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電鍍污泥基膠凝材料的制備及性質分析

發布日期:2019-07-31 23:14:01   瀏覽次數:314
電鍍業是當今三大污染行業之一。電鍍污泥是指電鍍企業的廢水經過適當處理后所產生的固體廢棄物,是典型的危險廢物。2014年,江蘇

電鍍業是當今三大污染行業之一。電鍍污泥是指電鍍企業的廢水經過適當處理后所產生的固體廢棄物,是典型的危險廢物。2014年,江蘇省共有產電鍍污泥的企業1532家,電鍍污泥產生量從2009年的不到8萬t/a增長到2014年的近16萬t/a。電鍍行業為江蘇省經濟飛速增長作出了重要貢獻,同時也帶來了突出的環境問題,如電鍍污泥處置問題。江蘇省范圍內的電鍍企業呈現數量多、分布散、產品雜的特點,監管難度大,存在偷排漏排等各類問題。同時其產生的污泥重金屬含量高,其主要成分為鉻、鎳、銅等重金屬的氫氧化物,對環境容易造成巨大危害。毒性較強的電鍍污泥,現階段的處置方法主要為焚燒加填埋對其進行最終處置,資源化利用的案例較少。工業固體廢物處置方面的難題一直制約著經濟的發展和環境的保護, 如何實現電鍍污泥的資源化與無害化處置,實現“以 廢治廢”,顯得尤為重要。


水泥與電鍍污泥進行混合,可以制備出復合型膠凝材料。本研究將電鍍污泥作為混合材料摻到水泥中,部分取代水泥熟料制備電鍍污泥基膠凝材料,探究電鍍污泥對水泥各項性能的影響。水泥可以對電鍍污泥中的重金屬起到固化作用,在水泥對電鍍污泥中重金屬起到固化作用的前提下,將電鍍污泥與水泥熟料混合制備膠凝材料可以實現電鍍污泥的無害化和資源化,雖然電鍍污泥的摻量不大,但從長遠角度和工業化生產角度分析,具有一定的經濟效益和環境效益,實現了污泥的無害化處置和資源化利用,開辟了電鍍污泥資源化的新途徑。同時,為水泥工業碳減排問題的解決提供新的思路,為解決電鍍行業污泥處置難題進行了初步探索。


一、 試驗材料與方法


1、試驗原料


水泥為江南水泥廠提供的Ⅱ型硅酸鹽水泥;電鍍污泥取自江蘇省蘇州市某工業園區危廢處置中心。電鍍污泥與水泥的成分分析見表1。


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2、膠凝材料制備


將電鍍污泥在105℃下烘干12h后粉碎,過100目篩。由前期探索試驗得知,當電鍍污泥的摻量超過3.0%(質量分數,下同)時,膠凝材料試樣成型后不能順利拆模。所以本試驗擬定電鍍污泥的摻量為0、0.5%、1.5%、2.5%。按以上的混料方案分別稱取水泥與電鍍污泥,混合后加入等質量的混料球,在棍磨機上混12h,保證充分混勻。混合均勻后制成膠凝材料試樣,并對4種試樣進行物理性能和微觀性能測試。


3、性能檢測方法


物理性能測試膠凝材料試樣的標準稠度用水量、凝結時間測定參照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢 驗方法》(GB/T1346-2011)進行。膠凝材料的膠砂強度試驗參照《水泥膠砂強度檢測方法》(GB/T17671-1999)進行。膠砂流動度試驗參照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T2419-2005)進行。


微觀性能測試水化熱測試:使用TAMAir8通道水泥水化熱測定儀測定各試樣至少70h的膠凝材料水化放熱行為。


累積孔體積測定利用PoreMasterGT60壓汞儀對膠凝材料試樣水化3d的累積孔體積進行測試。


重金屬浸出毒性 檢測根據《固體廢物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(GB/T299-2007)對各膠凝材料進行重金屬浸出,采用PE5300DV電感耦合等離子直讀光譜儀測定浸出液的重金屬濃度。


二、結果與討論


1、膠凝材料的物理性能


各試樣的物理性能測試結果如表2所示。由表2可知,摻入電鍍污泥增大了膠凝材料的標準稠度 用水量。當電鍍污泥摻量增加到2.5%時,膠凝材料的標準稠度用水量相比摻量為0時增加了22.29%。電鍍污泥的加入,使得混料中的礦物組分變得更復雜,試樣的標準稠度用水量變大。膠凝材 料的標準稠度用水量與水泥熟料里含有的礦物組成及混料的種類有很大的關系。HASSANI等研究水泥固化含有重金屬的土壤時發現,含有重金屬的土壤顯著降低了水泥的早期強度,水化28d后的強度僅為45.0MPa。



電鍍污泥的摻入對膠凝材料的凝結時間存在明顯影響。由表2可見,試樣的初凝、終凝時間隨著電 鍍污泥摻量的增加逐漸增加。當電鍍污泥摻量達到2.5%時,其初凝、終凝時間分別為292、365min,均達到最大值,但此時依然滿足《通用硅酸鹽水泥》( GB175-2007)中規定的初凝時間不小于45min,終凝時間不大于390min的要求。電鍍污泥和硅酸 鹽水泥復配,初凝、終凝時間隨著電鍍污泥摻量的增 加逐漸增加,這說明了電鍍污泥的加入使得早期水 化相互排斥。GB175—2007明確指出,對復合硅酸鹽水泥的 強度而言:水化3d≥19.0MPa,水化28d≥42.5MPa時,水泥的強度等級為42.5R級;水化3d≥23.0MPa,水化28d≥52.5MPa時,水泥的強度等 級為52.5級。本試驗中各膠凝材料的膠砂強度如表3所示。




由表3可知,電鍍污泥摻量為0.5%時,膠凝材料試樣強度符合GB175-2007中規定的52.5R級水泥標準;電鍍污泥摻量為1.5%、2.5%時,膠凝材料試樣強度符合GB175-2007中規定的42.5R級水泥標準。從相同齡期的強度來看,隨著電鍍污泥摻量的不斷增加,其強度大體呈降低趨勢,但降低后仍可達到42.5R的強度等級。


2、膠凝材料的微觀分析


水化熱分析 圖1、圖2分別為摻入不同摻量電鍍污泥的膠 凝材料72h內的水化放熱速率及累積放熱量。圖1的早期水化溶解峰主要是鈣礬石、游離氧化鈣、硫酸鹽沉淀引起的放熱。放熱主峰主要是由水泥中硅酸三鈣的水化放熱引起的。由圖2可以看出,摻量為0時72h內的累積放熱量為275.4J/g,而摻量為2.5%時的放熱量則降低到255.7J/g,體系的累積放熱量隨著電鍍污泥的摻量增加而減小。電鍍污泥的加入會降低膠凝材料試樣的放熱總量。



累積孔體積分析圖3為膠凝材料試樣的累積孔體積分布曲線。由圖3可知,隨著電鍍污泥摻量的增加,膠凝材料試樣的累積孔體積逐漸增加。當電鍍污泥摻量為2.5%時,膠凝材料試樣的累積孔體積相比摻量為0時增加了86.7%。電鍍污泥加入增加了試樣內孔體積,而這些孔的存在不利于試樣強度的增加,這與強度測試所得的趨勢是一致的。




重金屬浸出毒性分析 污泥中的重金屬元素能否固化在水泥中是污泥能否用來制備膠凝材料的決定性因素之一,如果污泥中含有的重金屬元素不能固化在水泥中,在自然環境下易被浸出,將會對環境產生危害,并且對人類健康帶來威脅,這將對利用電鍍污泥制備膠凝材料產生極大限制。




對電鍍污泥摻量為2.5%的膠凝材料水化28d后的試樣和污泥原樣進行浸出分析,重金屬浸出結果如表4所示。由表4可知,電鍍污泥摻量達到 2.5%時的膠凝材料其重金屬浸出濃度均滿足GB5085.3-2007的要求。由于電鍍污泥摻量較小且 膠凝材料對電鍍污泥中重金屬起到一定固化作用,在摻量相對較低的情況下,此膠凝材料中的重金屬在實際應用中不易被浸出。


三、主要結論與建議


1、物理測試結果表明,膠凝材料的標準稠度用水量、凝結時間隨著電鍍污泥摻量的增加而增加。摻量為2.5%時,膠凝材料的標準稠度用水量相比 摻量為0時增加了22.29%,凝結時間達到最大,初凝時間為292min,終凝時間為365min。強度隨著 電鍍污泥摻量的增加而大致呈降低趨勢。摻量為2.5%時,強度達到最小值。


2、水化熱分析表明,隨著電鍍污泥摻量的增加,累積放熱量降低。累積孔體積測試表明,電鍍污 泥的摻入增大了膠凝材料試樣內孔體積。


3、重金屬浸出毒性分析表明,電鍍污泥摻量 達到2.5%時制備的膠凝材料其重金屬浸出濃度均 滿足GB5085.3-2007要求。

 
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