電鍍污泥基膠凝材料的制備及性質(zhì)分析

巴 黎 劉志英 徐學(xué)驍 康治金 劉 楊 徐炎華#

(1.南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 211800；2.南京工大環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 210009)

電鍍污泥基膠凝材料的制備及性質(zhì)分析

巴 黎1劉志英1徐學(xué)驍2康治金1劉 楊1徐炎華1#

(1.南京工業(yè)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 211800；2.南京工大環(huán)境科技有限公司，江蘇 南京 210009)

將電鍍污泥作為混合材料摻到水泥中，取代部分水泥熟料制備電鍍污泥基膠凝材料。測(cè)定了膠凝材料試樣的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、膠砂流動(dòng)度、強(qiáng)度等物理性能指標(biāo)，同時(shí)分析膠凝材料試樣的微觀(guān)水化性能與累積孔體積，測(cè)定了膠凝材料的重金屬浸出濃度。結(jié)果表明，在電鍍污泥摻量為0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，制備的膠凝材料試樣強(qiáng)度達(dá)到《通用硅酸鹽水泥》(GB175—2007)規(guī)定的52.5R級(jí)水泥強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)；在摻量為1.5%、2.5%時(shí)，制備的膠凝材料試樣強(qiáng)度達(dá)到GB175—2007規(guī)定的42.5R級(jí)水泥強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，且重金屬浸出濃度滿(mǎn)足《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB5085.3—2007)要求。微觀(guān)測(cè)試表明，電鍍污泥的摻入使得水化放熱總量降低。

電鍍污泥 膠凝材料 硅酸鹽水泥 強(qiáng)度 摻量

Abstract: Electroplating sludge was added as mixed material into the cement to prepare the electroplating sludge-based complex binder. The water requirement of normal consistency,setting time,fluidity of mortar,strength, and other physical performance indexes of complex binder were detected. The microscopic hydration properties,accumulated pore volume and the leaching concentrations of heavy metals from complex binder were also determined. The results indicated that when the electroplating sludge content was 0.5%(mass ratio),the cement strength could reach 52.5R of “Common Portland cement”(GB 175-2007),when the content was 1.5% and 2.5%,the cement strength could reach 42.5R and the leaching concentrations of heavy metals were lower than the limits of the “Identification standards for hazardous wastes - identification for extraction toxicity”(GB 5085.3-2007). Microscopic tests showed that the incorporation of electroplating sludge reduced the total amount of hydration heat release.

Keywords: electroplating sludge; complex binder; Portland cement; strength;content

電鍍業(yè)是當(dāng)今3大污染行業(yè)之一。電鍍污泥是指電鍍企業(yè)的廢水經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理后所產(chǎn)生的固體廢棄物，是典型的危險(xiǎn)廢物[1]。2014年，江蘇省共有產(chǎn)電鍍污泥的企業(yè)1 532家，電鍍污泥產(chǎn)生量從2009年的不到8萬(wàn)t/a增長(zhǎng)到2014年的近16萬(wàn)t/a[2]。電鍍行業(yè)為江蘇省經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)作出了重要貢獻(xiàn)，同時(shí)也帶來(lái)了突出的環(huán)境問(wèn)題，如電鍍污泥的處置問(wèn)題。江蘇省范圍內(nèi)的電鍍企業(yè)呈現(xiàn)數(shù)量多、分布散、產(chǎn)品雜的特點(diǎn)，監(jiān)管難度大，存在偷排漏排等問(wèn)題。同時(shí)其產(chǎn)生的污泥重金屬含量高，其主要成分為鉻、鎳、銅等重金屬的氫氧化物[3]，對(duì)環(huán)境易造成巨大危害[4]。毒性較強(qiáng)的電鍍污泥，現(xiàn)階段的處置方法主要為焚燒加填埋對(duì)其進(jìn)行最終處置[5]，資源化利用的案例較少。工業(yè)固體廢物處置方面的難題一直制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和環(huán)境的保護(hù)，如何實(shí)現(xiàn)電鍍污泥的資源化與無(wú)害化處置，實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”[6]，顯得尤為重要。

水泥與電鍍污泥進(jìn)行混合，可以制備出復(fù)合型膠凝材料[7]。本研究將電鍍污泥作為混合材料摻到水泥中，部分取代水泥熟料制備電鍍污泥基膠凝材料，探究電鍍污泥對(duì)水泥各項(xiàng)性能的影響。水泥可以對(duì)電鍍污泥中的重金屬起到固化作用，在水泥對(duì)電鍍污泥中重金屬起到固化作用的前提下，將電鍍污泥與水泥熟料混合制備膠凝材料可以實(shí)現(xiàn)電鍍污泥的無(wú)害化和資源化，雖然電鍍污泥的摻量不大，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度和工業(yè)化生產(chǎn)角度分析，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，實(shí)現(xiàn)了污泥的無(wú)害化處置和資源化利用，開(kāi)辟了電鍍污泥資源化的新途徑。

表1 電鍍污泥與水泥成分分析1)

注：1)以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)。

同時(shí)，為水泥工業(yè)碳減排問(wèn)題的解決提供新的思路[8]，為解決電鍍行業(yè)污泥處置難題進(jìn)行了初步探索。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

水泥為江南水泥廠(chǎng)提供的Ⅱ型硅酸鹽水泥；電鍍污泥取自江蘇省蘇州市某工業(yè)園區(qū)危廢處置中心。電鍍污泥與水泥的成分分析見(jiàn)表1。

1.2 膠凝材料制備

將電鍍污泥在105 ℃下烘干12 h后粉碎，過(guò)100目篩。由前期探索試驗(yàn)得知，當(dāng)電鍍污泥的摻量超過(guò)3.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，膠凝材料試樣成型后不能順利拆模。所以本試驗(yàn)擬定電鍍污泥的摻量為0、0.5%、1.5%、2.5%。按以上的混料方案分別稱(chēng)取水泥與電鍍污泥，混合后加入等質(zhì)量的混料球，在棍磨機(jī)上混12 h，保證充分混勻?；旌暇鶆蚝笾瞥赡z凝材料試樣，并對(duì)4種試樣進(jìn)行物理性能和微觀(guān)性能測(cè)試。

1.3 性能檢測(cè)方法

1.3.1 物理性能測(cè)試

膠凝材料試樣的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間測(cè)定參照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GB/T 1346—2011)進(jìn)行。

膠凝材料的膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》(GB/T 17671—1999)進(jìn)行。

膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)參照《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》(GB/T 2419—2005)進(jìn)行。

1.3.2 微觀(guān)性能測(cè)試

水化熱測(cè)試：使用TAM Air 8通道水泥水化熱測(cè)定儀測(cè)定各試樣至少70 h的膠凝材料水化放熱行為。

累積孔體積測(cè)定：利用PoreMaster GT60壓汞儀對(duì)膠凝材料試樣水化3 d的累積孔體積進(jìn)行測(cè)試。

1.3.3 重金屬浸出毒性檢測(cè)

根據(jù)《固體廢物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》(HJ/T 299—2007)對(duì)各膠凝材料進(jìn)行重金屬浸出，采用PE5300DV電感耦合等離子直讀光譜儀測(cè)定浸出液的重金屬濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 膠凝材料的物理性能

各試樣的物理性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。由表2可知，摻入電鍍污泥增大了膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量。當(dāng)電鍍污泥摻量增加到2.5%時(shí)，膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量相比摻量為0時(shí)增加了22.29%。電鍍污泥的加入，使得混料中的礦物組分變得更復(fù)雜，試樣的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量變大。膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量與水泥熟料里含有的礦物組成及混料的種類(lèi)有很大的關(guān)系[9]。HASSANI等[10]研究水泥固化含有重金屬的土壤時(shí)發(fā)現(xiàn)，含有重金屬的土壤顯著降低了水泥的早期強(qiáng)度，水化28 d后的強(qiáng)度僅為45.0 MPa。

電鍍污泥的摻入對(duì)膠凝材料的凝結(jié)時(shí)間存在明顯影響。由表2可見(jiàn)，試樣的初凝、終凝時(shí)間隨著電鍍污泥摻量的增加逐漸增加。當(dāng)電鍍污泥摻量達(dá)到2.5%時(shí)，其初凝、終凝時(shí)間分別為292、365 min，均達(dá)到最大值，但此時(shí)依然滿(mǎn)足《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)中規(guī)定的初凝時(shí)間不小于45 min，終凝時(shí)間不大于390 min的要求。電鍍污泥和硅酸鹽水泥復(fù)配，初凝、終凝時(shí)間隨著電鍍污泥摻量的增加逐漸增加，這說(shuō)明了電鍍污泥的加入使得早期水化相互排斥。

表2 電鍍污泥摻量對(duì)膠凝材料標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、膠砂流動(dòng)度的影響

表3 各膠凝材料試樣的膠砂強(qiáng)度

GB 175—2007明確指出，對(duì)復(fù)合硅酸鹽水泥的強(qiáng)度而言：水化3 d≥19. 0 MPa，水化28 d≥42.5 MPa時(shí)，水泥的強(qiáng)度等級(jí)為42.5R級(jí)；水化3 d≥23.0 MPa，水化28 d≥52.5 MPa時(shí)，水泥的強(qiáng)度等級(jí)為52.5R級(jí)。本試驗(yàn)中各膠凝材料的膠砂強(qiáng)度如表3所示。

由表3可知，電鍍污泥摻量為0.5%時(shí)，膠凝材料試樣強(qiáng)度符合GB 175—2007 中規(guī)定的52.5R級(jí)水泥標(biāo)準(zhǔn)；電鍍污泥摻量為1.5%、2.5%時(shí)，膠凝材料試樣強(qiáng)度符合GB 175—2007 中規(guī)定的42.5R級(jí)水泥標(biāo)準(zhǔn)。從相同齡期的強(qiáng)度來(lái)看，隨著電鍍污泥摻量的不斷增加，其強(qiáng)度大體呈降低趨勢(shì)，但降低后仍可達(dá)到42.5R的強(qiáng)度等級(jí)。

2.2 膠凝材料的微觀(guān)分析

2.2.1 水化熱分析

圖1、圖2分別為摻入不同摻量電鍍污泥的膠凝材料72 h內(nèi)的水化放熱速率及累積放熱量。圖1的早期水化溶解峰主要是鈣礬石、游離氧化鈣、硫酸鹽沉淀引起的放熱。放熱主峰主要是由水泥中硅酸三鈣的水化放熱引起的。由圖2可以看出，摻量為0時(shí)72 h內(nèi)的累積放熱量為275.4 J/g，而摻量為2.5%時(shí)的放熱量則降低到255.7 J/g，體系的累積放熱量隨著電鍍污泥的摻量增加而減小。電鍍污泥的加入會(huì)降低膠凝材料試樣的放熱總量。

圖1 各膠凝材料試樣的水化放熱速率Fig.1 Hydration heat release rate of complex binder samples

圖2 各膠凝材料試樣的累積放熱量Fig.2 Cumulative heat release of the complex binder samples

2.2.2 累積孔體積分析

圖3為膠凝材料試樣的累積孔體積分布曲線(xiàn)。由圖3可知，隨著電鍍污泥摻量的增加，膠凝材料試樣的累積孔體積逐漸增加。當(dāng)電鍍污泥摻量為2.5%時(shí)，膠凝材料試樣的累積孔體積相比摻量為0時(shí)增加了86.7%。電鍍污泥加入增加了試樣內(nèi)孔體積，而這些孔的存在不利于試樣強(qiáng)度的增加，這與強(qiáng)度測(cè)試所得的趨勢(shì)是一致的。

圖3 各膠凝材料試樣的累積孔體積曲線(xiàn)Fig.3 Accumulated pore volume curve of the complex binder samples

2.3 重金屬浸出毒性分析

污泥中的重金屬元素能否固化在水泥中是污泥能否用來(lái)制備膠凝材料的決定性因素之一，如果污泥中含有的重金屬元素不能固化在水泥中，在自然環(huán)境下易被浸出，將會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生危害，并且對(duì)人類(lèi)健康帶來(lái)威脅，這將對(duì)利用電鍍污泥制備膠凝材料產(chǎn)生極大限制。

對(duì)電鍍污泥摻量為2.5%的膠凝材料水化28 d后的試樣和污泥原樣進(jìn)行浸出分析，重金屬浸出結(jié)果如表4所示。由表4可知，電鍍污泥摻量達(dá)到2.5%時(shí)的膠凝材料其重金屬浸出濃度均滿(mǎn)足GB 5085.3—2007的要求。由于電鍍污泥摻量較小且膠凝材料對(duì)電鍍污泥中重金屬起到一定固化作用[11]，在摻量相對(duì)較低的情況下，此膠凝材料中的重金屬在實(shí)際應(yīng)用中不易被浸出。

表4 重金屬浸出結(jié)果1)

注：1)ND表示未檢出；標(biāo)準(zhǔn)限值為《危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn) 浸出毒性鑒別》(GB 5085.3—2007)規(guī)定的限值。

3 結(jié) 論

(1) 物理測(cè)試結(jié)果表明，膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間隨著電鍍污泥摻量的增加而增加。摻量為2.5%時(shí)，膠凝材料的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量相比摻量為0時(shí)增加了22.29%，凝結(jié)時(shí)間達(dá)到最大，初凝時(shí)間為292 min，終凝時(shí)間為365 min。強(qiáng)度隨著電鍍污泥摻量的增加而大致呈降低趨勢(shì)。摻量為2.5%時(shí)，強(qiáng)度達(dá)到最小值。

(2) 水化熱分析表明，隨著電鍍污泥摻量的增加，累積放熱量降低。累積孔體積測(cè)試表明，電鍍污泥的摻入增大了膠凝材料試樣內(nèi)孔體積。

(3) 重金屬浸出毒性分析表明，電鍍污泥摻量達(dá)到2.5%時(shí)制備的膠凝材料其重金屬浸出濃度均滿(mǎn)足GB 5085.3—2007要求。

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Preparationandpropertyanalysisofelectroplatingsludge-basedcomplexbinder

BALi1，LIUZhiying1，XUXuexiao2，KANGZhijin1，LIUYang1，XUYanhua1.

(1.SchooloftheEnvironment,NanjingTechUniversity,NanjingJiangsu211800；2.NanjingGongdaEnvironmentalTechnologyCo.，Ltd.,NanjingJiangsu210009)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.017

2016-11-04)

巴 黎，女，1992年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楣腆w廢棄物資源化。#

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