申請日2017.09.26
公開(公告)日2017.12.22
IPC分類號C04B7/28
摘要
本發明屬于資源與環境領域，具體涉及一種通過制備地質聚合物實現污泥焚燒殘渣中重金屬高效固定的方法。本發明通過調配不同污泥焚燒殘渣與凝膠材料偏高嶺土的比例獲得了可實現重金屬高效固化的最佳污泥焚燒殘渣添加量(≤10%)，采用本發明的固化方法，Cu、Zn的最優固化率達到了95%;Cr、Ni、Pb的固化率均在90%以上。可為污泥焚燒殘渣中重金屬的高效固化提供技術支持，為污泥焚燒殘渣的資源化利用提供基礎。
權利要求書
1.一種通過制備地質聚合物實現污泥焚燒殘渣中重金屬高效固定的方法，其特征在于，包括：以偏高嶺土為凝膠材料、以水玻璃為堿激發劑，污泥焚燒殘渣與凝膠材料的質量比為5%：95%-10%：90%，水玻璃量與偏高嶺土和殘渣的混合物料的質量比變化范圍為0.77-0.9，制備地質聚合物，水玻璃模數變化范圍為1.1-1.4。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述污泥焚燒殘渣的獲得工藝為：采用干化焚燒工藝對污泥進行了綜合處理，焚燒溫度為800℃，污泥焚燒殘渣是干污泥焚燒后殘留在焚燒爐中的無菌、無臭的無機物礦化渣，約占原污泥的10%。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述偏高嶺土(Metaokin，下文簡稱MK)是以高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O-AS2H2)為原料在在適當溫度下煅燒形成的無水硅酸鋁(Al2O3·2SiO2-AS2)，偏高嶺土中的SiO2和Al2O3處于無定形態，在本發明中，在前述比例的堿性激發劑存在的條件下具有良好的地聚合反應活性。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，前述地質聚合物的制備方法中，偏高嶺土、水玻璃，污泥焚燒殘渣通過物理方法混合，進行固化。
5.根據權利要求5所述的方法，其特征在于，固化方法進一步包括：水泥基固化技術、石灰固化技術、熱塑性材料微包膠技術、玻璃固化技術、大型包膠技術、自膠結固化技術等。
6.根據權利要求1-5任一權利要求所述的方法，其特征在于，所述通過制備地質聚合物實現污泥焚燒殘渣中重金屬高效固定的固定時間優選為1-7天。
7.根據權利要求1-5任一權利要求所述的方法，其特征在于，堿激發偏高嶺土膠凝材料在殘渣摻量10%、水玻璃模數1.3、激發劑與粉體比值為0.81。
說明書
一種通過制備地質聚合物實現污泥焚燒殘渣中重金屬高效固定的方法
技術領域
本發明屬于資源與環境領域，具體涉及一種通過制備地質聚合物實現污泥焚燒殘渣中重金屬高效固定的方法。
背景技術
污泥焚燒殘渣中富含Zn、Cu、Cr、Cd、Ni、Pb等重金屬，必須在回收利用前對其所含有的重金屬進行固化，使重金屬進出濃度低于國家標準，污泥焚燒殘渣達到可回收利用的標準。目前已經研究或應用的含重金屬廢棄物的固化方法主要有：水泥基固化技術、石灰固化技術、包膠技術、玻璃固化技術、地聚物固化技術等。
(1)水泥基固化技術
水泥基固化重金屬廢物技術是應用最廣泛的固化技術之一，具有比較成熟和不斷完善的工藝。此技術是將重金屬廢物與水泥混合，水泥水化后形成具有一定強度的凝固體，水化凝膠將重金屬廢物包裹，從而降低甚至阻止廢物中危險成分的浸出。由于水泥價格較便宜，水泥基固化重金屬具有很強的經濟性。
(2)石灰固化技術
石灰固化重金屬廢物方法是將石灰、垃圾焚燒、水泥窯灰和礦渣等具有火山灰效應的粉體作為基材對重金屬廢物進行固化與穩定化處理的工藝。其固化效果接近于水泥，且具有原料來源豐富、工藝和設備簡單、處理費用低等優點。此技術在美國廣泛應用于污泥中重金屬的固化。
(3)包膠技術
熱塑性微包膠技術固化重金屬廢物，是利用加熱和冷卻時能反復軟化和硬化的有機塑料(瀝青、聚乙烯等)與干燥或脫水處理過的重金屬廢物在較高溫度下混合，實現重金屬的固化;大型包膠技術是利用一種防水的惰性材料將經過預先穩定化/固化處理的廢物固化體包裹封閉起來，用以補救穩定化/固化的缺陷。這種處理方法通常比較可靠，是一種極具吸引力的較高安全性的固化技術。
(4)玻璃固化法
玻璃固化法是將重金屬廢物與細小的玻璃質混合，然后在高溫下熔融形成玻璃固化體。玻璃體的致密結構，可確保固化體的長久穩定。這種固化技術雖然固化效果好藥劑固化法，但一般只用于處理高劑量的放射性廢物和劇毒性廢物。
(5)地質聚合物固化技術
地質聚合物固化技術是指將含重金屬廢物與某些顆粒化堿激發活性物質(包括粉煤灰、高爐殘渣、偏高嶺土、高嶺石粘土和赤泥等)混合來制備地質聚合物膠凝材料，從而實現重金屬的固化。
例如現有技術CN106495512A公開了一種污泥焚燒飛灰基低堿度地質聚合物材料及其制備方法，該方法是將污泥焚燒飛灰和偏高嶺土以1:1的質量比混合，加入占污泥焚燒飛灰與偏高嶺土總質量2-10%的NaOH、8%的液體水玻璃作為堿激發劑，再加35-50%的水，在水泥膠砂攪拌機中充分攪拌混合均勻后，注入d=20.20mm的圓柱形模具中，加11-14Mpa壓力5min后脫模，室溫下養護3-28d，制得污泥焚燒飛灰基低堿度地質聚合物的28d抗壓強度的范圍為15.96-79.60MPa。
CN105110664A公開了一種高嶺土印染污泥地質聚合物材料，包括膠凝材料和復合激發劑，復合激發劑與膠凝材料的質量比為0.4-1.0：1;膠凝材料為高嶺土和干化印染污泥的共混煅燒產物，干化印染污泥與高嶺土的質量比為1:3-7，干化印染污泥為經石灰和鐵鹽調質并干化的印染污泥，復合激發劑為鈉水玻璃和氫氧化鈉配制而成，且復合激發劑的模數為1-2。
CN105110663A公開了一種污泥灰制備地質聚合物的方法。該制備方法是利用污泥灰及偏高嶺土為原料，在NaOH-水玻璃堿激發劑溶液的激發下，生成污泥灰基地質聚合物。
現有技術存在的主要問題和缺陷如下：
(1)水泥/石灰固化體的二次處理需占用大量土地，往往超過了重金屬廢棄物的自身體積。
(2)固化后固化體內部會有許多毛細孔，且固化體抗滲性能不會很高，有可能導致水溶性重金屬的逸出;反應溫度高(需要在1400℃的高溫下進行)、溫室氣體產量大、可持續性差，與此同時，所制備的含污泥焚燒殘渣水泥的力學性能較差，耐酸堿性、耐高溫以及抗碳化性能一般。
(3)包膠/玻璃固化技術能耗大、成本高，適用含重金屬廢棄物的種類相對有限。
(4)所使用的制備地質聚合物的膠凝材料及堿激發劑不同，制備出的地質聚合物的特性有著鮮明的結構差別;固化體的力學性能一般與所摻雜的污泥焚燒殘渣的量成反比，焚燒殘渣摻入量越大，固化體的抗壓性能越差。
(5)地質聚合物固化體中污泥焚燒殘渣的摻雜量是否對重金屬的固化效果存在顯著影響，尚不得而知。
發明內容
鑒于現有技術存在的問題，本發明通過以下技術方案來實現：
一種通過制備地質聚合物實現污泥焚燒殘渣中重金屬高效固定的方法，包括：以偏高嶺土為凝膠材料、以水玻璃為堿激發劑，污泥焚燒殘渣與凝膠材料的質量比為5%：95%-10%：90%，水玻璃量與偏高嶺土和殘渣的混合物料的質量比變化范圍為0.77-0.9，制備地質聚合物，水玻璃模數變化范圍為1.1-1.4。
本發明選用水玻璃作為堿性激發劑，其化學組成可以用通式(R2O·nSiO2)表示，其中，R2O是指堿金屬氧化物，如Na2O或K2O等，n表示水玻璃的模數，為氧化硅與氧化鈉(或氧化鉀)的摩爾數比，水玻璃的模數一般在1.5～3.5之間，本發明通過調整水玻璃的模數，最大程度增加了其堿激發性能。
同時，控制水玻璃量與偏高嶺土和殘渣的混合物料的質量比變化范圍為0.77-0.9，極大的提高了抗壓強度，避免重金屬的滲出。
所述污泥焚燒殘渣的獲得工藝為：采用干化焚燒工藝對污泥進行了綜合處理，焚燒溫度為800℃，污泥焚燒殘渣是干污泥焚燒后殘留在焚燒爐中的無菌、無臭的無機物礦化渣，約占原污泥的10%。
所述偏高嶺土(Metaokin，下文簡稱MK)是以高嶺土(Al2O3·2SiO2·2H2O-AS2H2)為原料在在適當溫度下煅燒形成的無水硅酸鋁(Al2O3·2SiO2-AS2)，偏高嶺土中的SiO2和Al2O3處于無定形態，在本發明中，在前述比例的堿性激發劑存在的條件下具有良好的地聚合反應活性。
前述地質聚合物的制備方法中，偏高嶺土、水玻璃，污泥焚燒殘渣通過物理方法混合，進行固化。
固化方法進一步包括：水泥基固化技術、石灰固化技術、熱塑性材料微包膠技術、玻璃固化技術、大型包膠技術、自膠結固化技術等。
所述通過制備地質聚合物實現污泥焚燒殘渣中重金屬高效固定的固定時間優選為1-7天。
其中，前述選擇范圍內，固化體具有最佳力學性能的配合比為，堿激發偏高嶺土膠凝材料在殘渣摻量10%、水玻璃模數1.3、激發劑與粉體比值為0.81時，制備的固化體7天抗壓強度可達94.6MPa。
通過前述制備方法實現污泥焚燒殘渣中重金屬高效固定。本發明認為當以污泥焚燒殘渣和偏高嶺土為原料制備地質聚合物時，可實現重金屬良好固化的最佳污泥焚燒殘渣添加量≤10%，最多不能超過20%。
本發明相對于現有技術的有益效果包括，
本發明通過調配不同污泥焚燒殘渣與凝膠材料偏高嶺土的比例獲得了可實現重金屬高效固化的最佳污泥焚燒殘渣添加量(≤10%)，可為污泥焚燒殘渣中重金屬的高效固化提供技術支持，為污泥焚燒殘渣的資源化利用提供基礎。
(1)、可實現重金屬高效固化的污泥焚燒殘渣添加量為，污泥焚燒殘渣添加量≤10%;可實現重金屬一般固化效果的污泥焚燒殘渣添加量為，10%≤污泥焚燒殘渣添加量≤20%;采用本發明的固化方法，Cu、Zn的最優固化率達到了95%;Cr、Ni、Pb的固化率均在90%以上。
(2)通過大量實驗發現，水玻璃量與偏高嶺土和殘渣的混合物料的質量比變化范圍為0.77-0.9，不僅可以使殘渣的重金屬得到良好的固化，且固化體具有良好的抗壓強度。當水玻璃模數不在1.1-1.4變化范圍內，難以有前述的堿激發性能，重金屬的固化率明顯降低，滲出率增高。
(3)前述選擇范圍內，固化體具有最佳力學性能的配合比為，堿激發偏高嶺土膠凝材料在殘渣摻量10%、水玻璃模數1.3、激發劑與粉體比值為0.81時，制備的固化體7天抗壓強度可達94.6MPa。
