碳酸固化醫(yī)療廢物焚燒飛灰的實驗研究

沈兵兵(安徽國科檢測科技有限公司，安徽 合肥 230000)

0 引言

醫(yī)療廢物是指醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)在醫(yī)療、預(yù)防、保健及其他相關(guān)活動中產(chǎn)生的具有直接或降解感染性、毒性以及其他危害性的廢物[1]。因其感染性、損傷性、生物毒性和化學(xué)毒性等原因，一旦處理不當(dāng)，醫(yī)療廢物中的多種病原體極易造成水體、空氣、土壤等環(huán)境問題，并傳播疾病危害人體健康。故醫(yī)療廢物被列入《國家危險廢物名錄》[2]。隨著科技進步和醫(yī)療水平提升，我國每年產(chǎn)生的醫(yī)療廢物也逐年增加。2019 年我國196 個大、中城市醫(yī)療廢物產(chǎn)生量為84.3 萬噸[3]，2020 年新冠肺炎的爆發(fā)讓人們更加意識到醫(yī)療廢物處理處置的急迫性?，F(xiàn)階段，我國處理處置醫(yī)療廢物的主要方式有焚燒法和非焚燒法[4-5]。而焚燒法對于一些一次性醫(yī)療產(chǎn)品以及感染性和病理性等醫(yī)療廢物具有更好的處置效果。但是焚燒帶來的醫(yī)療廢物飛灰(MWIFA) 富含高濃度的氯鹽、重金屬和二噁英，依舊是我國《國家危險廢物名錄》中規(guī)定的危險廢物[6-7]。飛灰的處理技術(shù)主要有化學(xué)藥劑穩(wěn)定法、水泥固化技術(shù)、高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)、水熱處理技術(shù)和浮選技術(shù)[8-11]。由于本實驗所選的樣品中含有大量的鈣，故MWIFA 選用碳酸鈣固化技術(shù)處理，即對象中通入二氧化碳，大部分有毒污染物及其氧化物會與二氧化碳反應(yīng)生成碳酸固化物，從而使污染物質(zhì)穩(wěn)定，浸出率下降。碳酸固化將危險廢物穩(wěn)定化同時，又可以對溫室氣體二氧化碳進行吸附和固定，具有很好的應(yīng)用前景。

1 材料及方法

1.1 實驗材料及設(shè)備

1.1.1 驗材料

飛灰樣品：來自合肥某醫(yī)療焚燒處理廠，經(jīng)過1 000 ℃以上高溫焚燒所得，由于該廠在處理的醫(yī)療用品在生產(chǎn)過程中添加了滑石粉，經(jīng)焚燒后CaCO3分解為CaO，含有大量CaO 的焚燒飛灰非常有利于進行碳酸固定化處理。經(jīng)過XRF 分析其主要成分如表1 所示。其主要成分為CaO 和PbO，約占總量的78.34%，并且測得該樣品含水率低僅為0.99%，故本實驗以考察不同條件下碳酸固化焚燒飛灰對Ca2+和Pb2+浸出影響。

表1 飛灰主要元素組成

實驗藥劑：鹽酸、0.1% 酚酞指示劑、0.1% 甲基橙指示劑、氫氧化鉀、鈣黃綠素、氯化鉀、0.05 mol/L EDTA 溶液。

1.1.2 器及設(shè)備

上海越平科學(xué)儀器有限公司pH 計(pHs-3CB) 和分析天平(ABY-120)，天津市泰斯特儀器有限公司電爐(DK-98-11)，上海姚氏儀器設(shè)備廠鼓風(fēng)干燥箱(DXC-92438)，天津啟星動力科技有限公司循環(huán)水式真空泵(SHZ-D( Ⅲ))，上海仁器儀器恒溫振蕩器(DS-52)，南京上元工業(yè)氣體有限公司二氧化碳(99.99%)，德國耶拿分析儀器股份公司原子吸收光譜儀(ZEEnit)。

1.2 實驗步驟

實驗裝置如圖1 所示，將二氧化碳連接上質(zhì)量流量計，再通過軟管通入三通瓶內(nèi)液面以下。放入恒溫水浴鍋進行實驗。當(dāng)達到設(shè)定的反應(yīng)時間后，關(guān)閉氣體，待樣品冷卻至室溫后，將樣品近過濾取濾渣放入鼓風(fēng)干燥箱中，在105 ℃干燥至恒重。

圖1 實驗裝置圖

通過該實驗裝置，將10 g 飛灰樣品加入過量20% 鹽酸溶解(加酸后剩余固體比為0.9%)，分別考察不同固液比、反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、震蕩速度和CO2空氣流量比對碳酸固化的影響，以Pb2+和Ca2+浸出濃度來反應(yīng)最終處置效果。

1.3 實驗方法

將上面得到的樣品進行震蕩法實驗，取上述樣品和干飛灰樣品10 g(作空白樣) 于錐形瓶中，添加液固比(L∶S)=10∶1(mL∶g)的蒸餾水(100 mL)，加塞后固定于恒溫水浴振蕩器上，調(diào)節(jié)振蕩頻率為110±10 次/min，在室溫下振蕩8 h 后取下錐形瓶，靜置16 h 后進行過濾，將濾液裝入100 mL 容器中，滴3 滴硝酸放入4 ℃的冰箱中保存。

(1) 浸出液Pb2+含量標(biāo)準(zhǔn)曲線。用原子吸收法繪制Pb2+濃度-吸光度標(biāo)準(zhǔn)曲線，具體如圖2 所示。Y=0.034 5X+0.002 3,R2=0.999 4。其中Y為吸光度，X為Pb2+濃度。

圖2 Pb2+濃度-吸光度A標(biāo)準(zhǔn)曲線

(2) 浸出液Ca2+含量測定。鈣黃綠素酚酞混合指示劑的配置：稱取0.14 g酚酞、40 g氯化鉀、0.4 g鈣黃綠素進行研磨混勻，放置于廣口瓶中待用。用量筒量取50 mL 浸出液倒入250 mL錐形瓶中，向浸出液中滴入3 滴1+1 鹽酸，待完全混合后，置于電爐上加熱至沸騰，冷卻后加入少量鈣黃綠素酚酞指示劑，再加入5 mL 20% 氫氧化鉀溶液，震蕩混勻，用0.05 mol/L EDTA溶液滴定，當(dāng)溶液由黃綠色變?yōu)榧t色時則滴定結(jié)束，浸出液Ca2+含量測定如下式。

式中：Y為Ca2+濃度(以CaCO3計，mg/L)；V為消耗EDTA 溶液體積(mL)；M為EDTA 溶液濃度(mol/L)；V水為水樣體積(mL)。

2 結(jié)果與分析

2.1 固液比對碳酸固化的影響

固液比能明顯影響焚燒飛灰對二氧化碳的吸收，實驗將固液質(zhì)量比定為1∶2、1∶4、1∶6、1∶8 和1∶10，取10 g 干燥飛灰于三通瓶中，并加入相應(yīng)體積的蒸餾水，通入純二氧化碳 5 min，保證排出所有的空氣，然后將三通瓶加塞，將三通瓶置于震蕩速度為100 次/min、20 ℃的恒溫水浴振蕩器上進行振蕩，反應(yīng)2 h，結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可以看出，隨著固液比增加，浸出液中Pb2+和Ca2+濃度逐漸減小，當(dāng)固液比為1∶6 時達到最小值，Pb2+和Ca2+濃度分別為0.52 mg/L 和1 650 mg/L，其原因一是因為碳酸固化反應(yīng)中需要適量水分使得CO2可以充分吸收，才能充分反應(yīng)，二是因為達到反應(yīng)平衡，部分重金屬等物質(zhì)無法進一步被去除。

圖3 固液比對浸出液中Pb2+和Ca2+濃度的影響

2.2 時間對碳酸固化的影響

實驗將反應(yīng)時間定為1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h 和3.0 h，取10 g 干燥飛灰于三通瓶中，并加入60 mL 蒸餾水，通入純二氧化碳5 min，保證排出所有的空氣，然后將三通瓶加塞，將三通瓶置于震蕩速度為100 次/min、20 ℃的恒溫水浴振蕩器上進行振蕩，反應(yīng)相應(yīng)的時間，繪制曲線如圖4 所示。

圖4 反應(yīng)時間對浸出液中Pb2+和Ca2+濃度的影響

隨著反應(yīng)時間的增加，浸出液中Pb2+和Ca2+濃度逐漸下降直至平緩。當(dāng)反應(yīng)時間到1.5 h 時反應(yīng)浸出濃度急劇變化，直至2 h 時趨于穩(wěn)定。

2.3 反應(yīng)溫度對碳酸固化的影響

加速碳酸固化反應(yīng)的溫度會影響焚燒飛灰對二氧化碳的吸收，實驗將反應(yīng)溫度定為10 ℃、20 ℃、30 ℃、和40 ℃，取10 g干燥飛灰于三通瓶中，并加入60 mL 蒸餾水，通入純二氧化碳5 min，保證排出所有的空氣，然后將三通瓶加塞，將三通瓶置于震蕩速度為100 次/min、相應(yīng)溫度的恒溫水浴振蕩器上進行振蕩，反應(yīng)2 h。繪制溫度對Pb2+和Ca2+濃度的影響圖如圖5所示。

圖5 反應(yīng)溫度對浸出液中Pb2+和Ca2+濃度的影響

低溫條件下，浸出液離子濃度過高，但隨著溫度的升高，浸出液濃度逐漸下降。當(dāng)溫度為20 ℃時，Pb2+濃度穩(wěn)定在0.50 mg/L，Ca2+濃度為1 650 mg/L。

2.4 反應(yīng)震蕩速率對碳酸固化的影響

在相同條件下反應(yīng)時間可能會影響焚燒飛灰對二氧化碳的吸收，實驗將震蕩速率定為20 次/min、60 次/min、100 次/min、140 次/min 和180 次/min，取10 g 干燥飛灰于三通瓶中，并加入60 mL 蒸餾水，通入純二氧化碳5 min，保證排出所有的空氣，然后將三通瓶加塞，將三通瓶置于相應(yīng)的震蕩速度、20 ℃的恒溫水浴振蕩器上進行振蕩，反應(yīng)2 h。

如圖6 所示，可以看出震蕩速率對Pb2+和Ca2+浸出濃度影響并不是很大，主要可能是二氧化碳通入樣品反應(yīng)池使得反應(yīng)更加均勻，但是在實際生產(chǎn)中由于樣品質(zhì)量較大，還是需要一定的震蕩和攪拌以促進反應(yīng)的進行。

圖6 震蕩速率對浸出液中Pb2+和Ca2+濃度的影響

2.5 CO2 空氣流量比對碳酸固化的影響

實驗將CO2在CO2與空氣的混合氣體中的占比設(shè)為0、0.03%、20%、60%、80% 和100%，取10 g 干燥飛灰于三通瓶中，并加入60 mL 蒸餾水，實驗前通入純二氧化碳5 min，保證排出所有的空氣，然后將三通瓶加塞，將三通瓶置于震蕩速度為100 次/min、20 ℃的恒溫水浴振蕩器上進行振蕩，反應(yīng)2 h。

如圖7 所示，可以看出，CO2濃度對Pb2+和Ca2+浸出濃度影響非常明顯，隨著CO2流量比的增加，Pb2+和Ca2+浸出濃度顯著下降。以Pb2+濃度為例，即使CO2流量比達到60%，Pb2+濃度仍為4.65 mg/L，依舊不能達到國家的標(biāo)準(zhǔn)浸出濃度1 mg/L。只有當(dāng)CO2流量比為100% 才能確保Pb2+浸出濃度達標(biāo)。

圖7 CO2流量比對浸出液中Pb2+和Ca2+濃度的影響

3 結(jié)語

通過對飛灰加速碳酸固化的各種影響因素的實驗，研究了對該飛灰的碳酸固化效果。實驗結(jié)果表明：

(1) 通過垃圾焚燒后產(chǎn)生的飛灰含水率極小為0.99%，加酸后幾乎能夠完全溶解，剩余固體比為0.9%，經(jīng)過檢測后飛灰中的Ca 含量最高，以CaO 和CaCO3的形式存在。經(jīng)過上述實驗得CaO 含量為37.6%，CaCO3含量為56%，飛灰的重金屬中Pb2+的含量最高。在重金屬浸出實驗中，經(jīng)過原子吸收光譜法測得飛灰的重金屬中Pb 的含量達到了52.65 mg/L，已經(jīng)遠遠超出了國家重金屬浸出標(biāo)準(zhǔn)中的1 mg/L。

(2) 通過對不同固液比、溫度、反應(yīng)時間、震蕩速率和CO2空氣流量比單因素實驗可以得出，當(dāng)固液比為1∶6，溫度為20 ℃左右，反應(yīng)時間為2 h，通入純CO2，飛灰碳酸固化效果最明顯，本實驗中震蕩速率對實驗結(jié)果影響不大，主要原因是CO2通入使得少量樣品可以充分反應(yīng)。另外在最優(yōu)條件下Pb2+的含量由52.65 mg/L 降低到0.50 mg/L，去除率達到99%，基本可以認(rèn)為對該飛灰進行加速碳酸固化降低重金屬浸出濃度的方案是可行的。

(3) 使用碳酸固化技術(shù)來固定焚燒飛灰中的重金屬是一種新型固化技術(shù)。從本實驗可以看出，碳酸固化后焚燒飛灰中重金屬的浸出率大幅下降，且在工程實踐中具有成本低廉、操作工藝簡單等特點，同時還可以利用垃圾焚燒時所產(chǎn)生的CO2對飛灰進行碳酸固化，既降低了成本又減少了溫室氣體的排放，具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>