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摘要:以鋼渣、礦渣和脫硫石膏為原料制備膠凝材料，研究了鉛離子濃度和養(yǎng)護(hù)工藝對(duì)膠凝材料固鉛效果的影響，并利用XRD和SEM對(duì)固鉛膠凝材料的水化產(chǎn)物進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，冶金渣膠凝材料相對(duì)于水泥具有更高的固鉛效率。冶金渣膠凝材料水化產(chǎn)物中存在的多種協(xié)同作用是其固鉛效率顯著高于水泥的重要原因。

關(guān)鍵詞:冶金渣;膠凝材料;水泥;固化;協(xié)同

重金屬污染指由重金屬元素和它的化合物對(duì)環(huán)境造成的污染問題。隨著礦冶行業(yè)的快速發(fā)展，鉛金屬已成為國(guó)內(nèi)外有色金屬開發(fā)和利用的重要污染物之一［1－4］。目前，水泥是最常用的鉛污染治理固化劑。Thevennin等［5］認(rèn)為，水泥基材料水化時(shí)生成的C－S－H中Ca可被Pb取代，并進(jìn)入C－S－H結(jié)構(gòu)中與Ca、Si發(fā)生鍵接，能穩(wěn)定固化在水化產(chǎn)物中。王向陽［6］進(jìn)行了水泥固鉛污染土化學(xué)穩(wěn)定性的氯鹽侵蝕作用研究，結(jié)果表明，含侵蝕性鹽離子(SO42－、Cl－等)的地下水環(huán)境可能會(huì)改變水泥固化污染土中重金屬離子的溶出特性。劉兆鵬［7］的研究表明，增加水泥摻量有助于提升鉛的固化效果。藍(lán)俊康等［8］證實(shí)，水化液相中有SO42－存在時(shí)，Pb2+可進(jìn)入鈣礬石晶格，形成Ca－Pb鈣礬石{(Ca，Pb)6［Al(OH)6］2•3SO4•26H2O}，使得鈣礬石晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變異。但是，水泥固化存在固化體增容比大、滲出率偏高、固化率低等問題，同時(shí)生產(chǎn)成本高，阻礙了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。因此有必要研究新型的膠凝材料，以促進(jìn)重金屬污染治理行業(yè)的發(fā)展。本文將利用鋼渣、礦渣等冶金行業(yè)固廢為原料制備膠凝材料，研究其協(xié)同水化反應(yīng)過程中的固鉛性能。

1試驗(yàn)原料及研究方法

1．1試驗(yàn)原料鋼渣:選用由某鋼鐵提供的熱潑法鋼渣，其XRD圖譜如圖1，鋼渣中含有較多的玻璃相，同時(shí)由于RO相的存在，使得其活性較低。礦渣:采用高爐水淬礦渣，其XRD圖譜見圖2，從圖2中可以看出，礦渣主要物相為鈣鋁黃長(zhǎng)石。硝酸鉛:化學(xué)純。水泥:P•I32．5硅酸鹽水泥。

1．2研究方法(1)膠凝材料的制備:將破碎后的鋼渣采用球磨機(jī)進(jìn)行粉磨，試驗(yàn)中所用的球磨機(jī)為SMΦ500×500試驗(yàn)?zāi)ァ撛⒌V渣、石膏分別粉磨至比表面積為560、580、640m2/kg，將鋼渣、礦渣、石膏按比例混合制備鋼渣－礦渣基膠凝材料(簡(jiǎn)稱“膠凝材料”)。(2)膠凝材料固鉛性能研究:將Pb(NO3)2配制成Pb2+質(zhì)量濃度分別為0．1%、0．3%、0．5%的Pb(NO3)2溶液，水膠比0．20，與膠凝材料混合均勻，制備出含鉛凈漿試樣，分別研究離子濃度和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)固鉛效率的影響。同時(shí)利用P•I32．5水泥制備固鉛試樣作為對(duì)照。在養(yǎng)護(hù)齡期為3d、7d和28d時(shí)分別取樣，參照HJ557—2009《固體廢物浸出毒性方法———水平振蕩法》，對(duì)含鉛凈漿試樣進(jìn)行浸出試驗(yàn)，浸出液中Pb2+的濃度按照GB5085．3—2007《浸出毒性鑒別標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，采用電感耦合等離子體光譜儀測(cè)定Pb2+濃度，研究膠凝材料的固鉛效果。(3)膠凝材料協(xié)同固鉛機(jī)理研究:按照(2)所述方法制備凈漿試樣，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，利用XRD和SEM對(duì)膠凝材料的水化機(jī)理進(jìn)行分析。

2結(jié)果分析與討論

2．1離子濃度對(duì)膠凝材料固鉛效率的影響不同齡期膠凝材料的固鉛試樣浸出結(jié)果見表2所示。 從表2中水泥試樣鉛離子濃度浸出結(jié)果來看，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，鉛離子浸出濃度逐漸變小，這表明，隨著水化反應(yīng)的深入，水化產(chǎn)物數(shù)量逐漸增多，鉛離子更容易被固定到水化產(chǎn)物之中。從表2可以看出，在相同齡期時(shí)，膠凝材料試樣對(duì)鉛的固化作用要明顯優(yōu)于水泥，膠凝材料固化樣品3、7、28d齡期鉛浸出質(zhì)量濃度均低于地下水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)0．05mg•L－1。而相同齡期時(shí)，水泥試樣的鉛離子浸出濃度明顯偏高。水泥試樣只有到28d齡期以后，摻入低濃度含鉛溶液試樣的浸出濃度低于地下水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。膠凝材料相比水泥有更好的固鉛效率，這可能與膠凝材料水化產(chǎn)物中鈣礬石和沸石相較多有關(guān)。有研究結(jié)果表明，鉛離子能夠進(jìn)入到鈣礬石和沸石相的晶體結(jié)構(gòu)中，從而被固化［8］。

2．2高溫養(yǎng)護(hù)條件下膠凝材料固鉛試樣的浸出濃度由于丹江流域常年室外溫度大多時(shí)候都在30℃左右，因此，本節(jié)對(duì)試樣進(jìn)行30℃養(yǎng)護(hù)，研究高溫養(yǎng)護(hù)條件下膠凝材料的固鉛效率。高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)膠凝材料固鉛試樣的浸出結(jié)果見表3。從表3可以看出，高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)，膠凝材料固鉛試樣各個(gè)齡期的浸出結(jié)果均低于地下水環(huán)境質(zhì)量Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)0．05mg•L－1的要求。水泥固鉛試樣各個(gè)齡期的浸出濃度要明顯低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)時(shí)的濃度。30℃養(yǎng)護(hù)下水泥試樣28d齡期的鉛離子浸出濃度較3d和7d齡期降低的幅度更大，使得水泥試樣28d齡期的鉛離子浸出濃度大幅降低，可見利用水泥固化穩(wěn)定化鉛離子更適合在30℃下進(jìn)行［9］。

2．3固鉛試樣的XRD分析圖3和圖4分別為冶金渣膠凝材料和水泥固鉛試樣的XRD圖譜。其中A0和B0分別代表未摻入含鉛溶液的試樣。從圖3可以看出，膠凝材料水化產(chǎn)物中主要鈣礬石(AFt)和未參與水化反應(yīng)的C3S和石膏(CaSO4•2H2O)。與圖3相比，圖3和圖4最大的差異在于水泥試樣水化產(chǎn)物中含有較為明顯的羥鈣石［Ca(OH)］衍射峰，而鋼渣－礦渣基膠凝材料試樣的水化產(chǎn)物XRD圖譜中僅有鈣礬石(AFt)的衍射峰。但是，鋼渣－礦渣基膠凝材料試樣中AFt的衍射峰要明顯多于水泥試樣。從圖3中還可以看出，與A0相比，固鉛試樣在26．61°、30．98°處的衍射峰強(qiáng)度變?nèi)酰逍伟l(fā)生微小改變，表明AFt的結(jié)晶度變差，主要是因?yàn)殂U離子的加入抑制了膠凝材料水化反應(yīng)的進(jìn)行，同時(shí)還有部分鉛離子進(jìn)入到水化產(chǎn)物內(nèi)部導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生變異所致［9］。

2．4含鉛試樣的SEM照片圖5為冶金渣膠凝材料固鉛試樣和水泥固鉛試樣28d齡期時(shí)的SEM照片。從圖5中可以看出，在28d齡期時(shí)，膠凝材料固鉛試樣和水泥固鉛試樣均生成了C－S－H凝膠和AFt晶體，但是形貌和數(shù)量上略有不同。圖5(b)水泥試樣水化產(chǎn)物主要是呈六方板狀的羥鈣石和C－S－H凝膠，僅有少量鈣礬石存在于孔洞當(dāng)中，另外，試樣中裂紋縱橫分布，結(jié)構(gòu)相對(duì)松散;而圖5(a)礦渣－鋼渣基試樣水化產(chǎn)物主要是針狀鈣礬石穿插在團(tuán)聚狀C－S－H凝膠當(dāng)中，形成致密的結(jié)構(gòu)。這也可能是礦渣－鋼渣基膠凝材料比水泥固化鉛效果好的原因之一。

2．5冶金渣膠凝材料的固鉛機(jī)理在鋼渣－礦渣為核心原料制備的冶金渣膠凝材料體系中，由于鋼渣中的金屬氧化物(CaO+MgO+FeO)的含量極高，在大量鋼渣摻入以后，會(huì)顯著增加膠凝體系的pH值，體系堿度的增加，有助于促進(jìn)礦渣的進(jìn)一步水解。鋼渣中二價(jià)金屬氧化物既是激發(fā)礦渣形成C－S－H凝膠的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是在石膏的參與下奪取礦渣中的Al2O3和Fe2O3形成含鐵鈣礬石類復(fù)鹽的物質(zhì)基礎(chǔ)。礦渣中具有潛在水硬活性的硅(鋁)氧四面體較多，是水泥熟料的2～3倍，而且礦渣中(SiO2+Al2O3)/(CaO+MgO)的摩爾比在0．9以上。礦渣的大量解離，又會(huì)吸收體系中的Ca2+，促進(jìn)鋼渣的解離。在鋼渣和脫離石膏的協(xié)同激發(fā)作用下，礦渣中更多的硅氧四面體和鋁氧四面體解離出來，生成更多的C－S－H凝膠和AFt，使得有更多的鉛離子被固化［10］。另一方面，鋼渣和脫硫石膏所提供的Ca2+、OH－和SO42－促進(jìn)了含鉛鈣礬石類復(fù)鹽礦物的形成，使得部分鉛離子以類質(zhì)同像置換的方式進(jìn)入到晶格內(nèi)部，從而更多地被固化［11］。有研究結(jié)果表明，C－S－H凝膠對(duì)Pb2+有吸附作用，對(duì)于摻雜Pb2+的C－S－H凝膠，可能發(fā)生如式(1)和式(2)所示［8］:另外，鉛離子還可能以類質(zhì)同相的形式進(jìn)入到鈣礬石和沸石相的晶體結(jié)構(gòu)之中。膠凝材料水化反應(yīng)過程中生成的C－S－H凝膠的吸附作用，Pb2+以類質(zhì)同相進(jìn)入AFt和含鐵鈣礬石類復(fù)鹽結(jié)構(gòu)內(nèi)部等的協(xié)同作用，使得Pb2+能夠很好地被固化。

3結(jié)論

(1)冶金渣膠凝材料相對(duì)于水泥具有更高的固鉛效率。離子濃度和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)膠凝材料固鉛效率影響不大，但是較高溫度養(yǎng)護(hù)能夠有效提高水泥后期的固鉛效率。(2)膠凝材料水化生成的C－S－H凝膠對(duì)Pb2+的吸附作用，Pb2+以類質(zhì)同相進(jìn)入AFt和復(fù)鹽結(jié)構(gòu)內(nèi)部等的協(xié)同作用，是其固鉛效率顯著高于水泥的重要原因。(3)利用冶金渣膠凝材料固化重金屬具有重要價(jià)值，有待進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn):

［1］侯艷偉，安增莉，方青松．城市土壤重金屬鉛污染研究現(xiàn)狀［J］．環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2011，30(1):58－62．

［2］林星杰．鉛冶煉行業(yè)重金屬污染現(xiàn)狀及防治對(duì)策［J］．有色金屬工程，2011，1(6):23－27．

［3］房增強(qiáng)．鉛鋅礦區(qū)土壤重金屬污染特征及穩(wěn)定化研究［D］．北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)，2016．

［4］杜延軍，譚鐘楊．水泥固化處理重金屬污染土的研究進(jìn)展［C］．第十屆全國(guó)地基處理學(xué)術(shù)討論會(huì)，南京:東南大學(xué)出版社，2008:185－187．

［6］王向陽，劉晶晶，查甫生，等．氯鹽侵蝕作用對(duì)水泥固化鉛污染土化學(xué)穩(wěn)定性的影響［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，46(S1):169－173．

［7］劉兆鵬，杜延軍．水泥固化鉛污染粘土的pH－Dependent試驗(yàn)研究［J］．南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，11(4):47－51．

［8］藍(lán)俊康，丁剴，吳孟．鈣礬石對(duì)Pd(II)的化學(xué)俘獲［J］．桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，29(4):531－533．

［9］閻愛云，倪文，黃曉燕，等．膏體充填用礦渣———鋼渣基膠結(jié)劑協(xié)同固化Pb2+［J］．工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38(7):899－905．

［10］崔孝煒，倪文，任超．鋼渣礦渣基全固廢膠凝材料的水化反應(yīng)機(jī)理［J］．材料研究學(xué)報(bào)，2017，31(9):687－694．

［11］吳貝．鈣礬石對(duì)重金屬的固化及穩(wěn)定性研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2011．

作者：狄燕清 冷欣燕 南寧 劉璇 周春生 單位：商洛學(xué)院