生态水泥与废弃物资源化利用技术简办.pptx

生态水泥与固体废弃物的生态水泥与固体废弃物的资源化利用技术资源化利用技术同济大学环境材料研究所同济大学环境材料研究所 施惠生教授、所长、博士生导师施惠生教授、所长、博士生导师环境材料环境材料n当今社会的发展面临着人口膨胀、资源短缺、环境恶化三大问题，当今社会的发展面临着人口膨胀、资源短缺、环境恶化三大问题，人们在创造社会财富的同时，也在不断地破坏人类赖以生存的环境人们在创造社会财富的同时，也在不断地破坏人类赖以生存的环境空间。自然资源耗竭和贫化已逐渐成为阻碍经济稳定、高速发展的空间。自然资源耗竭和贫化已逐渐成为阻碍经济稳定、高速发展的主要因素之一。主要因素之一。n针对这一问题，最近几年在国际材料界出现了一个新的研究领域针对这一问题，最近几年在国际材料界出现了一个新的研究领域环境材料，环境材料，指同时具有优良的使用性能和最佳环境协调性的一大指同时具有优良的使用性能和最佳环境协调性的一大类材料类材料。这类材料对资源和能源消耗少、对生态与环境污染小、再。这类材料对资源和能源消耗少、对生态与环境污染小、再生利用率高或可降解化和可循环利用，而且要求从材料制造、使用、生利用率高或可降解化和可循环利用，而且要求从材料制造、使用、废弃直到再生利用的整个寿命周期中，都须具有与环境的协调共存废弃直到再生利用的整个寿命周期中，都须具有与环境的协调共存性。性。n所谓环境材料，实质上是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异所谓环境材料，实质上是赋予传统结构材料、功能材料以特别优异的环境协调性的材料，它是材料工作者在环境意识指导下，或开发的环境协调性的材料，它是材料工作者在环境意识指导下，或开发新型材料，或改进、改造传统材料。环境材料作为材料科学与环境新型材料，或改进、改造传统材料。环境材料作为材料科学与环境科学的交叉正在形成一个新的研究领域，极大地拓宽和丰富了材料科学的交叉正在形成一个新的研究领域，极大地拓宽和丰富了材料的研究领域。的研究领域。生态水泥基材料生态水泥基材料n水泥基材料的生态水泥基材料的生态化作为材料科学与环境科学的交叉结果化作为材料科学与环境科学的交叉结果正在本学科形成一个新的研究领域。正在本学科形成一个新的研究领域。n同济大学在水泥基材料生产同济大学在水泥基材料生产协同处理协同处理各种废弃物，实现工各种废弃物，实现工业生产的零污染和零排放，探索建立和发展固体废弃物资业生产的零污染和零排放，探索建立和发展固体废弃物资源循环利用的理论体系和技术体系方面作出了不懈的努力，源循环利用的理论体系和技术体系方面作出了不懈的努力，为固体废弃物全部资源化的目标提供了必要的理论和技术为固体废弃物全部资源化的目标提供了必要的理论和技术支撑。支撑。n此外，同济大学还致力于研究具有可处置污水、废气及可此外，同济大学还致力于研究具有可处置污水、废气及可防止光、声、电等污染、生物协调性的各类土木工程材料，防止光、声、电等污染、生物协调性的各类土木工程材料，用于各种声污染治理、光污染治理、污水污染处理、大气用于各种声污染治理、光污染治理、污水污染处理、大气污染治理、室内环境改善，河堤和海塘的护堤，城市人行污染治理、室内环境改善，河堤和海塘的护堤，城市人行道路和公共场地的绿化，即研究各类可道路和公共场地的绿化，即研究各类可间接改善间接改善生态环境生态环境的土木工程材料的制备理论和生产技术。的土木工程材料的制备理论和生产技术。全面介绍了生态水泥在国内全面介绍了生态水泥在国内外的的现状和发展概况，系外的的现状和发展概况，系统阐述了水泥生产与人类生统阐述了水泥生产与人类生态环境之间的关系、工业废态环境之间的关系、工业废渣和城市生活垃圾等各类固渣和城市生活垃圾等各类固体废弃物在生态水泥基材料体废弃物在生态水泥基材料生产中的利用、生态水泥的生产中的利用、生态水泥的生产工艺与生产技术、生态生产工艺与生产技术、生态水泥生产中重金属等有害物水泥生产中重金属等有害物质的影响及控制技术、水泥质的影响及控制技术、水泥工业处置利用固体废弃物的工业处置利用固体废弃物的有关技术与政策、生态水泥有关技术与政策、生态水泥的发展前景与展望等。的发展前景与展望等。主要内容主要内容n1.生态水泥概论生态水泥概论n2.固体废弃物在生态水泥中的利用固体废弃物在生态水泥中的利用n3.重金属等有害物质的影响和控制技术重金属等有害物质的影响和控制技术n4.同济大学的相关研究成果及进展同济大学的相关研究成果及进展n5.生态水泥的发展前景生态水泥的发展前景19852003年中国水泥生产情况年中国水泥生产情况 1.1.生态水泥概论生态水泥概论生态水泥生态水泥（1）低环境负荷水泥添加料）低环境负荷水泥添加料 用用矿渣、火山灰矿渣、火山灰等作原材料烧制水泥熟料，或等作原材料烧制水泥熟料，或者以者以粉煤灰、石灰石微粉、矿渣粉煤灰、石灰石微粉、矿渣作混合料磨制混合作混合料磨制混合水泥，并扩大用量水泥，并扩大用量;优点：优点：减少普通硅酸盐水泥的用量，减少石灰石等减少普通硅酸盐水泥的用量，减少石灰石等天然资源的用量，节省烧制水泥所消耗的能量，降天然资源的用量，节省烧制水泥所消耗的能量，降低低CO2的排放量。的排放量。生态水泥生态水泥（2）生态水泥生产技术）生态水泥生产技术 生态水泥主要指在生产和使用过程中生态水泥主要指在生产和使用过程中尽量减尽量减少对环境影响少对环境影响的水泥；的水泥；成功案例：成功案例：日本秩文日本秩文-小野田水泥公司用小野田水泥公司用城市生活垃圾的焚烧灰城市生活垃圾的焚烧灰和和下水道污泥的脱水干粉下水道污泥的脱水干粉作为主要原料生产水泥的作为主要原料生产水泥的新技术；新技术；生态水泥生态水泥（3）降低能耗的新工艺）降低能耗的新工艺 烧成工艺方面，日本水泥协会和煤炭综合利用烧成工艺方面，日本水泥协会和煤炭综合利用中心共同开展中心共同开展沸腾炉煅烧水泥熟料沸腾炉煅烧水泥熟料新技术的研究，新技术的研究，并获得成功。这种新技术将以前的回转窑和熟料冷并获得成功。这种新技术将以前的回转窑和熟料冷却机改成沸腾炉，没有运动部件，据介绍，采用这却机改成沸腾炉，没有运动部件，据介绍，采用这种新技术后可种新技术后可节能节能10-15，降低降低NOx的排放量，的排放量，取得明显的取得明显的节能节能和和环境保护效果环境保护效果。生态水泥生态水泥（4）废弃物再生利用技术）废弃物再生利用技术 水泥厂是水泥厂是不需要投资的废弃物处理工厂不需要投资的废弃物处理工厂；其他行业排放的其他行业排放的矿渣、钢渣、粉煤灰、尾矿、煤矸矿渣、钢渣、粉煤灰、尾矿、煤矸石、硅锰渣、化学副产品石膏、拆除土木工程材料石、硅锰渣、化学副产品石膏、拆除土木工程材料等均可用作水泥的等均可用作水泥的代用原料，废机油、废轮胎、废代用原料，废机油、废轮胎、废橡胶、废纸、废木材、城市垃圾橡胶、废纸、废木材、城市垃圾等都可以用作代用等都可以用作代用燃料。燃料。工业废渣、工业废渣、和和城市垃圾城市垃圾在水泥工业中在水泥工业中的的利用现状利用现状来源来源分类分类特点特点2 2 固体废弃物在生态水泥生产中的利用固体废弃物在生态水泥生产中的利用固体废弃物固体废弃物来源来源n工业废渣是指在工业废渣是指在工业生产工业生产和和工业加工工业加工过程中、以及过程中、以及燃料燃燃料燃烧烧、矿物开采矿物开采、交通运输交通运输、环境治理环境治理过程中所丢弃的固体、过程中所丢弃的固体、半固体物质的总称。半固体物质的总称。n工业废渣主要来源于各工业废渣主要来源于各工业部门生产工业部门生产所产生的固体废弃物，所产生的固体废弃物，主要包括煤炭工业产生的主要包括煤炭工业产生的煤矸石煤矸石；燃煤电厂和城市集中供；燃煤电厂和城市集中供热系统煤粉燃烧锅炉产生的热系统煤粉燃烧锅炉产生的粉煤灰粉煤灰、炉渣炉渣；黑色冶金工业；黑色冶金工业产生的产生的高炉渣高炉渣、钢渣钢渣；有色金属；有色金属冶炼渣冶炼渣和和赤泥赤泥等；化学工等；化学工业及其他工业生产过程中产生的业及其他工业生产过程中产生的化学石膏化学石膏、硫铁矿渣硫铁矿渣、电电石渣石渣、碱渣碱渣、烧碱盐泥烧碱盐泥等；燃煤锅炉产生的等；燃煤锅炉产生的炉渣炉渣；开采金；开采金属矿石产生的属矿石产生的废石废石和和尾矿尾矿等等。等等。分类分类n燃料渣燃料渣 包括粉煤灰、煤矸石、炉渣、以煤炭等为燃料所排出的煤渣、烟道灰、包括粉煤灰、煤矸石、炉渣、以煤炭等为燃料所排出的煤渣、烟道灰、油页岩灰等。油页岩灰等。n冶金渣冶金渣 包括高炉矿渣、钢渣、有色金属渣、铁合金渣、铬铁渣等。包括高炉矿渣、钢渣、有色金属渣、铁合金渣、铬铁渣等。n化工渣化工渣 包括无机化工和有机化工的各种废渣。包括化学石膏、硫铁矿渣、电包括无机化工和有机化工的各种废渣。包括化学石膏、硫铁矿渣、电石渣、碱渣、烧碱盐泥等。化工渣比较复杂、分散。其中，以硫铁矿石渣、碱渣、烧碱盐泥等。化工渣比较复杂、分散。其中，以硫铁矿渣、碱渣、电石渣、铬渣等排放量比较大而集中。渣、碱渣、电石渣、铬渣等排放量比较大而集中。n矿山废石和尾矿矿山废石和尾矿 主要有矿山剥离废石、尾矿、粉尘等。金属尾矿分为黑色冶金尾矿和主要有矿山剥离废石、尾矿、粉尘等。金属尾矿分为黑色冶金尾矿和有色冶金尾矿两类。金属尾矿可按其采选矿物名称分类。这类废石排有色冶金尾矿两类。金属尾矿可按其采选矿物名称分类。这类废石排量最大，利用较差，但分布面较广。量最大，利用较差，但分布面较广。特点特点n工业废渣的种类很多，产量很大，分布面很广，常年均衡工业废渣的种类很多，产量很大，分布面很广，常年均衡排放，可作为稳定的排放，可作为稳定的可开发资源可开发资源加以利用。加以利用。n大多数的工业废渣很适合做大多数的工业废渣很适合做建筑材料建筑材料的原料。这可以从化的原料。这可以从化学成分来看，很多工业废渣与建筑材料，特别是学成分来看，很多工业废渣与建筑材料，特别是水泥原料水泥原料和和墙体材料墙体材料相似。相似。n有些工业废渣含有一定热值，作为低热值燃料用于生产建有些工业废渣含有一定热值，作为低热值燃料用于生产建筑材料有显著筑材料有显著节能节能效果。煤矸石、炉渣、粉煤灰等属于这效果。煤矸石、炉渣、粉煤灰等属于这类废渣。类废渣。工业废渣在水泥工业中的利用现状工业废渣在水泥工业中的利用现状作为水泥混合材作为水泥混合材作为混凝土掺合料作为混凝土掺合料生产水泥熟料生产水泥熟料利用利用工业废渣工业废渣利用工业废渣生产水泥熟料利用工业废渣生产水泥熟料碱碱渣渣煤煤矸矸石石其其他他电电石石渣渣粉粉煤煤灰灰硫硫酸酸渣渣赤赤泥泥利用工业废渣作为水泥混合材利用工业废渣作为水泥混合材粉煤灰粉煤灰煤矸石煤矸石冶金工业废渣冶金工业废渣水泥水泥混合材混合材利用工业废渣作为混凝土掺合料利用工业废渣作为混凝土掺合料u粉煤灰粉煤灰 我国粉煤灰混凝土特点我国粉煤灰混凝土特点:研究较早、开发较迟，近年来急起直研究较早、开发较迟，近年来急起直追，有些技术跟上了国际先进技术的步伐。追，有些技术跟上了国际先进技术的步伐。掺粉煤灰后混凝土掺粉煤灰后混凝土后期强度提高后期强度提高，其在混凝土中产生三种效应：，其在混凝土中产生三种效应：粉煤灰的粉煤灰的活性效应活性效应，形态效应形态效应，微集料效应微集料效应。粉煤灰对混凝土耐久性的影响粉煤灰对混凝土耐久性的影响：水的渗透性增大水的渗透性增大、空气渗透空气渗透增加增加、氯离子扩散系数氯离子扩散系数(Dcl)降低降低、粉煤灰混凝土的碳化系数受粉、粉煤灰混凝土的碳化系数受粉煤灰掺量的影响较大，随着混凝土中粉煤灰代替水泥量增大，煤灰掺量的影响较大，随着混凝土中粉煤灰代替水泥量增大，含含气量增加气量增加、碳化系数增大碳化系数增大；混凝土中以；混凝土中以20%粉煤灰代替相应的水粉煤灰代替相应的水泥，其抗冻性超过对比的基准混凝土，但是掺量太高（泥，其抗冻性超过对比的基准混凝土，但是掺量太高（50%）时，）时，经经150200次冻融后，混凝土出现明显的破坏。混凝土中含气次冻融后，混凝土出现明显的破坏。混凝土中含气量相同，抗压强度相同，其中含与不含粉煤灰，抗冻性无明显差量相同，抗压强度相同，其中含与不含粉煤灰，抗冻性无明显差别别。城市垃圾在水泥工业中的利用现状城市垃圾在水泥工业中的利用现状城市生活垃圾城市生活垃圾处置现状处置现状城市城市垃圾焚烧灰垃圾焚烧灰的化学组成的化学组成 用城市垃圾焚烧灰生产生态水泥的可行性用城市垃圾焚烧灰生产生态水泥的可行性水泥窑水泥窑焚烧垃圾焚烧垃圾的技术优势的技术优势垃圾焚烧灰垃圾焚烧灰生态水泥生态水泥的性质的性质城市生活垃圾的处置现状城市生活垃圾的处置现状n城市垃圾一般是指城市居民的生活垃圾、商业垃圾、市政城市垃圾一般是指城市居民的生活垃圾、商业垃圾、市政管理和维护中所产生的垃圾。管理和维护中所产生的垃圾。n我国制定了一系列相关的政策并颁布了各类垃圾处理的技我国制定了一系列相关的政策并颁布了各类垃圾处理的技术准则规范，提出了术准则规范，提出了“以以减量化减量化为基础、以为基础、以无害化无害化为主体、为主体、以以资源化资源化为目标为目标”的垃圾治理的基本方针，开展了城市垃的垃圾治理的基本方针，开展了城市垃圾堆肥、填埋、焚烧及资源化利用的科研、开发和示范项圾堆肥、填埋、焚烧及资源化利用的科研、开发和示范项目的建设。目的建设。n目前，我国垃圾处理主要有目前，我国垃圾处理主要有卫生填埋卫生填埋、焚烧焚烧、堆肥堆肥等方式。等方式。每种处理方式，都有一定的优点和不足之处。每种处理方式，都有一定的优点和不足之处。城市垃圾焚烧灰的化学成分城市垃圾焚烧灰的化学成分 化学成分化学成分/%范围范围平均值平均值微量元素微量元素/ppm范围范围平均值平均值SiO213.729.122.9V120067Al2O316.424.919.7Cr222000538CaO24.339.830.4Mn802500438MgO2.212.14.8Co140033SO31.42.42.1Ni20500345Na2O2.43.93.3As19055K2O22.92.6Cd13011TiO20.8710.9Hg0.17035P2O30.882.31.8Pb1009200311ZnO0.550.660.6F0250120CuO0.121.200.6CN-NDCl5.0210.68.5PBC-ND水泥窑焚烧垃圾的技术优势水泥窑焚烧垃圾的技术优势 目前，城市垃圾焚烧主要是通过目前，城市垃圾焚烧主要是通过焚烧炉焚烧炉来完成的。来完成的。参数参数窑内温度窑内温度/物料温度物料温度/气体停留时气体停留时间间/s物料停留时物料停留时间间/min回转窑转速回转窑转速/(r/min）焚烧炉焚烧炉12008502由性质决定由性质决定0.20.3水泥回转窑水泥回转窑20001450430352.83.2水泥回转窑和焚烧炉的参数比较水泥回转窑和焚烧炉的参数比较 n水泥窑既是水泥窑既是燃烧炉燃烧炉又是又是反应炉反应炉，物料在窑内经过从低温到，物料在窑内经过从低温到高温的物理、化学变化，完成熟料的煅烧，通过对窑内温高温的物理、化学变化，完成熟料的煅烧，通过对窑内温度测定可知，物料最高温度达度测定可知，物料最高温度达1450，气体最高温度达，气体最高温度达1700。n利用水泥窑煅烧城市生活垃圾在工艺上与焚烧法是一致的，利用水泥窑煅烧城市生活垃圾在工艺上与焚烧法是一致的，并且垃圾中的无机物如并且垃圾中的无机物如SiO2、Al2O3、CaO 可直接与水泥可直接与水泥熟料进行化合生成水泥熟料矿物，熟料进行化合生成水泥熟料矿物，重金属重金属也将与有关矿物也将与有关矿物的晶格共溶而不致于造成二次污染。的晶格共溶而不致于造成二次污染。垃圾焚烧灰生态水泥的用途和发展垃圾焚烧灰生态水泥的用途和发展n焚烧灰水泥的用途焚烧灰水泥的用途n焚烧灰水泥在日本的发展现状焚烧灰水泥在日本的发展现状n垃圾焚烧灰水泥在我国的发展垃圾焚烧灰水泥在我国的发展焚烧灰生态水泥的用途焚烧灰生态水泥的用途n制混凝土制混凝土 焚烧灰生态水泥属于快硬早强水泥，因而用做混凝土时，为了便焚烧灰生态水泥属于快硬早强水泥，因而用做混凝土时，为了便于施工，必须添加于施工，必须添加缓凝剂缓凝剂。由于其含有。由于其含有1%左右的左右的Cl 元素，容易引起元素，容易引起钢筋锈蚀，所以一般仅用于钢筋锈蚀，所以一般仅用于素混凝土素混凝土中，也可与普通混凝土混合使用。中，也可与普通混凝土混合使用。所制得的混凝土可用来做所制得的混凝土可用来做道路混凝土道路混凝土、水坝用混凝土水坝用混凝土、消波块、鱼礁、消波块、鱼礁块等块等海洋混凝土海洋混凝土、空心砌块空心砌块或或密实砌块密实砌块，还可用来做木片水泥板等，还可用来做木片水泥板等纤纤维制品维制品。n地基改良用固化剂地基改良用固化剂 湿地或者沼泽地等软弱地基改良中，可用生态水泥作为固化剂。湿地或者沼泽地等软弱地基改良中，可用生态水泥作为固化剂。经试验处理过的土壤早期强度良好，完全适于加固土壤。经试验处理过的土壤早期强度良好，完全适于加固土壤。焚烧灰生态水泥在日本的发展现状焚烧灰生态水泥在日本的发展现状 在日本，在利用工业废弃物作为回转窑煅烧补充燃料在日本，在利用工业废弃物作为回转窑煅烧补充燃料（如废轮胎等）的同时，使用（如废轮胎等）的同时，使用城市垃圾焚烧灰城市垃圾焚烧灰和和下水污泥下水污泥等作为水泥的等作为水泥的补充原料补充原料或或主原料主原料，生产普通水泥或生态水，生产普通水泥或生态水泥，许多企业和科研部门还对生态水泥的性能及与混凝土泥，许多企业和科研部门还对生态水泥的性能及与混凝土的关系作了大量研究。的关系作了大量研究。2001年年4月，日本市原生态水泥株式会社（市原月，日本市原生态水泥株式会社（市原（株），日本千叶县）作为世界上（株），日本千叶县）作为世界上第一家生态水泥第一家生态水泥厂厂开业，每年使用城市垃圾焚烧灰开业，每年使用城市垃圾焚烧灰6.2万万t，其他产业废弃，其他产业废弃物物2.8万万t，生产生态水泥，生产生态水泥11万万t。产品的正式销售自产品的正式销售自2001年年6月开始，广泛用于月开始，广泛用于混凝土工程、水泥制品、预制件、混凝土工程、水泥制品、预制件、土木工程装饰土木工程装饰和和混凝土平板混凝土平板等，已经在东京附近的千叶县等，已经在东京附近的千叶县得到推广，其发展前景得到普遍认同。得到推广，其发展前景得到普遍认同。2001 年年11月获日本环境大臣奖，月获日本环境大臣奖，2002年年7月制定了月制定了JIS标标准并正在完善。由于生态水泥与环境友好，有利于促进准并正在完善。由于生态水泥与环境友好，有利于促进“环境型经济系统环境型经济系统”的发展，日本有关部门正在考虑对环境的发展，日本有关部门正在考虑对环境保护保护JIS标准进行相应调整，以便对生态水泥的推广使用标准进行相应调整，以便对生态水泥的推广使用起到更积极作用。起到更积极作用。目前日本全国有目前日本全国有数十家数十家水泥厂都在使用各种废弃物，水泥厂都在使用各种废弃物，2002年废弃物的平均利用量为年废弃物的平均利用量为311kg/（t水泥），水泥），2010年计划年计划达到达到400kg/（t水泥）。水泥）。垃圾焚烧灰生态水泥在我国的发展垃圾焚烧灰生态水泥在我国的发展 n目前，我国城市垃圾年产量已达到目前，我国城市垃圾年产量已达到1.46亿吨亿吨，而且以每年，而且以每年9%的速度递增。全国的速度递增。全国666 座城市中有座城市中有200多多座已陷入垃圾包围之座已陷入垃圾包围之中，近年全国各地因此兴建了不少垃圾焚烧炉，同时排放大量中，近年全国各地因此兴建了不少垃圾焚烧炉，同时排放大量的垃圾焚烧灰渣。的垃圾焚烧灰渣。n我国一些水泥科学家最近提出了在水泥熟料烧成系统辅设城市我国一些水泥科学家最近提出了在水泥熟料烧成系统辅设城市生活垃圾焚烧系统的工艺措施，即生活垃圾焚烧系统的工艺措施，即水泥熟料生产共处理城市生水泥熟料生产共处理城市生活垃圾活垃圾，实现生活垃圾的焚烧处理与生态水泥的生产同步进行。实现生活垃圾的焚烧处理与生态水泥的生产同步进行。n 利用利用工业工业或或城市垃圾焚烧灰城市垃圾焚烧灰作原料生产的生态水泥，可以彻作原料生产的生态水泥，可以彻底解决工业和城市垃圾处置问题，是底解决工业和城市垃圾处置问题，是保护环境保护环境、实现、实现零污染零污染的的有效途径。在生态水泥的生产过程中，能源和物质的投入、废有效途径。在生态水泥的生产过程中，能源和物质的投入、废物和污染物的排放都减少到了最低限度，生产过程中的副产物物和污染物的排放都减少到了最低限度，生产过程中的副产物可以重新利用，产品可回收利用，这对促进社会可持续发展有可以重新利用，产品可回收利用，这对促进社会可持续发展有着重要的意义。着重要的意义。3 3 重金属等有害物质的影响和控制技术重金属等有害物质的影响和控制技术重金属等有害物重金属等有害物质的危害性质的危害性重金属等微量元素重金属等微量元素对水泥生产的影响对水泥生产的影响重金属等有害废重金属等有害废弃物的控制技术弃物的控制技术重金属等有害物质的危害性重金属等有害物质的危害性v重金属元素与微量元素重金属元素与微量元素化学上，一般把密度化学上，一般把密度 4.5g/cm3的金属元素统称为重金属，如金、银、铜、的金属元素统称为重金属，如金、银、铜、铅、锌、镍、钴、镉、铬和汞等共铅、锌、镍、钴、镉、铬和汞等共45种。重金属离子则是指重金属元素在发种。重金属离子则是指重金属元素在发生化学变化时，因反应条件的不同失去一个或多个电子以后形成的生化学变化时，因反应条件的不同失去一个或多个电子以后形成的阳离子阳离子。从环境污染方面所说的重金属，实际上主要是指从环境污染方面所说的重金属，实际上主要是指汞、镉、铅、铬汞、镉、铅、铬以及类金属以及类金属砷砷等生物毒性显著的重金属，也指具有一定毒性的一般重金属如等生物毒性显著的重金属，也指具有一定毒性的一般重金属如锌、铜、钴、锌、铜、钴、镍、锡镍、锡等。由重金属造成的环境污染称为重金属污染。等。由重金属造成的环境污染称为重金属污染。在一般化学分析、工业技术和环境保护中，将含量低于在一般化学分析、工业技术和环境保护中，将含量低于0.01的元素称微量的元素称微量元素，常以元素，常以mg/kg或或ppm表示，再少的含量则以表示，再少的含量则以ng/kg或或ppb表示。水泥工业表示。水泥工业中，欧洲水泥工业是将含量中，欧洲水泥工业是将含量低于低于 0.01的称的称微量元素微量元素，0.015的称的称辅辅助元素助元素，高于高于5称称主要元素主要元素。硅酸盐水泥熟料中各种元素的含量范围硅酸盐水泥熟料中各种元素的含量范围 注：注：1ppm10-4，1ppb10-7，1ppt10-10，1ppq10-13 重金属等有害物质的危害性重金属等有害物质的危害性n水体中的某些重金属可在水体中的某些重金属可在微生物作用下微生物作用下转化为转化为毒性更强的金属化合物毒性更强的金属化合物，如汞的甲基化作用就是其典型例子；如汞的甲基化作用就是其典型例子；n生物从环境中摄取重金属可以经过食物链的生物放大作用，在较高级生物从环境中摄取重金属可以经过食物链的生物放大作用，在较高级生物体内成千万倍地富集起来，然后生物体内成千万倍地富集起来，然后通过食物通过食物进入人体，在人体的某进入人体，在人体的某些器官中积蓄起来造成慢性中毒，危害人体健康；些器官中积蓄起来造成慢性中毒，危害人体健康；n在天然水体中只要有微量重金属即可产生毒性效应，一般重金属产生在天然水体中只要有微量重金属即可产生毒性效应，一般重金属产生毒性的范围大约在毒性的范围大约在110mg/L之间，毒性较强的金属如之间，毒性较强的金属如汞、镉汞、镉等产生等产生毒性的浓度范围在毒性的浓度范围在0.0l0.001mg/L之间。之间。重金属等微量元素对水泥生产的影响重金属等微量元素对水泥生产的影响对水泥烧成的影响对水泥烧成的影响对水泥水化、硬化的影响对水泥水化、硬化的影响浸出试验浸出试验 对水泥强度的影响对水泥强度的影响 在水泥生产在水泥生产原、燃料中的分布原、燃料中的分布重金属重金属等微量元素等微量元素重金属等微量元素在水泥生产原、燃料重金属等微量元素在水泥生产原、燃料中的分布中的分布n在利用废弃物生产水泥时，由于某些元素在其中的在利用废弃物生产水泥时，由于某些元素在其中的富集富集，会使其含量大幅度提高，不容忽视；会使其含量大幅度提高，不容忽视；n从环保角度考虑，尤其应重视的是从环保角度考虑，尤其应重视的是密度超过密度超过4.5g/cm3的重的重金属元素，如金属元素，如As、Be、Cd、Cr、Hg、Ni、Pb、T1、V和和Zn：这些元素主要是以：这些元素主要是以固溶体形式固溶体形式存在于某些原料组分存在于某些原料组分中，也可存在于中，也可存在于硫化物矿物硫化物矿物中中。重金属等微量元素元素对水泥烧成的影响重金属等微量元素元素对水泥烧成的影响在水泥窑中的在水泥窑中的状态特性状态特性重金属等微量元素对重金属等微量元素对熟料液相形成熟料液相形成的影响的影响对水泥熟料对水泥熟料烧成烧成的的影响影响在水泥熟料烧成过程中的在水泥熟料烧成过程中的挥发性挥发性对水泥熟料对水泥熟料矿物形成矿物形成的的影响影响重金属重金属等微量元素等微量元素对水泥烧成对水泥烧成的影响的影响 等级等级元素元素冷凝温度冷凝温度()不挥发不挥发Zn，V，Be，As，Co，Ni，Cr，Cu，Mn，Sb，Sn难挥发难挥发Cd，Pb700900易挥发易挥发Tl450550高挥发高挥发Hg250 重金属等微量元素按挥发性的分级重金属等微量元素按挥发性的分级 v 水泥窑尤其是水泥回转窑有它独有的特性：水泥窑尤其是水泥回转窑有它独有的特性：窑内温度高窑内温度高，其中，其中火焰火焰温度温度在在17001900，大型预分解窑可高达，大型预分解窑可高达2100；物料温度也达；物料温度也达1450。重金属等微量元素在水泥回转窑系统的挥发性反映了这些元。重金属等微量元素在水泥回转窑系统的挥发性反映了这些元素在熟料燃烧过程中的特性，也可以说反映了这些元素素在熟料燃烧过程中的特性，也可以说反映了这些元素被熟料吸收的被熟料吸收的程度程度。重金属等微量元素在水泥熟料烧成过程中的挥发性重金属等微量元素在水泥熟料烧成过程中的挥发性 重金属等微量元素在水泥窑中的状态特性重金属等微量元素在水泥窑中的状态特性 可能形成重金属等微量元素化合物的自由焓可能形成重金属等微量元素化合物的自由焓 重金属等微量元素对熟料液相形成的影响重金属等微量元素对熟料液相形成的影响 v重金属在水泥熟料烧结过程中，由于其含量较少，重金属在水泥熟料烧结过程中，由于其含量较少，常被认为是微量组分。当重金属的含量常被认为是微量组分。当重金属的含量小于小于0.001（10ppm）时，即重金属为时，即重金属为微量元素微量元素时，它对时，它对水泥生产过程、熟料矿物形成及产品性能水泥生产过程、熟料矿物形成及产品性能影响可影响可能不会太大能不会太大；但是当重金属含量；但是当重金属含量大于大于0.01时，时，即重金属为即重金属为辅助元素辅助元素时，它对水泥熟料的烧成可时，它对水泥熟料的烧成可能能产生一定的影响产生一定的影响。重金属对水泥熟料矿物形成的影响重金属对水泥熟料矿物形成的影响重金属元素对稳定重金属元素对稳定-C2S作用作用 离子离子半径半径稳定性稳定性离子离子离子离子稳定性稳定性Mn7+106Ti4+23Cr5+69Mg2+6.1AS5+53Ni2+5.6V5+42Zn2+5.3Si4+39Fe2+5.3Ge4+30Mn2+5.0Mn4+26.7Ca2+4.0Al3+18Sr2+3.5As3+15.5Ba2+3.0Fe3+14Cu+1.0 重金属在水泥熟料矿物中固溶机理重金属在水泥熟料矿物中固溶机理：重金属离子在水泥熟料矿物晶体结构和重金属重金属离子在水泥熟料矿物晶体结构和重金属离子电价离子电价、电负性电负性等有关。等有关。重金属等微量元素对水泥熟料烧成的影响重金属等微量元素对水泥熟料烧成的影响 n铬（铬（Cr）元素）元素 Cr2O3在水泥熟料固相反应中起到在水泥熟料固相反应中起到矿化剂矿化剂的作用。在水泥的作用。在水泥熟料烧结过程中，熟料烧结过程中，Cr2O3对物理化学性能的变化、液相化对物理化学性能的变化、液相化学活性的增加以及熟料水化活性的增加均起到了学活性的增加以及熟料水化活性的增加均起到了有利有利的作的作用。用。n锌（锌（Zn）元素）元素 锌（锌（Zn）是一种有效的）是一种有效的助熔剂助熔剂和和矿化剂矿化剂，在水泥熟料的烧，在水泥熟料的烧成过程中，它能成过程中，它能降低降低熟料的熟料的烧结温度烧结温度，加速游离氧化钙的加速游离氧化钙的吸收吸收，并且，并且加深熟料的颜色加深熟料的颜色。纯纯C3S和掺和掺Ni的的C3S的的XRD图图 n 镍（镍（Ni）元素）元素 n铅（铅（PbPb）有关研究表明，铅掺入生料中煅烧成熟料后，熟料中通常说有关研究表明，铅掺入生料中煅烧成熟料后，熟料中通常说的四种矿物相都能被检测到，同时，还能检测到少量的的四种矿物相都能被检测到，同时，还能检测到少量的C12A7,并且并且B矿矿会作为一个孤立的内含物被包裹在会作为一个孤立的内含物被包裹在A矿矿里。里。n镉（镉（CdCd）据文献报道，将据文献报道，将Cd掺入水泥生料煅烧成熟料后，掺入水泥生料煅烧成熟料后，Cd主要存主要存在于在于A矿和矿和B矿中矿中，并且熟料中矿物相，并且熟料中矿物相C3A会被会被C12A7替代替代。含含Cd的熟料的熟料凝结时间凝结时间会有一定的会有一定的滞后滞后且且抗压强度略有提高抗压强度略有提高。n其它重金属元素其它重金属元素铊（铊（Tl）可以取代可以取代K存在黏土矿物中，存在黏土矿物中，Tl与与Al有化学相似性，也有化学相似性，也可以存在于硫化物矿物中。可以存在于硫化物矿物中。汞（汞（Hg）的沸点只有的沸点只有356.58，在将含有汞元素的水泥生料煅，在将含有汞元素的水泥生料煅烧成水泥熟料的过程中，汞往往会蒸发逸出。因此，烧成水泥熟料的过程中，汞往往会蒸发逸出。因此，用煅烧水用煅烧水泥熟料的方法来稳定汞元素显然没有效果泥熟料的方法来稳定汞元素显然没有效果。砷（砷（As）在富在富CaO的燃烧物料中和有氧存在的条件下形成难挥的燃烧物料中和有氧存在的条件下形成难挥发的砷酸钙（发的砷酸钙（Ca3(AsO4)2）,约约90结合在熟料中。结合在熟料中。锑（锑（Sb）的特性与的特性与As相似。相似。其它元素如其它元素如钼（钼（Mo）、钽（）、钽（Ta）、铌（）、铌（Nb）等，均属于不挥等，均属于不挥发类元素，这类元素发类元素，这类元素90以上直接进入熟料。以上直接进入熟料。钒（钒（V）多以有机金属化合物的形式存于原料和燃料中，在水多以有机金属化合物的形式存于原料和燃料中，在水泥窑中时不挥发，泥窑中时不挥发，90以上结合在熟料中，其余的进入窑灰。以上结合在熟料中，其余的进入窑灰。重金属等微量元素对水泥水化、硬化的影响重金属等微量元素对水泥水化、硬化的影响 n对熟料水化放热速率的影响对熟料水化放热速率的影响 对于掺垃圾灰的水泥熟料来说，由于垃圾灰中含有众多的微量重金属元素，对于掺垃圾灰的水泥熟料来说，由于垃圾灰中含有众多的微量重金属元素，因此在水泥水化期间，这些微量重金属元素极有可能与其它产物发生反应或因此在水泥水化期间，这些微量重金属元素极有可能与其它产物发生反应或者重金属元素之间也会有复合效应，从而生成新的化合物，覆盖在未水化的者重金属元素之间也会有复合效应，从而生成新的化合物，覆盖在未水化的水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面，使水泥的正常水化被延迟水泥的正常水化被延迟了。了。n对水泥水化、硬化过程的影响对水泥水化、硬化过程的影响 重金属等微量元素对水泥水化硬化过程会有不同程度的影响，其作用机理各重金属等微量元素对水泥水化硬化过程会有不同程度的影响，其作用机理各不相同。不相同。X.D.Li等人研究认为各种重金属可以以一种或几种方式进入水泥水等人研究认为各种重金属可以以一种或几种方式进入水泥水化体系：化体系：吸附、化学吸附、沉淀、离子交换、束缚、表面形成、物理固封吸附、化学吸附、沉淀、离子交换、束缚、表面形成、物理固封和和化学固封化学固封等。等。n在水泥水化产物中稳定化机理在水泥水化产物中稳定化机理 重金属等微量元素在硬化水泥浆体的稳定化机理可能包括两个方面：重金属等微量元素在硬化水泥浆体的稳定化机理可能包括两个方面：C-S-H凝胶的吸附作用凝胶的吸附作用；重金属以其它方式结合在硬化水泥浆体中重金属以其它方式结合在硬化水泥浆体中，包括，包括生成新的生成新的化合物化合物，代替代替Ca或或Si的位置进入到硬化水泥浆体中的位置进入到硬化水泥浆体中等等。重金属以这些方式等等。重金属以这些方式进入硬化水泥浆体中，被稳定在水泥产物中，从而降低了其渗出量，减少了进入硬化水泥浆体中，被稳定在水泥产物中，从而降低了其渗出量，减少了对人体和生态环境的影响。对人体和生态环境的影响。重金属等微量元素对水泥强度的影响重金属等微量元素对水泥强度的影响v由于掺重金属的水泥熟料的矿物组成各不相同，必定由于掺重金属的水泥熟料的矿物组成各不相同，必定会对其抗压强度产生一定的影响。会对其抗压强度产生一定的影响。熟料矿物组成上的熟料矿物组成上的影响影响是重金属对抗压强度产生影响的一个比较主要的是重金属对抗压强度产生影响的一个比较主要的原因之一。原因之一。重金属等微量元素的浸出试验重金属等微量元素的浸出试验 n目前，关于目前，关于有害固体废弃物浸出毒性有害固体废弃物浸出毒性的试验方法，国的试验方法，国内外尚没有统一的规定。发达国家相继制定有多种浸内外尚没有统一的规定。发达国家相继制定有多种浸出试验法，它们在浸出试验方式、浸提时间、样品预出试验法，它们在浸出试验方式、浸提时间、样品预处理和浸提剂的选择等方面都各有不同，并大多属于处理和浸提剂的选择等方面都各有不同，并大多属于试验室中进行的快速浸出试验方法。试验室中进行的快速浸出试验方法。n在水泥生产中，进入水泥中的重金属等微量元素的量在水泥生产中，进入水泥中的重金属等微量元素的量可分为可分为总含量总含量和和可溶性含量可溶性含量，后者又称为，后者又称为“有效含量有效含量”。而实际上与环保有关的是后一部分：只有。而实际上与环保有关的是后一部分：只有可溶性可溶性含量不超过有关限量规定含量不超过有关限量规定才能说该水泥或混凝土是符才能说该水泥或混凝土是符合环保要求的。合环保要求的。重金属等有害废弃物的控制技术重金属等有害废弃物的控制技术v常用的化学处理方法常用的化学处理方法药剂稳定化技术药剂稳定化技术是通过药剂的作用，将危险废物中的有毒有害污是通过药剂的作用，将危险废物中的有毒有害污染物转化成染物转化成低溶解性、低迁移率低溶解性、低迁移率及及低毒性低毒性物质的过程。它主要包物质的过程。它主要包括括中和、沉淀中和、沉淀和和氧化还原氧化还原技术。技术。固化处理固化处理是利用物理或化学的方法将危险固体废弃物是利用物理或化学的方法将危险固体废弃物固定固定或或包容包容在惰性集体物质内，使之呈现在惰性集体物质内，使之呈现化学稳定性化学稳定性或或密封性密封性的一种无害化的一种无害化处理技术。固化的机理十分复杂，其固化过程有的是将危险废弃处理技术。固化的机理十分复杂，其固化过程有的是将危险废弃物通过化学的作用转变为低溶解性、低迁移率及低毒性的物通过化学的作用转变为低溶解性、低迁移率及低毒性的稳定化稳定化过程过程；有的是将危险废弃物用惰性材料加以包容使之转变成；有的是将危险废弃物用惰性材料加以包容使之转变成不可不可流动的固体流动的固体或或形成紧密固体形成紧密固体的的固化过程固化过程，但是大多数固化过程两，但是大多数固化过程两者兼而有之。固化技术按照所用处理剂的不同，分为者兼而有之。固化技术按照所用处理剂的不同，分为水泥固化水泥固化、石灰固化、热塑性材料固化、有机聚合物固化、自胶结固化、玻石灰固化、热塑性材料固化、有机聚合物固化、自胶结固化、玻璃固化璃固化等六类。目前用的较多的是水泥固化技术以及各种固化技等六类。目前用的较多的是水泥固化技术以及各种固化技术的结合使用。术的结合使用。v其它处理方法：其它处理方法：