河道底泥制備新型環(huán)保材料的實驗研究*

李佳玲

(上海理工大學環(huán)境與建筑學院，上海　200093)

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河道底泥制備新型環(huán)保材料的實驗研究*

李佳玲

(上海理工大學環(huán)境與建筑學院，上海200093)

以受重金屬污染的河道底泥為主要原料，水泥、沸石粉等為添加劑，采用免燒結(jié)工藝制備新型環(huán)保材料。通過正交試驗考察了河道底泥、水泥及水灰比等因素對材料抗壓強度的影響，結(jié)果表明：水泥含量對材料抗壓強度影響最大，其次為底泥量、水灰比；免燒磚最佳配比為底泥50%，水泥20%，水灰比為0.36時，其7 d抗壓強度為7.5 MPa，28 d抗壓強度達10.1 MPa，重金屬浸出濃度達地表水環(huán)境質(zhì)量標準中I類水體標準。

底泥；免燒結(jié)；正交試驗；抗壓強度；浸出毒性

目前，河道底泥資源化利用主要包括土地利用、制作建筑材料、制作污水處理材料、固化后作填方材料[1]。底泥在土地利用時要選擇合理的植物、位置，控制底泥單位面積的施用量，還要考慮其對地下水、地表水、土壤可能造成的影響。底泥制作污水處理材料不能消納大量的底泥。固化后作填方材料則存在固化體強度不高，重金屬浸出率高等問題[2]。2012年，國家發(fā)改委宣布，我國將在“十二五”期間在上海等數(shù)百個城市和相關縣城逐步限制使用粘土制品或禁用實心粘土磚。這為疏浚底泥替代黏土制作建筑材料提供了良好的契機，既可以實現(xiàn)底泥的資源化，又可以減緩建材制造業(yè)與農(nóng)業(yè)爭土。然而底泥作建筑材料大多采用高溫燒結(jié)工藝，不僅消耗大量能源，還可能造成大氣污染[3]。

本文采用上海復興島河道底泥為主要原料，將其制備具有一定力學性能及孔隙的免燒磚，以抗壓強度為指標，通過正交分析確定材料配比，并重點檢測分析底泥免燒磚重金屬浸出毒性。

1　材料與方法

1.1原材料

試驗用河道底泥取自上海復興島運河-海安路斷面，底泥采集后保存于聚乙烯塑料桶中，靜置96 h后倒出上覆水，去除礫石顆粒等雜質(zhì)，制得試驗用底泥樣品。上海海螺水泥有限責任公司42.5#普通硅酸鹽水泥作為主要黏結(jié)劑、固化劑；采用發(fā)泡劑致孔，沸石粉、石膏等作為添加劑，適宜摻量可改善混凝土拌合物和易性，提高水泥混凝土的強度[4]。

1.2底泥免燒磚的制備

添加劑量為沸石粉10%，沸石10%，石膏2.5%，發(fā)泡劑/水為0.2%。采用正交試驗確定材料配比，因素水平表見表1。

表1　因素水平表

免燒磚制備步驟：底泥樣品自然風干后粉碎過200目篩，按表1所示配比與水泥、沸石粉、石膏、水等混合均勻，攪拌約10 min后注入40×40×160 mm三聯(lián)模中，在膠砂振動臺上振動數(shù)分鐘，自然條件下養(yǎng)護24 h后脫模；用保鮮膜包住試塊，放入養(yǎng)護箱內(nèi)標準養(yǎng)護7～28 d后置于水中浸泡約24 h，取出，自然風干即得底泥免燒磚。

1.3實驗方法

底泥樣品、免燒磚重金屬浸出毒性實驗參照《固體廢物浸出毒性浸出方法-醋酸緩沖溶液法》規(guī)定的浸出方法，采用ICP-MS測定浸出液中Cu、Pb等重金屬浸出濃度。

2　結(jié)果與分析

2.1底泥化學性質(zhì)

本試驗所用底泥樣品燒失率：4.43%，pH：7.75，干基化學成分主要為SiO2(63.78%)，Al2O3(15.98%)，F(xiàn)e2O3(5.74%)，CaO(5.30%)，MgO(3.27%)，K2O(3.12%)，其組成與粘土相似。底泥重金屬浸出濃度見表2。底泥樣品中Cu、Cd的浸出濃度超過GB3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中的V類水體標準，若底泥隨意棄置，重金屬重新釋放進入環(huán)境，造成新的污染。

表2底泥重金屬浸出濃度

Table 2　Heavy mental content of leachate from sediment (mg/L)

2.2正交結(jié)果和極差分析

表3　正交實驗結(jié)果

正交試驗以材料7 d及28 d抗壓強度為考核指標，強度越高免燒磚性能越好。各因素正交實驗結(jié)果見表3。所考察的3個因素中，水泥含量對材料抗壓強度影響最大，其次是底泥含量與水灰比。免燒磚7 d與28 d的抗壓強度最佳配比為A1B3C1，且隨著養(yǎng)護時間的延長，材料抗壓強度增大。

2.3單因素分析

材料抗壓強度隨各因素的變化如圖1所示。

圖1　抗壓強度隨各因素各水平的變化

由圖1可知：(1)隨著底泥含量的增加，材料抗壓強度減小。為提高底泥資源化利用率，本文底泥添加量選為50%；(2)根據(jù)表3正交結(jié)果得出水泥含量優(yōu)選為25%，但由圖1可知， 當水泥含量從15%增加至20%時，材料抗壓強度增加趨勢較水泥含量從20%增加至25%時更為明顯。少量沸石粉替代水泥添加到免燒磚中，沸石粉的火山灰活性在后期被激發(fā)，生成相應的水化產(chǎn)物對免燒磚后期強度發(fā)展有利?？紤]免燒磚制備經(jīng)濟成本，本文水泥含量選為20%；(3)增加材料水灰比，其抗壓強度減小。水灰比過大時，新生成的膠體水泥漿濃度低，水化后混凝土體內(nèi)的多余游離水分著在骨料上，膠體與骨料粘結(jié)面積減小，粘結(jié)力下降，混凝土硬化時會產(chǎn)生細小裂紋，從而降低了混凝土強度。水灰比過小時，膠體和晶體的材料不能充分形成，混凝土和易性差，混凝土振搗、密實很困難，如果在混凝土充分硬化后未水化水泥再遇水發(fā)生水化作用，水化產(chǎn)物造成的膨脹應力作用便有可能造成混凝土的開裂。本實驗結(jié)合材料制備時和易性，水灰比選為0.36。

2.4掃描電鏡(SEM)分析

對底泥及養(yǎng)護7 d、28 d的免燒磚進行SEM分析，結(jié)果如圖2所示。河道底泥呈松散狀態(tài)，顆粒及孔隙清楚。隨著水泥的加入，水化反應開始，在顆粒表面形成很薄的一層纖維狀水化硅酸鈣等晶體。水化反應繼續(xù)，晶體越來越大并在空間中搭橋，賦予底泥磚一定的強度。隨著養(yǎng)護時間的延長，水泥中硅酸二鈣等進一步水化，同時水化反應生成的Ca(OH)2與底泥、沸石粉中的活性SiO2和Al2O3反應，溶液中析出新的晶體和水化硅酸鈣凝膠不斷充滿在結(jié)構(gòu)的空間中，免燒磚的強度也不斷增加。整個反應過程中，由于發(fā)泡劑的加入，使得免燒磚仍保留孔隙結(jié)構(gòu)。

圖2　底泥和養(yǎng)護7 d、28 d的免燒磚SEM表征圖

2.5重金屬浸出毒性

免燒磚重金屬浸出毒性結(jié)果見表4,其重金屬浸出濃度較底泥有了大幅度的降低，可達I類水體標準。這主要是因為水泥水化作用將重金屬污染底泥包裹起來并相互交聯(lián)，形成穩(wěn)定的包裹體，從而使得重金屬離子難以浸出，形成一種穩(wěn)定的固化體[5]。

表4重金屬浸出毒性結(jié)果

Table 4Heavy mental leaching toxicity results

(mg/L)

3　結(jié)　論

(1)免燒磚抗壓強度隨著水泥添加量的增大而增大，隨底泥添加量、水灰比的增加而減小。極差分析和方差分析所得結(jié)果一致：水泥含量對材料抗壓強度影響最為顯著，其次為底泥添加量、水灰比。

(2)綜合極差分析、單因素分析及經(jīng)濟性考慮，免燒磚最佳配比為底泥50%、水泥20%、水灰比0.36、沸石粉10%，沸石10%，石膏2.5%，發(fā)泡劑/水為0.2%。底泥浸出液中Cu、Cd的濃度超出地表水環(huán)境質(zhì)量V類水質(zhì)標準，免燒磚在最佳配比時7 d抗壓強度為7.5 MPa，28 d抗壓強度為10.1 MPa，重金屬浸出濃度可達I類水質(zhì)標準，底泥中的重金屬固化效果良好。

[1]梁啟斌,鄧志華,崔亞偉. 環(huán)保疏浚底泥資源化利用研究進展[J].中國資源綜合利用,2010,28(12):23-26.

[2]魏國俠,劉漢橋,王少龍,等.電石渣固化河道底泥的試驗研究[J].環(huán)境衛(wèi)生,2010,18(2):1-3.

[3]Yang Xu, Chang hong Yan, Baotian Xu, et al.The use of urban river sediments as a primary raw material in the production of highly insulating brick[J]. Ceramics International,2014:8833-8840.

[4]劉健,許金余,羅鑫,等.礦物摻合料對堿礦渣粉煤灰膠凝材料改性研究[J].新型建筑材料,2011(10):12-14.

[5]王川,楊朝暉,曾光明,等.DTCR協(xié)同水泥固化/穩(wěn)定化重金屬污染底泥的研究[J].中國環(huán)境科學,2012,32(11):2060-2066.

Experiment on A New Environmentally Friendly Material Making from River Sediment*

LIJia-ling

(School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Bricks were prepared through non-sintered process by using river sediment containing heavy metals. Effects of water-cement ratio and mixing proportion of river sediment, cement on brick compressive strength were studied. Results showed that after 28 day conservation period, compressive strength could reach 10.1 MPa with sediment, cement and water-cement ratio were 50%, 20%, 0.36, respectively. The heavy metals leaching level reached the I Standard of Environmental Quality Standard for Surface Water.

sediment; non-sintered; orthogonal experiments; compressive strength; leaching toxicity

上海市科委重點支撐項目(No:13230502300)。

李佳玲(1993-)，女，碩士研究生，研究方向為水污染控制。

X705

A

1001-9677(2016)03-0041-03