重金属在水泥熟料煅烧和水泥水化过程中的行为研究

【摘要】： 利用水泥回转窑处理危险工业废弃物在工业发达国家已有近三十年的历史,目前已受到全球水泥行业的关注。由水泥原燃料和废弃物引入的有害重金属元素在水泥生产和应用过程中的流向成为关注的焦点。本课题是在北京市科委重大研究项目“利用水泥回转窑焚烧危险废弃物技术与应用研究”的基础上进行的.针对水泥生产实际中常见的8种重金属Cr、Pb、Hg、Co、Ni、Cd、Zn和As在水泥熟料煅烧和水泥水化过程中的行为进行了研究。 根据生产实际和理论研究需要,在实验室用工业焚烧废弃物和化学试剂分别配制水泥生料进行煅烧,模拟了利用水泥回转窑焚烧处理含重金属元素的危险工业废弃物的实验研究;对焚烧不同量废弃物制备的水泥在不同成型和不同环境下进行了重金属的浸出性实验;通过物料平衡,计算了重金属在水泥熟料和水泥水化产物中的固化率,分析了废弃物焚烧量、侵蚀性溶液、混凝土孔结构对重金属元素在水泥混凝土中浸出性的影响;并通过XRD、XPS、DTA、EPMA等分析测试手段,研究了重金属元素在水泥熟料矿物和水泥水化产物中的存在形式和分布状态,分析了重金属元素在熟料矿物中的存在价态;阐述了重金属对水泥熟料主要矿物形成和水泥水化进程的影响。探讨了重金属在水泥熟料和水泥水化产物中的固化机理。同时对利用水泥窑焚烧危险废弃物技术进行了应用研究,分析了废弃物特征,研究了工业生产中掺烧废弃物对水泥配料、工艺制度和熟料品质的影响,取得了如下的研究进展: 1.重金属元素在实验室模拟煅烧条件下的固化率分别为:Cr 83.8%;Co 86.1%;Ni 86.5%;Cu 74.3%;Zn 74.3%;Cd 88.1%;Pb 86.3%;As 89.3%,这一结果远低于其在工业熟料中的固化率,因为实验室高温炉煅烧是间歇开放式的,而工业生产是连续且闭路循环的。 2.在本研究确定的化学试剂掺烧量下,重金属元素对熟料主要矿物相没有本质的影响。熟料矿物对重金属元素的固化具有选择性:Zn集中存在于熟料的中间矿物中;As、Co、Cu和Ni大部分存在于熟料的中间矿物相中,但在C3S和C2S中也有存在;Cd和Pb则不能明显区分出主要存在于熟料的哪个主要矿物中,可以认为它们是比较均匀地分布在熟料主要矿物中。 3.通过XPS和热力学分析,8种重金属元素在水泥熟料主要矿物相中存在的主要价态分别是:Cr,+3; Co,+3;Ni,+3;Cu,+2;Zn,+2; Cd,+2; Pb,+4; As,+3。 4.不同的重金属离子在水泥中的存在形式和分布不同,铅、镍元素以化合物的形式吸附在水泥颗粒表面;铬元素参与水泥水化反应生成类似于单硫型水化硫铝酸盐结构的含铬结晶相;钴、镉元素取代水泥水化产物中的钙离子,不会使原水化产物的结构发生晶格畸变,形成了相应的含钴、镉硅酸盐结晶相和凝胶相。 5.含重金属的混凝土,由于成型方式不同和使用环境不同,重金属的浸出率也不同。研究的8种重金属在不同条件下的浸出率绝大部分都在1%以下。以中性条件下的AP3样品为例,其浸出率分别为Cr 0.107%;Co 0.026%;Ni 0.203%;Cu 0.614%;Zn 0.112%;Cd 0.274%;Pb 0.126%;As 4.822%。 6.重金属离子的浸出量因重金属离子的种类而异,与其在试块中的绝对含量无直接关系;重金属元素As、Hg在酸性条件下的浸出量呈增加的趋势,Zn、Pb在酸性条件下的浸出量反而低于其在中性条件下的浸出量,Cr、Cd、Ni、Co的浸出量不受酸性环境的影响;A模型结构更容易形成离子运输通道,重金属离子进入到外部环境中;随废弃物掺入量的增加,大部分重金属元素的固化率也随之增加。 7.确立了废弃物预处理的工艺流程,初步制定了利用水泥窑焚烧危险废弃物的技术规程,提出了混凝土中重金属浸出性实验标准建议。