CN115594429A - 基于氨基碳酸化改性联合水泥固化飞灰建材化利用的方法 - Google Patents

基于氨基碳酸化改性联合水泥固化飞灰建材化利用的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及建材技术领域，旨在提供一种基于氨基碳酸化改性联合水泥固化飞灰建材化利用的方法。包括：对垃圾焚烧飞灰进行水洗、压滤，分离出含水的固态水洗飞灰；加入盐酸溶液进行酸洗，然后与乙醇、氨水混合；以鼓泡方式持续通入CO2，获得碳化飞灰混合物，经真空干燥处理得到改性后的飞灰固体；将改性后飞灰固体、固态水洗飞灰以及水泥混合均匀再与水混合搅拌，获得浆体混合物；装模、振实后，进行初步养护；脱模后继续养护，得到高强度的水泥制件。本发明能对二氧化碳进行永久封存，将飞灰中的钙用来捕集二氧化碳，并为水泥水化过程提供方解石晶体；诱导无定形碳酸钙转化为方解石，通过水泥和方解石多重稳定结构固定飞灰中的重金属。

Description

基于氨基碳酸化改性联合水泥固化飞灰建材化利用的方法
技术领域
本发明涉及固废处理技术，特别涉及城市生活垃圾焚烧飞灰无害化处置和资源化利用，属于危险飞灰建材资源化利用技术领域。
背景技术
全球范围内，城市生活垃圾焚烧技术在无害化处理过程中发挥着重要作用。但是，垃圾焚烧副产物飞灰由于富集大量重金属(铅、锌、铬、镉、镍、硒等)、有机污染物(二恶英等)，被列入危险废物名录，需要经过科学合理的处置才能够被填埋或利用。利用水泥凝胶材料固化飞灰是一种常见的飞灰无害化处置手段，飞灰中含有氧化钙、二氧化硅、氧化铝、硫酸钙等原料能够与水泥一同发生水化反应，生成C-S-H、水铝钙石、钙矾石等稳定结构能够固化/稳定飞灰中的重金属，并且制备得到具有一定机械强度的水泥制件。
中国实用新型专利“飞灰固化稳定化处理系统”(CN201120083262.0)介绍了一种使用水泥来固化稳定飞灰的方法，该方法的目的是为了制备能够达到填埋标准的水泥制件，但是未考虑制备飞灰中的氯盐对水泥强度及重金属固化稳定性的影响。为了消除氯盐对水泥固化飞灰的影响，中国发明专利“水洗生活垃圾焚烧飞灰在水泥稳定碎石混合料中的清洁应用”(CN202010481901.2)介绍了一种将经过水洗预处理的飞灰与矿料及水泥混合，制备能够作为筑路材料的产品，该方法需要85％以上的矿料，所使用的水洗飞灰较少，并且制备得到的产物无法满足建材的强度要求。为提高飞灰掺量和产物的机械强度，中国发明专利“一种利用生活垃圾焚烧飞灰制砖的方法”(CN201810208915.X)介绍了将飞灰、氧化镁、水泥和水混合制砖的方法，为提高水泥制件的抗压强度添加了氧化镁；但是使用氧化镁量较大制砖成本提高，且抗压强度仅达到10MPa，机械性能依然不高。中国发明专利“生活垃圾焚烧飞灰复合掺合料在水泥稳定碎石混合料中的应用”(CN202010470725.2)，为了减少水泥掺量，向飞灰中添加了大量活性混合材料和激发剂，导致试剂成本大大提高，且限制了飞灰中氧化钙、二氧化硅、氧化铝、氧化铁及氯的含量；同时目前大部分飞灰具有低硅铝铁、高氯含量特性并无法满足要求，且所制备水泥制件抗压强度均低于10MPa，无法满足高强度建材要求。中国发明专利“一种生活垃圾焚烧灰渣混凝土及其制备方法”(CN202111392769.9)介绍了一种将垃圾焚烧炉渣筛分，飞灰改性与矿粉、水玻璃、氢氧化钠与水混合制备抗压强度达到20MPa以上的混凝土，虽然该方法能够制备得到高强度混凝土作为建筑材料，但是养护时间达到28天，且制备过程中需要消耗大量价格相对高昂的水玻璃，飞灰改性过程需要800～1100摄氏度的高温，存在能耗高、设备和操作复杂、养护时间长等问题。
由以上技术现状可以看出，目前的解决方案均存在诸多弊端。因此，提出一种新的解决方案对于飞灰建材化合理利用是十分必要的。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于氨基碳酸化改性联合水泥固化飞灰建材化利用的方法。
为了解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于氨基碳酸化改性联合水泥固化飞灰建材化利用的方法，包括以下步骤：
(1)对垃圾焚烧飞灰进行水洗，对水洗后的混合溶液进行压滤操作，分离出含水的固态水洗飞灰；
(2)向固态水洗飞灰中加入盐酸溶液，混匀并调节pH值至5～7；继续搅拌20分钟，获得酸洗飞灰悬浮溶液；
(3)将酸洗飞灰悬浮溶液与乙醇按1/9～2/3的体积比混合后，再按20％～50％的质量比例向混合溶液中添加氨水，持续搅拌得到混合溶液；
(4)以鼓泡方式向混合溶液中持续通入二氧化碳气体，30分钟后停止鼓泡并持续搅拌10分钟，获得碳化飞灰混合物；
(5)将碳化飞灰混合物离心分离，上层清液回收备用；分离所得固体经真空干燥处理，得到改性后的飞灰固体；
(6)按照1:1:2的质量比取改性后飞灰固体、固态水洗飞灰以及水泥，混合均匀；再按水灰比0.25～0.3L/kg将混合物与水混合搅拌，获得浆体混合物；
(7)将浆体混合物装模、振实后，放入恒温恒湿箱中；在温度25℃、湿度100％的条件下静置48小时，得到初步养护水泥；
(8)将初步养护水泥脱模，取出后放入养护箱中；在恒温20～25℃、湿度90～98％的条件下继续养护12天，制备得到高强度的水泥制件。
作为本发明的优选方案，所述步骤(1)中，对飞灰进行水洗时，水灰的液固比为3～5:1L/kg，水洗过程中以磁力搅拌60分钟，转速为500～1000转/分钟；所述固态水洗飞灰的含水率为20％～30％。
作为本发明的优选方案，所述步骤(2)中，所述盐酸溶液的浓度为2～3mol/L，按液固比为3:1L/kg确定其使用量；酸洗时使用磁力搅拌，转速为200～500转/分钟。
作为本发明的优选方案，所述步骤(3)中，氨水的质量浓度为25％；添加氨水后以磁力持续搅拌5分钟，转速为200转/分钟。
作为本发明的优选方案，所述步骤(4)中，鼓泡时二氧化碳的通气量为200mL/min。
作为本发明的优选方案，所述步骤(5)中，离心处理时的转速为8000转/分钟，处理时间5分钟；真空干燥时控制为恒温40℃、0.08MPa真空度、8小时。
作为本发明的优选方案，所述步骤(5)中，所述上清液中含有乙醇、水和氨水，回收上清液后循环用于步骤(3)中混合溶液的制备。
作为本发明的优选方案，所述步骤(6)中，水泥选用P.O42.5普通硅酸盐水泥；水选用自来水；固态水洗飞灰是按步骤(1)所述方式经水洗和压滤获得。
作为本发明的优选方案，所述步骤(6)中，是将改性后的飞灰固体、固态水洗飞灰、水泥、水，先后加入水泥搅拌机中进行混合与搅拌，制得浆体混合物，搅拌时间至少5分钟。
发明原理描述：
本发明利用碳酸钙寡聚体调控垃圾焚烧飞灰中钙溶解、交联、聚合再结晶，联合水泥制备高强度水泥制件，实现飞灰建材化利用的技术原理如下：
(1)飞灰脱氯：通过水洗的方式去除飞灰中大量可溶性氯盐(氯化钠、氯化钾)，得到含有大量氧化钙、硫酸钙、二氧化硅以及氧化铝等微溶或不可溶物质的水洗飞灰。其中硫酸钙、二氧化硅以及氧化铝可作为水化反应的原料，与水泥中的氧化钙发生水化反应，生成C-S-H、钙矾石等稳定结构。
(2)飞灰中钙溶解、碳酸钙寡聚体制备：向压滤后的水洗飞灰中加入适量浓度合适的盐酸，调节混合溶液pH值为5～7，达到使用最少的酸使飞灰中微溶性氧化钙、氢氧化钙和碳酸钙等被尽可能多的溶解为游离钙离子的目的。向飞灰酸洗溶液中添加适量乙醇，能够降低反应体系的介电常数。向体系中添加氨水，能够提供碱性环境以及作为碳酸钙分子之间的封端剂。通过二氧化碳鼓泡的方式能在反应体系中生成碳酸钙分子，碳酸钙分子与氨水中的N原子形成氢键，阻碍碳酸钙分子聚集避免发生无规则沉淀，从而制备出凝胶状的碳酸钙寡聚体。
(3)无定形碳酸钙生成：通过离心的方式将固体成分与液体成分相互分离，其中液体成分为乙醇、水、氨水或三乙胺的混溶液，可循环使用作为碳酸钙寡聚体制备的反应体系。固体成分为碳酸钙寡聚体与飞灰中其他不可溶成分的混合物，将其在真空下干燥处理，由于碳酸钙分子浓度较高，在合适的温度与真空度下乙醇和氨水挥发，使碳酸钙寡聚体发生交联，制备得到过饱和的无定形碳酸钙。与此同时，飞灰中的重金属被封锁在过饱和的无定形碳酸钙中。改性后的飞灰固体平均粒径低于10微米。
(4)湿度诱导结晶聚合：由于飞灰经过酸浸溶解，所制备得到的改性飞灰不仅含有大量无定形碳酸钙，且粒径小于10微米；将改性后的飞灰固体、、水洗飞灰、水泥与水混合搅拌成浆装模，进行初步养护48小时，将养护湿度设置为100％，温度设置为25摄氏度。无定形碳酸钙能够在温和的水环境下，发生诱导结晶，无定形碳酸钙分子间少量的乙醇和氨水被水分子置换出来，并伴随着水化反应的发生，内部水分子被消耗，无定形碳酸钙逐渐转化为具有晶相结构的方解石，碳酸钙分子间形成强离子键，包裹/吸附在无定形碳酸钙中的重金属被牢牢固定在晶体结构中。
(5)促进水化反应：初步养护48小时结束后，脱模调整养护湿度为98％继续养护。当无定形碳酸钙结晶聚合形成碳酸钙晶体后，能够有效填充水泥颗粒间的空隙，使得水化产物微观结构更加紧凑，从而有效提高水泥制件的抗压强度；并且结晶后的碳酸钙能够充当加速水泥水化的成核位点，加速水泥水化反应的进行，缩短养护时间。因此，相较于原始飞灰或水洗飞灰替代部分水泥，本发明所提出的改性飞灰替代部分水泥的方法在较短的养护时间内制备出的水泥制件具有更高的抗压强度。
基于上述原理，本发明能够分离飞灰中的氯化钠和氯化钾，减少氯盐对水泥固化过程的不利影响；高效捕集二氧化碳，减少碳排放，实现二氧化碳永久封存。在养护过程中，不仅促使无定形碳酸钙聚合结晶，将重金属牢牢固定在晶体结构中，并且碳酸钙晶体能够有效填补水泥颗粒间的空隙，以及加速水泥水化反应的进行，形成较高强度、低渗透性的水泥制件，进一步固化/稳定飞灰中的重金属，从而实现飞灰的建材化利用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明所述方法对二氧化碳进行永久封存，将飞灰中的钙用来捕集二氧化碳，并为水泥水化过程提供方解石晶体；
(2)本发明通过湿度养护工况，不仅实现了水泥的养护，而且诱导无定形碳酸钙转化为方解石，通过水泥和方解石多重稳定结构固定飞灰中的重金属；
(3)本方法有效降低了水泥的消耗量和养护时间，并且实现垃圾焚烧飞灰的建材化利用。
(4)本发明所述方法设备简单、维护成本低、运行安全，试剂成本低廉，绿色环保低能耗。
附图说明
图1为本发明中制备高强度混凝土的工艺流程图；
图2为原始垃圾焚烧飞灰的XRD谱图；
图3为原始垃圾焚烧飞灰的SEM谱图；
图4为原始垃圾焚烧飞灰的EDS结果图；
图5为本发明方法制备得到的水泥制件的XRD谱图；
图6为本发明方法制备得到的水泥制件的SEM谱图；
图7为本发明方法制备得到的水泥制件的EDS结果图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。
实施例1
本实施例中，垃圾焚烧飞灰选用了取自浙江某垃圾焚烧厂垃圾焚烧飞灰，水泥选用42.5普通硅酸盐水泥，飞灰在HJ/T 557-2010标准下的重金属浸出浓度如表1所示。
如图2-4所示，原始垃圾焚烧飞灰主要成分为氧化钙、氯化钠、氯化钾、硫酸钙、碳酸钙、碱式氯化钙等，表面形貌呈现无规则颗粒，表面元素分布复杂。
本实施例中的处理过程具体包括如下步骤：
(1)对垃圾焚烧飞灰进行水洗，对水洗的混合溶液进行压滤操作，分离出20％含水量的固态水洗飞灰。
按液固比为3:1L/kg，将固态水洗飞灰加入2mol/L的盐酸溶液中，混匀并调节混合液的pH值为7；搅拌20分钟，获得酸洗飞灰悬浮溶液。其中，水洗工况设置为液固比3:1L/kg，以500转/分钟的转速磁力搅拌60分钟；酸洗搅拌工况选用200转/分钟的磁力搅拌。
(2)将酸洗飞灰悬浮溶液与乙醇按1/9的体积比混合，再按20％的质量比例向混合溶液中添加氨水，氨水的质量浓度为25％；以200转/分钟的速度，磁力搅拌5分钟；
(3)向混合溶液中以200mL/min的速率鼓泡二氧化碳气体；持续30分钟停止鼓泡，并持续搅拌10分钟，获得碳化飞灰混合物；
(4)将碳化飞灰混合物以8000转/分钟的转速高速离心5分钟，倒去上层清液，将剩余物质放入真空干燥器内，恒温40℃，0.08MPa真空度下干燥8小时，获得改性后的飞灰固体；上清液中含有乙醇、水和氨水，回收上清液后可循环用于步骤(2)中混合溶液的制备。
(5)将改性后的飞灰固体、固态水洗飞灰以及水泥按照1:1:2的质量比混合，然后按水灰比0.25L/kg的比例与水混合搅拌至少5分钟，获得浆体混合物；混合与搅拌是在水泥搅拌机中进行，固态水洗飞灰是按步骤(1)所述方式经水洗和压滤获得。
(6)将浆体混合物装模、振实、放入恒温恒湿箱中，温度为25℃，湿度为100％，初步养护48小时；
(7)取出初步养护水泥，进行脱模操作，并放入养护箱中恒温20℃，湿度设置为90％，继续养护12天，制备得到高强度水泥制件。
使用压力试验机测试水泥制件的抗压强度为37.8MPa。
对制备得到的样品进行粉碎，随后使用HJ/T 557-2010标准开展重金属浸出试验，浸出结果如表1所示：
表1原始垃圾焚烧飞灰和实施例1水泥制件重金属浸出浓度(mg/L)
Figure BDA0003862765200000061
ND：表示未检出
如图5-7所示，本实施例制备得到的样品主要成分为碳酸钙、硫酸钙、二氧化硅、C-S-H等，表面形貌呈现光滑块状或交联结构，表面元素单一，未检测到重金属分布。
实施例2
本实施例中，垃圾焚烧飞灰和水泥选取与实施例1相同。
本实施例的操作过程与实施例1保持一致，对各步骤中的部分参数进行如下调整：
(1)对垃圾焚烧飞灰进行水洗，对水洗的混合溶液进行压滤操作，分离出25％含水量的固态水洗飞灰。
按液固比为3:1L/kg，将固态水洗飞灰加入2.5mol/L的盐酸溶液中，混匀并调节混合液的pH值为6；搅拌20分钟，获得酸洗飞灰悬浮溶液；其中，水洗工况设置为液固比4:1L/kg，以750转/分钟的转速磁力搅拌60分钟；酸洗搅拌工况选用350转/分钟的磁力搅拌。
(2)将酸洗飞灰悬浮溶液与乙醇按1/8的体积比混合，再按35％的质量比例向混合溶液中添加氨水，氨水的质量浓度为25％；以200转/分钟的速度，磁力搅拌5分钟；
(3)向混合溶液中以200mL/min的速率鼓泡二氧化碳气体；持续30分钟停止鼓泡，并持续搅拌10分钟，获得碳化飞灰混合物；
(4)将碳化飞灰混合物以8000转/分钟的转速高速离心5分钟，倒去上层清液，将剩余物质放入真空干燥器内，恒温40℃，0.08MPa真空度下干燥8小时，获得改性后的飞灰固体；上清液中含有乙醇、水和氨水，回收上清液后可循环用于步骤(2)中混合溶液的制备。
(5)将改性后的飞灰固体、固态水洗飞灰以及水泥按照1:1:2的质量比混合，然后按水灰比0.28L/kg的比例与水混合搅拌至少5分钟，获得浆体混合物；混合与搅拌是在水泥搅拌机中进行，固态水洗飞灰是按步骤(1)所述方式经水洗和压滤获得。
(6)将浆体混合物装模、振实、放入恒温恒湿箱中，温度为25℃，湿度为100％，初步养护48小时；
(7)取出初步养护水泥，进行脱模操作，并放入养护箱中恒温22℃，湿度设置为95％，继续养护12天，制备得到高强度水泥制件。
使用压力试验机测试水泥制件的抗压强度为40.7MPa。
对制备得到的样品进行粉碎，随后使用HJ/T 557-2010标准开展重金属浸出试验，浸出结果如表2所示：
表2实施例2制备得到样品的重金属浸出浓度(mg/L)
Figure BDA0003862765200000071
ND：表示未检出
实施例3
本实施例中，垃圾焚烧飞灰和水泥选取与实施例1相同。
本实施例的操作过程与实施例1保持一致，对各步骤中的部分参数进行如下调整：
(1)对垃圾焚烧飞灰进行水洗，对水洗的混合溶液进行压滤操作，分离出30％含水量的固态水洗飞灰。
按液固比为3:1L/kg，将固态水洗飞灰加入3mol/L的盐酸溶液中，混匀并调节混合液的pH值为5；搅拌20分钟，获得酸洗飞灰悬浮溶液；其中，水洗工况设置为液固比5:1L/kg，以1000转/分钟的转速磁力搅拌60分钟；酸洗搅拌工况选用500转/分钟的磁力搅拌。
(2)将酸洗飞灰悬浮溶液与乙醇按2/3的体积比混合，再按50％的质量比例向混合溶液中添加氨水，氨水的质量浓度为25％；以200转/分钟的速度，磁力搅拌5分钟；
(3)向混合溶液中以200mL/min的速率鼓泡二氧化碳气体；持续30分钟停止鼓泡，并持续搅拌10分钟，获得碳化飞灰混合物；
(4)将碳化飞灰混合物以8000转/分钟的转速高速离心5分钟，倒去上层清液，将剩余物质放入真空干燥器内，恒温40℃，0.08MPa真空度下干燥8小时，获得改性后的飞灰固体；上清液中含有乙醇、水和氨水，回收上清液后可循环用于步骤(2)中混合溶液的制备。
(5)将改性后的飞灰固体、固态水洗飞灰以及水泥按照1:1:2的质量比混合，然后按水灰比0.3L/kg的比例与水混合搅拌至少5分钟，获得浆体混合物；混合与搅拌是在水泥搅拌机中进行，固态水洗飞灰是按步骤(1)所述方式经水洗和压滤获得。
(6)将浆体混合物装模、振实、放入恒温恒湿箱中，温度为25℃，湿度为100％，初步养护48小时；
(7)取出初步养护水泥，进行脱模操作，并放入养护箱中恒温25℃，湿度设置为98％，继续养护12天，制备得到高强度水泥制件。
使用压力试验机测试水泥制件的抗压强度为38.4MPa。
对制备得到的样品进行粉碎，随后使用HJ/T 557-2010标准开展重金属浸出试验，浸出结果如表3所示：
表3实施例3制备得到样品的重金属浸出浓度(mg/L)
Figure BDA0003862765200000081
ND：表示未检出
对比例1
参照具体实施例1中步骤(5)～(7)制备混凝土的步骤，但将改性后的飞灰固体更换成原始垃圾焚烧飞灰，具体步骤如下：
(1)将原始垃圾焚烧飞灰按1:1的质量比与水泥混合，按水灰比0.35L/kg的比例与水混合搅拌，获得浆体混合物；
(2)将浆体混合物装模、振实、放入恒温恒湿箱中，温度为25℃，湿度为100％，初步养护48小时；
(3)取出初步养护水泥，进行脱模操作，并放入养护箱中恒温25℃，湿度设置为98％，继续养护12天，制备得到高强度水泥制件。
使用压力试验机测试水泥制件的抗压强度为8.5MPa。
对制备得到的样品进行粉碎，随后使用HJ/T 557-2010标准开展重金属浸出试验，浸出结果如表4所示：
表4对比例1制备得到样品的重金属浸出浓度(mg/L)
Figure BDA0003862765200000091
ND：表示未检出
对比例2
参照具体实施例1中步骤(5)～(7)制备混凝土的步骤，但将改性后的飞灰固体更换成含水率为20％的水洗飞灰，具体步骤如下：
(1)将干燥后的水洗飞灰按1:1的质量比与水泥混合，按水灰比0.30L/kg的比例与水混合搅拌，获得浆体混合物；
(2)将浆体混合物装模、振实、放入恒温恒湿箱中，温度为25℃，湿度为100％，初步养护48小时；
(3)取出初步养护水泥，进行脱模操作，并放入养护箱中恒温25℃，湿度设置为98％，继续养护12天，制备得到高强度水泥制件。
使用压力试验机测试水泥制件的抗压强度为10.5MPa。
对制备得到的样品进行粉碎，随后使用HJ/T 557-2010标准开展重金属浸出试验，浸出结果如表5所示：
表5对比例2制备得到样品的重金属浸出浓度(mg/L)
Figure BDA0003862765200000092
ND：表示未检出
对比例3
参照具体实施例1中步骤(5)～(7)制备混凝土的步骤，但将改性后的飞灰固体更换成原始垃圾焚烧飞灰，具体步骤如下：
(1)将原始垃圾焚烧飞灰按1:4的质量比与水泥混合，按水灰比0.35L/kg的比例与水混合搅拌，获得浆体混合物；
(2)将浆体混合物装模、振实、放入恒温恒湿箱中，温度为25℃，湿度为100％，初步养护48小时；
(3)取出初步养护水泥，进行脱模操作，并放入养护箱中恒温25℃，湿度设置为98％，继续养护12天，制备得到高强度水泥制件。
使用压力试验机测试水泥制件的抗压强度为15.4MPa。
对制备得到的样品进行粉碎，随后使用HJ/T 557-2010标准开展重金属浸出试验，浸出结果如表6所示：
表6对比例3制备得到样品的重金属浸出浓度(mg/L)
Figure BDA0003862765200000101
ND：表示未检出
对比例4
参照具体实施例1中步骤(5)～(7)制备混凝土的步骤，但将改性后的飞灰固体更换成含水率为20％的水洗飞灰，具体步骤如下：
(1)将干燥后的水洗飞灰按1:4的质量比与水泥混合，按水灰比0.30L/kg的比例与水混合搅拌，获得浆体混合物；
(2)将浆体混合物装模、振实、放入恒温恒湿箱中，温度为25℃，湿度为100％，初步养护48小时；
(3)取出初步养护水泥，进行脱模操作，并放入养护箱中恒温25℃，湿度设置为98％，继续养护12天，制备得到高强度水泥制件。
使用压力试验机测试水泥制件的抗压强度为20.5MPa。
对制备得到的样品进行粉碎，随后使用HJ/T 557-2010标准开展重金属浸出试验，浸出结果如表7所示：
表7对比例4制备得到样品的重金属浸出浓度(mg/L)
Figure BDA0003862765200000102
ND：表示未检出
对比例5
参照具体实施例1中步骤(5)～(7)制备混凝土的步骤，但将改性后的飞灰固体更换成原始垃圾焚烧飞灰，具体步骤如下：
(1)将原始垃圾焚烧飞灰按1:1的质量比与水泥混合，按水灰比0.35L/kg的比例与水混合搅拌，获得浆体混合物；
(2)将浆体混合物装模、振实、放入恒温恒湿箱中，温度为25℃，湿度为100％，初步养护48小时；
(3)取出初步养护水泥，进行脱模操作，并放入养护箱中恒温25℃，湿度设置为98％，继续养护28天，制备得到高强度水泥制件。
使用压力试验机测试水泥制件的抗压强度为11.5MPa。
对制备得到的样品进行粉碎，随后使用HJ/T 557-2010标准开展重金属浸出试验，浸出结果如表8所示：
表8对比例5制备得到样品的重金属浸出浓度(mg/L)
Figure BDA0003862765200000111
ND：表示未检出
对比例6
参照具体实施例1中步骤(5)～(7)制备混凝土的步骤，但将改性后的飞灰固体更换成含水率为20％的水洗飞灰，具体步骤如下：
(1)将干燥后的水洗飞灰按1:1的质量比与水泥混合，按水灰比0.30L/kg的比例与水混合搅拌，获得浆体混合物；
(2)将浆体混合物装模、振实、放入恒温恒湿箱中，温度为25℃，湿度为100％，初步养护48小时；
(3)取出初步养护水泥，进行脱模操作，并放入养护箱中恒温25℃，湿度设置为98％，继续养护28天，制备得到高强度水泥制件。
使用压力试验机测试水泥制件的抗压强度为14.5MPa。
对制备得到的样品进行粉碎，随后使用HJ/T 557-2010标准开展重金属浸出试验，浸出结果如表9所示：
表9对比例6制备得到样品的重金属浸出浓度(mg/L)
Figure BDA0003862765200000112
ND：表示未检出
通过各实施例与对比例的分析测试结果的比较可以看出，本发明制备的水泥制件样品的抗压强度远高于对比例1和对比例2样品，说明本发明所提方法能够有效提高水泥制件的抗压强度。通过对比例3和对比例4将水泥掺混比从实施例中提及的50％提高到80％时，抗压强度依旧未能达到实施例中水泥制件样品的抗压强度。通过对比例5和对比例6将养护时间提高到28天，抗压强度依旧远低于实施例中水泥制件样品的抗压强度。从上述对比分析可知，本发明所提出的方法在有效降低水泥掺混比以及养护时间的情况下，还能够制备出高抗压强度的水泥制件样品。并且本发明所制备得到的样品重金属浸出毒性显著降低，远低于《生活垃圾焚烧飞灰污染控制技术规范》(HJ 1134-2020)规定的资源化利用对重金属浸出的要求。作为对照样本，对比例1～6样品的重金属浸出结果均高于实施例1～3样品，且对比例1、2、5和6样品中Pb的浸出浓度超过规定限值1mg/L。
本发明提供的基于氨基碳酸化改性联合水泥固化飞灰建材化利用的方法具有高效捕集固定永久封存二氧化碳的作用，并且对垃圾焚烧飞灰中的重金属有高效固化稳定的作用，与此同时，改性后的飞灰对水泥水化反应起到积极作用，大大提高了制备所得水泥制件的抗压强度，从而实现飞灰建材化利用，是一种非常具有工程实际应用前景，成本低、低碳环保的垃圾焚烧飞灰资源化利用技术。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行后续的各种应用、补充、改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。如果基于本发明的各种应用、补充、改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些应用、补充、改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于氨基碳酸化改性联合水泥固化飞灰建材化利用的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对垃圾焚烧飞灰进行水洗，对水洗后的混合溶液进行压滤操作，分离出含水的固态水洗飞灰；
(2)向固态水洗飞灰中加入盐酸溶液，混匀并调节pH值至5～7；继续搅拌20分钟，获得酸洗飞灰悬浮溶液；
(3)将酸洗飞灰悬浮溶液与乙醇按1/9～2/3的体积比混合后，再按20％～50％的质量比例向混合溶液中添加氨水，持续搅拌得到混合溶液；
(4)以鼓泡方式向混合溶液中持续通入二氧化碳气体，30分钟后停止鼓泡并持续搅拌10分钟，获得碳化飞灰混合物；
(5)将碳化飞灰混合物离心分离，上层清液回收备用；分离所得固体经真空干燥处理，得到改性后的飞灰固体；
(6)按照1:1:2的质量比取改性后飞灰固体、固态水洗飞灰以及水泥，混合均匀；再按水灰比0.25～0.3L/kg将混合物与水混合搅拌，获得浆体混合物；
(7)将浆体混合物装模、振实后，放入恒温恒湿箱中；在温度25℃、湿度100％的条件下静置48小时，得到初步养护水泥；
(8)将初步养护水泥脱模，取出后放入养护箱中；在恒温20～25℃、湿度90～98％的条件下继续养护12天，制备得到高强度的水泥制件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，对飞灰进行水洗时，水灰的液固比为3～5:1L/kg，水洗过程中以磁力搅拌60分钟，转速为500～1000转/分钟；所述固态水洗飞灰的含水率为20％～30％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述盐酸溶液的浓度为2～3mol/L，按液固比为3:1L/kg确定其使用量；酸洗时使用磁力搅拌，转速为200～500转/分钟。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，氨水的质量浓度为25％；添加氨水后以磁力持续搅拌5分钟，转速为200转/分钟。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，鼓泡时二氧化碳的通气量为200mL/min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，离心处理时的转速为8000转/分钟，处理时间5分钟；真空干燥时控制为恒温40℃、0.08MPa真空度、8小时。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述上清液中含有乙醇、水和氨水，回收上清液后循环用于步骤(3)中混合溶液的制备。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)中，水泥选用P.O42.5普通硅酸盐水泥；水选用自来水；固态水洗飞灰是按步骤(1)所述方式经水洗和压滤获得。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(6)中，是将改性后的飞灰固体、固态水洗飞灰、水泥、水，先后加入水泥搅拌机中进行混合与搅拌，制得浆体混合物，搅拌时间至少5分钟。
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