb和Cu的有效固化，从而实现使垃圾焚烧飞灰无害化处置和资源化处置的目的。该方法制备工艺简单、资源化程度高、成本低廉，即降低了其对环境和人类健康的风险，又具有显著的社会效益和经济价值。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
Claims (9)
1.垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
原料预处理工艺：将垃圾焚烧飞灰与金属冶炼渣进行干燥、破碎、研磨后得到飞灰颗粒和冶炼渣颗粒，将所述飞灰颗粒和所述冶炼渣颗粒混合后得到混合原料；
碱激发剂配制工艺：将氢氧化钠与水玻璃混合并陈化至陈化时间后得到碱激发剂溶液，其中所述陈化时间为3h至18h；
混合制浆工艺：将所述混合原料与所述碱激发剂溶液混合并加入去离子水搅拌后得到混合浆体；
浇筑养护工艺：将所述混合浆体浇筑至模具中，将所述模具放置于烘箱中保持养护温度养护至初始养护时间后，取出模具脱模并在室温下进行养护，得到碱激发凝胶材料，其中所述初始养护时间为18h至24h。
2.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法，其特征在于，所述原料预处理工艺中所述飞灰颗粒质量占所述混合原料质量的10%至60%。
3.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法，其特征在于，所述混合原料的颗粒直径不超过0.28mm。
4.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法，其特征在于，所述碱激发剂配制工艺中所述水玻璃的水玻璃模数为1.4至1.6。
5.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法，其特征在于，所述混合制浆工艺中所述碱激发剂溶液质量占所述混合浆体质量的4%至10%。
6.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法，其特征在于，所述混合制浆工艺中所述去离子水质量占所述混合浆体质量的25%至28%。
7.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法，其特征在于，所述浇筑养护工艺中所述养护温度为30℃至60℃。
8.根据权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法，其特征在于，所述浇筑养护工艺中将所述混合浆体倒入所述模具后振荡至振动时间再将所述模具放入烘箱中。
9.根据权利要求8所述的垃圾焚烧飞灰和金属冶炼渣制备碱激发凝胶材料的方法，其特征在于，所述振动时间为5min至60min。
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