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矿渣微晶玻璃中重金属铬固化效果及其对析晶影响的研究

张宇轩  
【摘要】:固体废弃物的堆积不仅占用了大量的土地,而且造成了严重的矿产资源浪费。并且工业固体废弃物中含有的重金属元素,对生态环境的安全与人类的健康造成了严重的威胁。因此对固体废弃物资源化利用并且对重金属元素进行固化解毒是一个亟待解决的问题。固体废弃物中含有的Si、Ca、Mg、Al氧化物是微晶玻璃的基础成分,重金属元素往往能够作为析晶过程中的晶核剂。因此,以固体废弃物为主要原料制备矿渣微晶玻璃是一种有效的资源化固体废弃物的手段。本文以粉煤灰、不锈钢渣与石英砂为主要原料,添加适量的化学纯试剂制备得到CaO-MgO-Al_2O_3-SiO_2(CMAS)系矿渣微晶玻璃。不锈钢渣中重金属铬在矿渣微晶玻璃制备过程中的析晶机理不仅是一个重要的学术问题,而且有利于样品的结构、性能和对重金属铬固化效果的研究。采用差示扫描量热法(DSC)、X射线(XRD)与拉曼光谱(Raman)对矿渣微晶玻璃的晶体种类与析晶机理进行研究;采用场发射扫描电子显微镜(FEGSEM)以及与之配套的能量色散X射线光谱仪(EDS)、电子背散射衍射(EBSD)分析其显微结构及微区成分以及次晶相尖晶石与主晶相透辉石之间的关系;通过综合力学性能仪、硬度仪等测试手段测试了微晶玻璃的物理性能。结果表明:微晶玻璃的析晶温度随着不锈钢渣添加量增大不断降低,这是由于重金属铬对硅氧网络中的硅、铝反极化使聚合程度降低,促进分相从而促进析晶。制备的矿渣微晶玻璃的主晶相为辉石相,并随着不锈钢渣的添加,样品中析出次晶相镁铝铬尖晶石。由于存在{111}_(spinel)∥{200}_(diopside)的位向关系,并且存在尖晶石的地方透辉石环绕生长,所以可以推断出尖晶石能够诱导透辉石的析出。另外晶体由较大的树枝晶向较小的颗粒晶转变,晶粒被明显细化。微晶玻璃的密度、析晶度、抗折强度以及硬度随不锈钢添加量的不断增加。添加10wt.%不锈钢渣时,其抗折强度最优为222.9MPa,而维氏硬度较低为717.36HV0.3,结晶度为7.30%。添加15wt.%不锈钢渣时其硬度最优为729.27HV0.3,抗折强度为204.7,结晶度为8.13%。不锈钢渣中含有重金属铬,属于危险固废。在自然环境下易发生变价、迁移,渗透到地下水中。因此对不锈钢渣的二次利用需要研究重金属铬的是否能在矿渣微晶玻璃中稳定存在。本文采用毒性浸出试验并在酸性环境下对矿渣微晶玻璃的固化效果进行研究,并对固化效果进行量化。研究结果表明:矿渣微晶玻璃能够对重金属铬起到很好的固化效果。在TCLP实验中,18h时重金属铬的最大析出量仅为0.001ppm远低于标准要求的5ppm。在5%的硝酸环境下浸出336h之后,99.999%以上的铬稳定存在微晶玻璃中。


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