水泥窑协同处置重金属污染土...生产水泥熟料的微观机理研究_丁欢.pdf

2023年第1期0引言随着长江大保护战略的持续推进，为了进一步做好生态修复、环境保护和绿色发展“三篇文章”，政府相继出台 沿江企业关改搬转任务清单、长江经济带绿色发展专项中央预算内投资管理办法 等政策，支持并推进长江沿线环境保护及修复工作，伴随沿江化工企业搬迁遗留在原场地的重金属污染土壤亟需进行无害化处置，而水泥窑作为资源化消纳重金属污染土壤的一种有效途径，起着至关重要的作用。本文通过不同梯度重金属污染土壤投加的工业试验，分析重金属元素带入对于熟料微观结构的影响，为工程化应用提供参考1。1实验1.1原材料实验所用重金属污染土壤来源于武汉滨江某地块污染土壤修复项目，化学成分及重金属含量见表1，2，实验在葛洲坝嘉鱼水泥有限公司进行，所用原材料为石灰石、铁矿石、粉煤灰及砂岩，化学成分见表3。表1污染土壤化学成分%含水率15.6烧失量7.43SiO261.20Al2O310.85Fe2O36.73CaO4.68MgO2.95SO30.60R2O2.53Cl-0.01表2污染土壤中重金属含量mg/kgCdNDCr71.2Cu133Mn815Ni319Pb140Zn273As185Hg0.331.2实验方案本实验采用不同梯度的重金属污染土壤投加，分别是 0%、1.5%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%进行实验，对熟料的微观形貌进行分析。2结果分析2.1XRD分析衍射仪(XRD)法是一种最主要的X射线衍射分析方法。XRD 分析是利用晶态或非晶态材料与 X射线相互作用产生衍射线的方向和强度以获得其结构信息2。通过对各个梯度试验的熟料进行分析，对比各类矿物含量差异变化，X射线衍射图谱、熟料矿物组成及含量对比情况，见图1及表4。2/（）01.52.02.53.03.54.0重金属污染土壤掺比/%A-硫酸钙（石膏），B-C3S,C-C2S,D-C3A,E-C4AF,F-f-CaO图1熟料XRD对比图从XRD图谱上可以看出，各梯度实验熟料主要矿物成分无明显变化，硅酸三钙的含量随污染土壤的投加呈先升高后降低的趋势，当投加量为 3.5%时，达到峰值，含量达69.44%；通过对熟料中硅酸三钙及硅酸二钙的含量进行比较，可以发现其含量趋于稳定，不随投加梯度的变化而产生大的波动3，4。2.2熟料SEM分析为了研究掺加重金属污染土壤后对生产的水泥中图分类号：TQ172.6文献标志码：B文章编号：1007-0389（2023）01-24-02【DOI】10.13697/ki.32-1449/tu.2023.01.007水泥窑协同处置重金属污染土壤生产水泥熟料的微观机理研究丁 欢葛洲坝洁新（武汉）科技有限公司，湖北 武汉 430205原料石灰石铁矿石粉煤灰砂岩含水率2.24.520.06.83烧失量40.803.337.740.60w（SiO2）5.002.4647.7690.00w（Al2O3）1.202.4923.293.60w（Fe2O3）0.5172.634.923.20w（CaO）50.0010.415.711.50w（MgO）0.616.511.320.63w（SO3）0.041.471.850.58w（R2O）0.320.750.920.62表3生料化学成分%设计研究丁 欢：水泥窑协同处置重金属污染土壤生产水泥熟料的微观机理研究-242023年第1期熟料水化过程的影响，按照一定的比例添加天然石膏，使用实验室小磨粉磨，得到比表面积为 350100m2/kg的基准水泥，按照0.5的水灰比拌合水泥浆体，得到280d试块，再在规定时间内以无水乙醇终止水化，采用扫描电镜对试块进行观察，得到对应倍数下的电镜照片5。在水泥浆体水化过程中，主要产物为水化硅酸钙凝胶（CSH），氢氧化钙（CH），钙钒石（AFt），单硫型水化硫铝酸钙（AFm）。本文选取了0%、3%及4%三个梯度水泥水化28d作为特征时刻进行观察。图2空白样品28 d水化电镜照片图33%梯度样品28 d水化电镜照片图44%梯度样品28 d水化电镜照片由图24可以看出，CH晶体呈六方板状，形状较规则，无明显变化，但是随着重金属污染土壤掺加量的增加，在28d水化照片可以明显发现CH晶体含量在相对的增加，特别是在4%梯度放大5000倍的照片中，可以明显的观察到大量的CH晶体。根据CH晶体的不稳定特性，结合各个梯度下的水泥熟料强度性能，则可以说明4%梯度下的水泥熟料28d强度相比于其他梯度，有一定的下降，但仍然大于标准规定的 52 MPa。AFt 与 AFm 在水泥浆体中生成较快，AFt在基准水泥加水后24h大量产生，当石膏消耗完以后，逐步转变成为AFm，所以在28d水化照片中反映出其中的AFt与AFm基本无变化5。3结论（1）硅酸三钙的含量随污染土壤的投加呈先升高后降低的趋势，当投加量为3.5%时达到峰值，含量达69.44%；（2）重金属污染土壤的掺入不会改变熟料的矿物组成，随污染土壤投加量的增加，熟料矿物中硅酸三钙与硅酸二钙的含量仍趋于稳定；（3）随重金属污染土壤掺加量的增加，水化产物中CH晶体含量也在相对增加。参考文献1 姚 鹏.践行“两山”理念 湖北为长江大保护交出合格答卷N.中国妇女报.2 顾少轩,雷丽文,祝振奇,等.材料的化学合成、制备与表征M.武汉理工大学出版社:2016，03.182.3 胡 洋.水泥基材料固化/稳定化处理生活垃圾焚烧飞灰重金属及机理研究D.华东理工大学,2021.4 罗 旭,付永鑫,丁 欢.水泥窑协同处置重金属污染土壤对熟料质量的影响J.水泥,2021(08):20-22.5 水中和.胶凝材料学M.武汉理工大学出版社:,2018，10.253.6 季尚行,张 雄,管宗甫,等.水泥工艺学M.武汉理工大学出版社:,2017，03.298.（收稿日期：2022-10-25）重金属污染土壤投加梯度4.03.53.02.52.01.50.0C3S-M121.3022.5123.8824.8327.9024.3428.50C3S-M342.3846.9337.3238.3336.6534.7035.66M1/M30.500.480.640.650.760.700.80总C3S63.6869.4461.2063.1664.5559.0464.16总C2S10.165.2815.2812.0010.8612.8310.51C3S+C2S73.8474.7276.4875.1675.4171.8774.67C3A立方1.581.681.241.812.342.372.30C3A斜方2.573.823.603.421.643.623.63C3A4.155.504.845.233.985.995.93C4AF12.0910.6210.2010.5211.8211.1911.19方镁石0.370.220.270.070.030.250.26石英0.060.050.060.090.070.020.07表4熟料矿物组成对比分析%设计研究丁 欢：水泥窑协同处置重金属污染土壤生产水泥熟料的微观机理研究-25