鉻污染土壤特性表征與陶粒制備機制.pdf

1、隨著城市化進程的加快，大量企業(yè)搬出主城區(qū)，其遺留下來的被污染的場地成為了阻礙城市建設的難題。在眾多的重金屬污染中，鉻污染因具有致癌致畸效應而備受關注。目前我國尚處于鉻渣治理的掃尾階段，鉻污染場地的治理與修復才剛剛起步。因此，對鉻污染土壤處理或利用的研究將具有重要的意義。
　　 文章成功結合陶粒焙燒和干法解毒工藝的特點，將鉻污染土壤與解毒劑混合，高溫下得到一種新穎的鉻污染土壤資源化利用方法。文章完成了從土壤采樣到產(chǎn)品利用的全過程研

2、究，主要內容包括：場地調查與評價、典型鉻污染土壤的特性表征分析、處理或利用方式篩選、解毒劑選擇、陶粒燒制小試實驗、燒制工藝優(yōu)化過程、燒制機理分析、中試實驗，陶粒產(chǎn)品檢測與運用等。
　　 以民豐化工原廠址區(qū)為研究對象，布點采樣核實研究區(qū)的污染程度，運用潛在生態(tài)風險和健康風險評價方法評價場地的風險程度并確定修復限值。選取高濃度的鉻污染土壤，通過XRF、FT-IR、XRD、激光粒徑分析、表面積測試與孔徑分析、TG-DSC綜合熱分析法等

3、技術研究其理化性能及熱力學特性：運用毒性浸出、分步提取、熱灼燒等方法分析土壤重金屬特性；據(jù)此篩選合適的鉻污染土壤處理或利用方式。
　　 選用粉煤灰、煤矸石和污泥等常見固廢作為解毒劑混合土壤燒制陶粒，詳細分析三種解毒劑性能；通過單因素實驗分析燒成工藝對陶粒Cr(Ⅵ)浸出濃度、顆粒強度、表觀密度和1h吸水率的影響；通過正交實驗優(yōu)化燒成工藝并用有約束的均勻設計方法對陶粒原料配比進行二次優(yōu)化；開展陶粒生產(chǎn)的中試實驗；全面分析了陶粒產(chǎn)品的

4、建材特性品質和環(huán)境安全性指標；并對陶粒應用做了嘗試。
　　 根據(jù)燒成動力學理論分析陶粒燒成機理，根據(jù)胚料物質主要熱反應特征建立熱反應動力學模型并求解最概然機理函數(shù)。利用XEM和EDS觀察陶粒產(chǎn)品表面、剖面的微觀結構特征；利用FT-IR、XRD等技術手段研究陶粒形成和鉻固化機理。
　　 通過以上各方面的研究得到以下主要結論：
　　 ①研究區(qū)絕大部分為重度污染，土壤不能達到HJ305-2007中Ⅱ級土壤要求；土壤潛在

5、生態(tài)風險評價發(fā)現(xiàn)31.3％的土壤樣品具有高生態(tài)風險；健康風險評價結果表明研究區(qū)土壤可能對敏感人群造成致癌和非致癌影響；研究區(qū)鉻修復限值為：Cr(Ⅲ)8621.8mg/kg，Cr(Ⅵ)5.3mg/kg。
　　 ②供試土壤以中小顆粒為主，多孔結構不明顯，吸附性不強；土壤富含SiO2、Al2O3、Fe2O3等成分，主要晶體類型為α-石英相；土壤基本不具備熱性能；總鉻含量1726.3mg/kg，Cr(Ⅵ)浸出濃度60.25mg/L，是一

6、種具備浸出毒性但不具備腐蝕性的危險廢物；鉻的結合形態(tài)排序為殘渣態(tài)>弱酸提取態(tài)>可還原態(tài)>可氧化態(tài)；通過土壤處理方案篩選，確定干法解毒方案比淋洗和水泥固化更具有優(yōu)越性。
　　 ③粉煤灰、煤矸石和污泥作為解毒劑富含SiO2、Al2O3等成陶成分，含有殘余碳粉或有機物成分，能在高溫條件下產(chǎn)生CO等還原性氣體使Cr(Ⅵ)還原并促使陶粒膨脹；三種添加劑的燒失量分別為5.97％、28.60％、33.24％；TG-DSC曲線表明三種材料均在空

7、氣氛圍、不同升溫速率下存在一個主要的熱失重階段。
　　 ④實驗獲得三種陶粒產(chǎn)品和相應的最佳工藝條件。實驗表明溫度為影響產(chǎn)品性能的主要條件，污泥添加量對陶粒產(chǎn)品性能有顯著影響；鉻污染土壤-煤矸石陶粒因易在空氣中潮解，故被淘汰。運用有約束配方均勻混料法優(yōu)化原料配方，得最佳原材料配比為：鉻污染土壤75.1％，粉煤灰18.7％，污泥6.2％。
　　 ⑤胚料熱反應過程依次經(jīng)歷了自由水揮發(fā)、有機物燃燒、碳酸鹽受熱分解、殘留碳份氧化、

8、金屬氧化物熔融等過程。分析認為30K/min為燒制陶粒的最佳升溫速率。整體而言，陶粒胚料在不同溫度下衍射峰位置無明顯差異，對比陶粒剖面和表面的微觀形貌發(fā)現(xiàn)，燒制過程中僅有陶粒表面有新物相生成。陶粒胚料最終生成鏈狀或骨架狀結構的硅酸鹽和硅鋁酸鹽，燒成過程中有大量玻璃化物質生成。球形對稱相界反應R3機理函數(shù)為陶粒燒成反應的最概然機理函數(shù)。通過擬合計算，得該函數(shù)的動力學三因子Ea=214.37 kJ/mol，A=4.80E+06(s-1)，G

9、(a)=1-(1-a)1/3。
　　 ⑥總結重金屬鉻的固化機理為：在超過800℃時Cr(Ⅵ)被C、CO等還原為Cr(Ⅲ)，熱處理溫度大于900℃時，Cr(Ⅲ)可能進入粘土Si-Al-0網(wǎng)狀結構；高溫下Cr(Ⅲ)氧化物與原料中的硅氧化物、鋁氧化物充分接觸生成NaCrSi2O6或caCrAlSiO6等穩(wěn)定的固熔體；由于Fe(Ⅲ)、Cr(Ⅲ)與Al(Ⅲ)的半徑相近，電荷相同，在高溫條件下容易發(fā)生類質同相作用而形成一系列化合物；玻璃態(tài)物

10、質對Cr(Ⅵ)起到有效的固定作用，也防止Cr(Ⅲ)物質被再次氧化。
　　 ⑦利用回轉窯進行中試實驗，確定燒制陶粒的最優(yōu)燒制條件為：鉻污染土壤：粉煤灰：污泥=75.1:18.7:6.2，窯預熱溫度350℃，燒成溫度1120℃，燒成溫度保持時間2 min。以此條件制得的陶粒，Cr(Ⅵ)浸出濃度0.065mg/L，顆粒強度540N，堆積密度530 kg/m3，1h吸水率7.2％，其他性能滿足輕集料標準要求。陶粒的重金屬浸出特性檢測結果