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Cr、Cd、Pb在硅酸盐/硫铝酸盐水泥浆体中的固化

王文鑫  
【摘要】:水泥窑协同处置生活垃圾和危险废弃物技术运用越来越广泛,其中城市生活垃圾废弃物中重金属在水泥应用过程中的流向已成为关注的焦点。本课题针对生活垃圾较为常见的3种重金属Cr、Cd和Pb在不同水泥体系水化过程中固化行为进行研究。在硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥以及混掺水泥(普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥按照一定比例混合)三种水泥净浆体系掺入重金属离子Cr~(3+)、Cd~(2+)和Pb~(2+),利用XRD、量热仪、ICP、AAS、SEM-EDS等测试手段研究了重金属离子对上述三种水泥水化历程、水化产物特征、水泥石结构、硬化体力学性能的影响,研究了重金属离子在不同水泥浆体中的固溶和浸出特性。在不同水泥体系中掺入重金属,水泥能有效地固化重金属Cr~(3+)和Cd~(2+),其中Cr~(3+)和Cd~(2+)在普通硅酸盐水泥中固化效果最好,混掺水泥次之。重金属Pb~(2+)在不同水泥中固化效果不同,其中硫铝酸盐水泥固化Pb~(2+)最好,而普通硅酸盐水泥固化效果最差。Cr~(3+)和Cd~(2+)对普通硅酸盐水泥、混掺水泥以及硫铝酸盐水泥产生促凝作用,而Pb~(2+)对普通硅酸盐水泥和混掺水泥产生缓凝作用,对硫铝酸盐水泥产生促凝作用。Pb~(2+)在普通硅酸盐水泥水化早期会生成铅氢氧化物,覆盖在水泥熟料表面,阻碍水化进行。在硫铝酸盐水泥中加入Cr~(3+),产生的Cr-O八面体与Al-O八面体发生竞争反应,NO_3~-和SO_4~(2-)也会形成竞争反应。在硫铝酸盐水泥加入Cd~(2+)和Pb~(2+)也能促进C_4A_3S水化,水化产物中AFt含量增多。利用酸性浸出液对掺重金属的C-S-H凝胶浸出。随着Cr~(3+)含量的增多,C-S-H凝胶的脱钙反应加快,氢质子会先对Q~1脱钙形成Q~2,甚至生成大量三维网络状Q~3和Q~4,最终导致C-S-H凝胶变得更加无定形甚至生成三维网络状的硅胶状。Cr~(3+)在C-S-H凝胶中生成的Cr(OH)_3·3H_2O会受到侵蚀,而固溶在C-S-H凝胶链中的Cr~(3+)受到影响较小。Cd~(2+)在酸性浸出液的侵蚀下从C-S-H凝胶中溶出,减弱C-S-H凝胶钙氧层中原子间的作用力,反向增大层间结构原子间作用力,从而减小C-S-H凝胶层间距。Cd~(2+)在C-S-H凝胶中生成的CaCd(OH)_4会受到轻微侵蚀,固溶在C-S-H凝胶链中的Cd~(2+)受到影响较小,因为Cd~(2+)与Ca~(2+)半径相近,Cd~(2+)对Si-O键的削弱有限,氢质子对C-S-H凝胶影响较弱。Pb~(2+)在C-S-H凝胶中生成的Pb_(13)O_8(OH)_6(NO_3)_4,容易受到氢质子的侵蚀,而固化在C-S-H凝胶链中的Pb~(2+),会与硅氧四面体产生键能连接,能稳定固化在C-S-H凝胶中。


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