CN107162549A

CN107162549A - 基于钙矾石的重金属污染场地修复的固化剂及使用方法

Info

Publication number: CN107162549A
Application number: CN201710413337.9A
Authority: CN
Inventors: 章定文; 项莲; 曹智国
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2017-06-05
Filing date: 2017-06-05
Publication date: 2017-09-15

Abstract

一种基于钙矾石的重金属污染场地修复的固化剂及使用方法，包括高铝水泥、生石灰、磷石膏，其配比(质量比)为：高铝水泥20％～50％，生石灰10～40％，磷石膏30％～60％。经本发明固化剂固化/稳定化的重金属污染土具有较好重金属固化/稳定化效果，且固化/稳定化稳定性优越。本发明固化剂固化/稳定化处理后28天重金属浸出浓度小于0.2mg/L，远低于废弃危险物标准(5mg/L)，且其90天重金属浸出浓度较28时更小。与相同用量以普通硅酸盐水泥为固化剂的固化重金属污染土相比，新型固化剂固化的固化土重金属浸出浓度降低50％以上。此外，本发明利用工业废弃物磷石膏作为原料，具有成本低廉的优点。

Description

基于钙矾石的重金属污染场地修复的固化剂及使用方法

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，是一种用于固化、稳定化重金属污染土的新型固化剂。

背景技术

美国超级基金场地修复项目统计表明，固化、稳定化技术是重金属污染场地修复最主要的技术。传统的重金属污染场地的固化、稳定化主要通过水泥等胶结材料、土体和重金属离子之间连续发生的多种复杂物理化学反应作用从而达到降低重金属离子溶出、提高土体强度等目的。土壤修复过程中最常用的固化剂为普通硅酸盐水泥。普通硅酸盐水泥固化、稳定化重金属污染物主要有以下四种机理：①水化产物对污染物的包裹作用；②水泥溶于水后形成的碱性环境促进重金属离子形成不溶性的氢氧化物等而沉淀；③各类水化产物以及土体颗粒表面对污染物的物理吸附作用；④通过水化产物与污染物的相互作用(如离子替换、络合作用等)，对污染物进行化学固定。水泥固化/稳定化重金属污染土易受到周围环境的长期物理和化学侵蚀，如二氧化碳碳化、干湿循环、冻融循环以及外界化学物质侵蚀等。固化物的孔隙率、孔隙分布特征和微观胶结状态变化，PH值和酸中和能力降低，重金属的赋存形态转化和溶解度的改变等，都会引起固化土的物理、力学和化学的稳定性的改变，重金属的浸出浓度高于安全限制。

钙矾石的分子式为3Ca·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O，它可以通过离子置换作用使铅锌等重金属成为钙矾石晶体结构的一部分从而固化稳定化重金属，从化学角度看，三价离子如Fe³⁺、Cr³⁺和Mn³⁺等能取代钙矾石中的Al³⁺离子，二价离子如Mg²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺、Co²⁺和Ni²⁺可以取代Ca²⁺，而SO₄ ^2-能被CO₃ ^2-、NO₃ ^-、SeO₄ ^2-、CrO₄ ^2-或者B(OH)₄ ^-所取代。另外，钙矾石的表面负电性可容纳或吸附较较多的外来金属离子。钙矾石具有膨胀性，土是一个松散颗粒的联合体，本身具有孔隙，利用养护条件(温度、湿度、PH值等)的不同，控制并利用钙矾石的膨胀性，可以有效的减小土的孔隙率，降低重金属的浸出浓度。

钙矾石是分步形成的，参与形成钙矾石反应的各离子依次为AlO₂ ^-、Ca²⁺、SO₄ ^2-。AlO₂ ^-含量不仅是形成钙矾石的先决条件，且决定了钙矾石的形成速度。Ca²⁺浓度是影响钙矾石形成的主要因素，且会影响钙矾石的生成形态。仅仅提供硫酸根离子的硫酸盐对钙矾石的形成没有促进作用，但液相中维持一定量的SO₄ ^2-是钙矾石稳定存在的重要条件。当溶液中SO₄ ^2-含量不足时，钙矾石将向单硫型硫铝酸钙(3Ca·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O)转化，但钙矾石向单硫型硫铝酸钙转变的速度十分缓慢，因此钙矾石具有较好的长期稳定性。固化剂中铝((铁)相含量是影响钙矾石长期稳定性的重要因素之一，当体系中SO₄ ^2-与铝(铁)相摩尔比小于0.42时，其稳定性明显下降。

高铝水泥、生石灰和磷石膏可以提供相应离子反应生成钙矾石。其中磷石膏是生产磷肥、磷酸时排放出的固体废弃物，每生产1t磷酸约产生4.5-5t磷石膏。磷石膏主要成分为二水石膏(CaSO₄·2H₂O)，还含少量磷酸、硅、镁、铁、铝、有机杂质等。堆放磷石膏不仅占用了大量土地，而且造成环境污染。因此有必要寻求磷石膏的合理利用途径，以实现磷肥工业的可持续发展和磷石膏的高度利用。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于钙矾石的重金属污染场地修复的固化剂及使用方法，用于固化污染场地中的重金属离子。本发明能够提高重金属的固化率，降低外界环境对固化土的影响，并利用钙矾石的膨胀填充效应，提高固化土的物理力学特性。

技术方案：本发明的一种基于钙矾石的重金属污染场地修复的固化剂由生石灰、高铝水泥和磷石膏组成，其配比(质量比)为：高铝水泥20％～50％，生石灰10～40％，磷石膏30％～60％。

发明人通过试验发现，配比(质量比)存在一个最佳范围，即高铝水泥占20％～50％，生石灰占10～40％，磷石膏占30％～60％时，固化/稳定化效果最优，重金属溶出最少。在该配比范围内，重金属溶出低于使用硅酸盐系水泥固化/稳定化的固化土。

原位施工办法：原位施工可采用原位搅拌法。根据地质条件，将重金属污染场地修复使用的固化剂采用专业设备将其与现场土体原位搅拌，形成桩体，进而实现重金属污染场地的固化处治。水泥土搅拌法分为浆液深层搅拌法(简称湿法)和粉体喷搅法(简称干法)，采用重金属污染场地修复的固化剂作为浆液或粉体原料，利用专业的深层搅拌机深入地基将地基土和固化剂搅拌均匀，固化剂会和土壤发生化学反应，固化、稳定化重金属。粉体喷射法和浆液深层搅拌法相比，在土质搅拌过程中，固化剂会吸收土体中的大量水分，减低土体含水率结，因此不同含水量和承载力要求的地基可选择不同的处理办法。

异位施工办法：将需要修复的土层开挖，与重金属污染场地修复的固化剂搅拌均匀，压实，然后将该土体原位回填，也可用于其他方面，如建筑材料，在土木工程中加高堤坝等。

有益效果：发明人经过试验发现，适当的铝、钙、硫含量反应可以生成大量钙矾石，钙矾石对重金属有良好的固化、稳定化效果。适量钙矾石不仅可以通过置换、吸附等作用有效固化、稳定化重金属离子，而且钙矾石具有的膨胀性可以减小土体孔隙，进一步降低重金属溶出。

具体实施方式

本发明所述的固化剂由生石灰、高铝水泥和磷石膏组成，配比(质量比)为：高铝水泥占20％～50％，生石灰占10～40％，磷石膏占30％～60％。采用所需要处理的土体进行几组室内配合比试验，确定最优配比。用本发明固化重金属污染土时，根据具体工程重金属污染浓度和处理目标需要，固化剂掺入量(固化剂质量与干土质量的比值)可取5％～30％。

试验例1

本实施例中，某典型重金属污染场地土，土样液限为37.2％，塑性指数为11.8，依据《土的工程分类标准》(GB/T 50145-2007)，该土样定名为粉质黏土，重金属浓度(Pb质量与干土质量之比)约为5000mg/kg，试样含水率为24％。固化剂取不同配比的高铝水泥、生石灰、磷石膏组合而成，固化剂总掺量为干土质量的15％。根据不同配比，配制不同固化剂，将搅拌均匀的固化污染土压入直径50mm，高度100mm的模具中。试样制好后脱模、密封，送入标准养护室，在温度20±2℃，相对湿度在95％以上的环境中养护28天和90天。根据规范HJ/T300-2007方法，测试试样的重金属浸出浓度。同一配比制作三个平行试样，取其浓度平均值作为测试结果。

实施例1

一种基于钙矾石的重金属污染场地修复的固化剂，固化剂由高铝水泥、生石灰、磷石膏组成，其中高铝水泥质量变化范围为0％～70％，生石灰质量变化范围为0％～50％，磷石膏质量变化范围为20％～70％，固化剂掺入量占干土质量的15％。处治后，检测结果表明，处理后28天重金属浸出浓度小于0.2mg/L，远低于废弃危险物标准(5mg/L)，且其90天重金属浸出浓度较28时更小。与相同用量以普通硅酸盐水泥为固化剂的固化重金属污染土相比，新型固化剂固化的固化土重金属浸出浓度降低50％以上。重金属的浸出浓度与高铝水泥、生石灰、磷石膏的质量比有关，当生石灰与高铝水泥质量比由35％增加到70％时，重金属浸出浓度降低幅度呈现先显著降低后逐渐减小的趋势。当磷石膏与高铝水泥的质量比大于75％时，90天龄期时重金属的浸出浓度小于28天时重金属的浸出浓度，表明钙矾石具有较好的稳定性。

Claims

1.一种基于钙矾石的重金属污染场地修复的固化剂，其特征在于该固化剂包括高铝水泥、生石灰、磷石膏，按照质量比的组成为：

高铝水泥 20％～50％，

生石灰 10～40％，

磷石膏 30％～60％。

2.一种如权利要求1所述的基于钙矾石的重金属污染场地修复的固化剂的使用方法，其特征在于采用原位施工方法或异位施工办法，根据地质条件，将重金属污染场地修复使用的固化剂与现场土体原位搅拌，形成桩体，进而实现重金属污染场地的固化处治，所述原位施工方法步骤为：确定成桩位置，利用深层搅拌桩机械将配制好的所述固化剂喷入土体，并通过搅拌叶片将所述固化剂与土体搅拌均匀，直至设计处治深度。

3.如权利要求2所述的基于钙矾石的重金属污染场地修复的固化剂的使用方法，其特征在于所述原位搅拌分为浆液深层搅拌法简称湿法和粉体喷搅法简称干法，采用重金属污染场地修复的固化剂作为浆液，利用深层搅拌机深入地基将地基土与固化剂搅拌均匀，所述固化剂会与土壤发生化学反应，固化、稳定化重金属。

4.如权利要求2所述的基于钙矾石的重金属污染场地修复的固化剂的使用方法，其特征在于所述原位搅拌分为浆液深层搅拌法简称湿法和粉体喷搅法简称干法，采用重金属污染场地修复的固化剂作为粉体原料，利用深层搅拌机深入地基将地基土与固化剂搅拌均匀，所述固化剂会和土壤发生化学反应，固化、稳定化重金属。

5.如权利要求2所述的基于钙矾石的重金属污染场地修复的固化剂的使用方法，其特征在于所述异位施工办法是：将需要修复的土层开挖，与重金属污染场地修复的固化剂搅拌均匀，然后将该土体原位回填，压实。