李晶晶,張敏娜,李 媛,唐陣武
(1.中化環(huán)境修復(上海)有限公司,上海 200235;2.北京化工大學化學工程學院,北京 100029;3.北京金隅紅樹林環(huán)保技術(shù)有限責任公司,北京 102402;4.中央民族大學生命與環(huán)境科學學院,北京 100081)
工業(yè)污泥中通常含有多種污染物[1]。燒制陶粒是工業(yè)污泥資源化處置的有效方法,該工藝可將重金屬固化在陶粒中[2-3]。陶粒原料中SiO2和Al2O3可使陶粒表面在高溫下形成釉質(zhì)層,增強陶粒的硬度[4-5]。成品陶粒可應(yīng)用于建筑材料及路基材料等[6-7]。
同時,工業(yè)污泥燒制陶粒過程中會有一部分重金屬發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化,進入煙氣和飛灰,對末端處置造成較大的壓力。許多學者對不同污泥燒制過程中重金屬揮發(fā)進行了探究,發(fā)現(xiàn)燒結(jié)溫度和停留時間對金屬揮發(fā)的影響較大[8-9]。Lin 等[10]和魏培濤[11]對不同燒結(jié)溫度下重金屬揮發(fā)特性進行探究,發(fā)現(xiàn)溫度升高促進了印染污泥中Pb 的揮發(fā),但對Zn揮發(fā)影響較??;在900 ℃下,隨著反應(yīng)時間延長底渣中的Pb 殘留量呈下降趨勢,而Zn 殘留量隨著時間延長而逐漸增加。Nowak 等[12]在對污泥進行熱處理時發(fā)現(xiàn),800 ℃下Zn 和Pb 的揮發(fā)率在10 min 內(nèi)可達到最大值。張日旭[13]利用XRF 分析方法對重金屬揮發(fā)機理進行探究,發(fā)現(xiàn)隨溫度升高,Pb 主要受氯化反應(yīng)影響,底渣中的分布量逐漸減少;1 000 ℃以上時,Zn 與原料中物質(zhì)發(fā)生反應(yīng),生成性質(zhì)穩(wěn)定的尖晶石結(jié)構(gòu),抑制Zn 揮發(fā)。
研究者對陶粒燒制過程中重金屬的固化機理也進行了探究。有學者對污泥進行熱處理研究,當燒結(jié)溫度為1 000 ℃以上時,Zn 可以轉(zhuǎn)化為性質(zhì)穩(wěn)定的尖晶石結(jié)構(gòu)存在于底渣中[14-15]。有研究表明,利用電鍍污泥制備燒結(jié)磚過程中,原料中SiO2在高溫下可與重金屬生成性質(zhì)穩(wěn)定的硅酸鹽物質(zhì),增強重金屬的固化效果,降低重金屬的揮發(fā)率,使重金屬在燒結(jié)磚中的分布量增大[16-18]。
針對固體廢物熱處理過程中重金屬污染物排放控制問題,許多學者對重金屬的揮發(fā)動力學進行了研究。張海軍[19]采用等溫動力學分析方法,得出飛灰焚燒過程中Cu、Pb 和Cr 的活化能Ea為130~190 kJ/mol。大部分學者主要對粉煤灰熱處置、垃圾焚燒等固體廢物處置過程中重金屬揮發(fā)動力學進行分析[20-21],但對于污泥陶粒燒制過程中重金屬揮發(fā)動力學的研究較少。
目前,我國每年大約產(chǎn)生1.0×107t 電鍍污泥[22]。電鍍污泥通常含有大量的有毒有害物質(zhì),已被列入《國家危險廢物名錄》,如果處置不當會對周圍環(huán)境造成嚴重污染[23-24]。利用電鍍污泥燒制陶粒是一種有效的資源化處置方法[25-27]。與其他工業(yè)污泥相比,電鍍污泥陶粒燒制過程中產(chǎn)生的重金屬污染物較多,并且各生產(chǎn)廠家采取的原料配比不同使原料中硅鋁比存在較大差異。而電鍍污泥陶粒中SiO2和Al2O3不僅是增強陶粒強度的主要成分,而且對重金屬的遷移轉(zhuǎn)化影響較大。但目前大多數(shù)學者主要對電鍍污泥陶粒成品的浸出毒性進行研究,對于電鍍污泥燒制陶粒過程中重金屬的遷移轉(zhuǎn)化機理和揮發(fā)動力學研究較少,尤其是不同工況下硅鋁比對重金屬遷移轉(zhuǎn)化的影響鮮有報道,缺少電鍍污泥燒制陶粒過程中重金屬污染物排放控制的理論依據(jù)。因此,本研究在實驗室條件下模擬電鍍污泥燒制陶粒過程,研究不同工況條件下硅鋁比對Zn 和Pb 揮發(fā)特性及揮發(fā)動力學的影響,并結(jié)合陶粒礦相組成和微觀形貌分析探究Zn 和Pb 的遷移轉(zhuǎn)化機理,以期為電鍍污泥燒制陶粒工藝中重金屬污染物控制提供科學依據(jù)。
本研究選取3 種電鍍污泥作為燒制陶粒的原料、選取頁巖作為配料以調(diào)節(jié)原料的硅鋁比。電鍍污泥原料均取自浙江寧波某電鍍生產(chǎn)企業(yè)、頁巖原料取自廣東地區(qū)某礦山。4 種原料的組成成分如表1 所示。
表1 電鍍污泥、頁巖組成成分分析Table 1 Composition analysis of electroplating sludge and shale
1.2.1 陶粒燒制實驗
燒制陶粒所用的實驗裝置如圖1 所示。主要包括供氣系統(tǒng)、管式爐加熱系統(tǒng)、飛灰過濾系統(tǒng)及尾氣收集系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)是由氣罐和轉(zhuǎn)子流量計構(gòu)成,供應(yīng)氣體為標準合成空氣。管式爐加熱系統(tǒng)由控溫管式爐和剛玉管構(gòu)成,管式爐溫度控制范圍為50~1 600 ℃,剛玉管尺寸為φ80 mm×1 200 mm,可耐1 600 ℃高溫。飛灰過濾系統(tǒng)由聚四氟乙烯夾具和孔徑為0.45 μm 的玻璃纖維濾膜構(gòu)成。尾氣收集系統(tǒng)根據(jù)EPA method 29,采用含5%HNO3+10%H2O2的兩級吸收液,收集尾氣中的氣體樣品。
圖1 實驗裝置示意Figure 1 Schematic of experimental apparatus
首先將電鍍污泥和頁巖原料置于105 ℃下烘干24 h,再對原料進行粉磨,過100 目篩。根據(jù)3 種電鍍污泥和頁巖成分分析,將電鍍污泥a、b、c 按照質(zhì)量比為3∶3∶2 混合均勻,再將混合電鍍污泥和頁巖按照1∶1 進行混合,加入約為混合物質(zhì)量25% 的去離子水制備低硅鋁比生陶粒。將混合電鍍污泥、頁巖和SiO2按照5∶4∶1 進行混合,加入同樣質(zhì)量的去離子水制備高硅鋁比生陶粒。生陶粒粒徑為10~20 mm。將陶粒生料置于通風處,風干48 h,使陶粒具有一定的初始強度。每次取20 g 陶粒生料置于瓷舟中,陶粒燒結(jié)溫度選取700、800、900、1 000、1 150 ℃。待管式爐升溫至目標溫度后將瓷舟推入恒溫區(qū)域。連接供氣系統(tǒng),調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計使氣體流量為0.5 L/min。停留時間分別選取8、16、24、32、40 min,燒制完成后將陶粒取出,冷卻至室溫后密封保存。
1.2.2 重金屬含量的測定
原料及陶粒的固體樣品經(jīng)研磨過篩后,稱取0.1 g 置于50 mL 的微波消解罐中,再加入8 mL HNO3、2 mL HF 和2 mL H2O2。將消解罐擰緊置于微波消解儀中進行微波消解,升溫程序如表2 所示。消解升溫程序結(jié)束后待冷卻至室溫,將消解罐取出,置于160 ℃恒溫石墨消解儀中趕酸2~3 h。待溶液蒸發(fā)至1 mL 左右,將溶液移入100 mL 容量瓶中并用5%HNO3溶液定容。用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Agilent 7500a)測定重金屬含量。
表2 微波消解升溫程序Table 2 Microwave digestion temperature program
采用方法空白、重復樣和標準物質(zhì)測定等檢驗實驗測定準確性和精密度。標準物質(zhì)GBW 07914 中Zn 和Pb 測定的準確率分別為97% 和118%,相對標準偏差分別為10%和8%。Zn 和Pb的檢出限分別為0.24 μg/kg 和0.22 μg/kg。
1.3.1 重金屬揮發(fā)率的計算
測定陶粒燒制前和燒制后重金屬含量,由式(1)計算重金屬揮發(fā)率。
式中:m0為陶粒燒制前的質(zhì)量,g;c0為陶粒燒制前重金屬含量,mg/kg;mt為陶粒經(jīng)過tmin 燒制后的質(zhì)量,g;ct為陶粒經(jīng)過tmin 燒制后的重金屬含量,mg/kg。
1.3.2 重金屬的揮發(fā)動力學
根據(jù)Arrhenius 方程式[28],重金屬揮發(fā)速率可由式(2)計算。
為求得反應(yīng)級數(shù)n、指前因子A和反應(yīng)活化能Ea,可將式(2)進行求積分,得出式(3),式(3)中G(α)為1/(1-α)n的原函數(shù)。選取反應(yīng)級數(shù)n=0、1/2、2/3、1 和2,將G(α)和反應(yīng)時間t進行線性擬合,可得出不同反應(yīng)級數(shù)下、不同反應(yīng)溫度對應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)k。再將反應(yīng)速率k取對數(shù)可得出式(4),將lnk和1/T進行線性擬合,可得出指前因子A和反應(yīng)活化能Ea。選取線性相關(guān)系數(shù)最大的擬合方程,確定反應(yīng)級數(shù)n。最終將反應(yīng)級數(shù)n、指前因子A和反應(yīng)活化能Ea代入式(3)中,即可得出重金屬揮發(fā)率α關(guān)于燒結(jié)時間t和燒結(jié)溫度T的揮發(fā)動力學方程。
式中:k為反應(yīng)速率常數(shù);t為反應(yīng)時間,min。
本實驗設(shè)置了兩組陶粒原料配比,配比一為電鍍污泥∶頁巖=1∶1,配比二為電鍍污泥∶頁巖∶SiO2=5∶4∶1。頁巖中SiO2占比為52.7%、Al2O3占比為18.5%,而其他成分含量較少,并且對重金屬遷移轉(zhuǎn)化影響較小。因此將配比一稱為低硅鋁比原料,配比二稱為高硅鋁比原料。不同硅鋁比陶粒燒制過程中Zn 和Pb 的揮發(fā)率如圖2 所示。
圖2 不同硅鋁比陶粒燒制過程中Zn 和Pb 的揮發(fā)率Figure 2 Volatilization rates of Zn and Pb during sintering of ceramsite with different Si/Al ratios
低硅鋁比陶粒燒制過程中,Zn 和Pb 的揮發(fā)率隨著燒結(jié)溫度升高和反應(yīng)時間延長而逐漸增大,如圖2(a)和圖2(b)所示。當燒結(jié)溫度為1 150 ℃、停留時間為40 min 時,Zn 和Pb 的揮發(fā)率最大,分別為52.62%和95.90%。有研究表明,當溫度大于700 ℃時,重金屬主要以氣態(tài)氯化物的形式揮發(fā)[29]。溫度升高可能促進了Zn 和Pb 與Cl 的結(jié)合,從而轉(zhuǎn)化為ZnCl2(g)和PbCl2(g),使Zn 和Pb 的揮發(fā)率逐漸增大。有研究發(fā)現(xiàn),700~1 000 ℃下Zn 主要以氧化物形式存在于陶粒中[30],因此Zn 的揮發(fā)性較弱。當溫度升高至1 150 ℃時,陶粒中含有大量的SiO2和Al2O3可能進一步使部分Zn 和Pb 轉(zhuǎn)化為性質(zhì)穩(wěn)定的硅酸鹽物質(zhì)而固化于陶粒中[13]。
高硅鋁比陶粒燒制過程中Zn 和Pb 的揮發(fā)率如 圖2 (c) 和 圖2 (d) 所 示。燒 結(jié) 溫 度 為1 150 ℃、停留時間為40 min 時,Zn 和Pb 的揮發(fā)率也最大。相對于低硅鋁比,Zn 和Pb 的揮發(fā)率分別下降了18.8 個百分點和4.4 個百分點。這主要是由于原料中SiO2占比增大,加強了陶粒中重金屬的固化反應(yīng),使更多的Zn 和Pb 固化于陶粒中[12]。并且,隨著溫度升高,SiO2發(fā)生熔融現(xiàn)象,產(chǎn)生的玻璃相物質(zhì)對重金屬具有包裹作用,從而抑制了重金屬的揮發(fā)。其他研究也證實了硅鋁比的提高有利于重金屬在底渣中的富集[31]。因此,硅鋁比提高可明顯抑制重金屬的揮發(fā)。
2.2.1 Zn 揮發(fā)動力學
選取5 種常見的反應(yīng)動力學級數(shù)進行擬合,分別為n=0、n=1/2、n=2/3、n=1、n=2。如表3 所示,將不同硅鋁比陶粒燒制過程中Zn 在不同溫度和不同反應(yīng)級數(shù)下的G(α)和停留時間t代入式(3)中進行線性擬合,得出線性擬合方程和線性相關(guān)系數(shù)。各擬合方程的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.9,表明擬合效果較好。線性擬合方程中的斜率即為該條件下Zn 的反應(yīng)動力學常數(shù)k,再將不同反應(yīng)級數(shù)下各反應(yīng)溫度T對應(yīng)的反應(yīng)動力學常數(shù)k代入式(4)中,對lnk和1/T進行線性擬合。低硅鋁比下lnk和1/T線性擬合結(jié)果表明(表4),反應(yīng)級數(shù)n=2 時,擬合方程的線性相關(guān)系數(shù)最大。因此,該條件下Zn 的揮發(fā)動力學方程符合2 級反應(yīng)。根據(jù)方程中的截距和斜率,可得出lnA=-1.485,Ea/R=2 829.644。經(jīng)計算可以得出A=0.23 s-1,Ea=23.53 kJ/mol。因此,低硅鋁比陶粒燒制過程中Zn 的揮發(fā)動力學方程可用式(5)表示。
表3 不同硅鋁比陶粒燒制過程中Zn 的G(α)與t 線性擬合Table 3 Linear fitting between G(α)and t of Zn during sintering of ceramsite with different Si/Al ratios
表4 不同硅鋁比陶粒燒制過程中Zn 的lnk 與1/T 線性擬合Table 4 Linear fitting between lnk and 1/T of Zn during sintering of ceramsite with different Si/Al ratios
根據(jù)高硅鋁比時Zn 的lnk與1/T擬合結(jié)果可知,反應(yīng)級數(shù)n=2/3 時擬合方程的線性相關(guān)系數(shù)最大。因此,確定該條件下Zn 的揮發(fā)動力學方程符合2/3 級反應(yīng)。根據(jù)擬合方程可計算得出指前因子A=0.07 s-1,反應(yīng)的活化能Ea=22.0 kJ/mol。因此,高硅鋁比陶粒燒制過程中Zn 的揮發(fā)動力學方程可用式(6)表示。
根據(jù)不同硅鋁比下Zn 反應(yīng)動力學分析結(jié)果可知,陶粒原料中硅鋁比提高,Zn 揮發(fā)動力學分析中反應(yīng)級數(shù)n和反應(yīng)活化能Ea均下降。
2.2.2 Pb 揮發(fā)動力學
將不同硅鋁比陶粒燒制過程中不同停留時間下Pb 的揮發(fā)率代入式(3)進行線性擬合,結(jié)果如表5 所示。由表5 可見,在低硅鋁比下,當反應(yīng)級數(shù)為2、燒結(jié)溫度為700 ℃時,G(α)和t線性擬合的相關(guān)系數(shù)為0.831。因此,Pb 的反應(yīng)動力學模型不適合2 級反應(yīng)。其他擬合方程的線性相關(guān)系數(shù)均大于0.9,表明擬合效果較好。
表5 不同硅鋁比陶粒燒制過程中Pb 的G(α)與t 線性擬合Table 5 Linear fitting between G(α)and t of Pb during sintering of ceramsite with different Si/Al ratios
再將得出的反應(yīng)動力學常數(shù)k及對應(yīng)的反應(yīng)溫度T代入式(4)中,對lnk和1/T進行線性擬合。低硅鋁比下lnk和1/T線性擬合結(jié)果表明(表6),當反應(yīng)級數(shù)n=0 時,線性相關(guān)系數(shù)最大。因此,可以確定該條件下Pb 的揮發(fā)動力學方程符合0 級反應(yīng)。根據(jù)n=0 時得出的擬合方程,經(jīng)計算得出指前因子A=0.21 s-1,反應(yīng)的活化能Ea=21.3 kJ/mol。低硅鋁比陶粒燒制過程中Pb 的揮發(fā)動力學方程可用式(7)表示。
表6 不同硅鋁比陶粒燒制過程中Pb 的lnk 與1/T 線性擬合Table 6 Linear fitting between lnk and 1/T of Pb during sintering of ceramsite with different Si/Al ratios
根據(jù)高硅鋁比時Pb 的lnk與1/T線性擬合結(jié)果可知,當反應(yīng)級數(shù)n=1 時,擬合方程的線性相關(guān)系數(shù)最大。因此,可以確定該條件下Pb 的揮發(fā)動力學方程符合1 級反應(yīng)。根據(jù)n=1 時確定的擬合方程,經(jīng)計算可得出指前因子A=1.23 s-1,反應(yīng)的活化能Ea=33.63 kJ/mol。高硅鋁比陶粒燒制過程中Pb 的揮發(fā)動力學方程可用式(8)表示。
根據(jù)不同硅鋁比下Pb 反應(yīng)動力學分析結(jié)果可知,陶粒原料中硅鋁比提高,Pb 揮發(fā)動力學分析中反應(yīng)級數(shù)n和反應(yīng)活化能Ea均提高。
綜上,陶粒原料中硅鋁比提高,Zn 的反應(yīng)級數(shù)n和反應(yīng)活化能Ea均下降,Pb 的反應(yīng)級數(shù)n和反應(yīng)活化能Ea均升高。王昕曄[29]的研究結(jié)果表明,活化能Ea主要影響重金屬揮發(fā)率對溫度變化的敏感性。根據(jù)Zn 和Pb 反應(yīng)活化能Ea的大小順序可知,相較于Zn,在高硅鋁比下Pb 的揮發(fā)速率對溫度變化更敏感。通過對不同硅鋁比陶粒燒制過程中重金屬揮發(fā)動力學進行探究,可得出各重金屬揮發(fā)動力學方程。根據(jù)該方程可為控制電鍍污泥燒制陶粒工藝中重金屬污染物揮發(fā)提供科學指導。
對燒制前、700 ℃和1 150 ℃下的高硅鋁比陶粒和低硅鋁比陶粒進行了SEM 分析,結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)~圖3(c)可知,低硅鋁比陶粒在燒制前顆粒呈不規(guī)則形狀,表面較粗糙,孔隙較小。當溫度上升至700 ℃時,顆粒表面出現(xiàn)了熔融現(xiàn)象,顆粒表面變光滑。由于有機物的揮發(fā),孔隙度增加,可能促進了重金屬在陶粒內(nèi)部的擴散。當溫度升高至1 150 ℃時,陶粒熔融產(chǎn)生了大量的玻璃相物質(zhì),表面非常光滑,顆粒呈規(guī)則形狀。這與周仕祺等[32]的研究相似。因此,1 150 ℃下陶粒熔融產(chǎn)生的玻璃相物質(zhì)一方面使陶粒內(nèi)部孔隙度減小,另一方面對重金屬具有包裹作用,能抑制重金屬揮發(fā)[33-34]。
圖3 低硅鋁比陶粒和高硅鋁比陶粒燒制前、700 ℃、1 150 ℃下的SEM 分析Figure 3 SEM analysis of low Si/Al ratio ceramsite and high Si/Al ratio ceramsite before firing,at 700 ℃and at 1 150 ℃
高硅鋁比陶粒的SEM 分析結(jié)果如圖3(d)~圖3(f)所示。陶粒原料硅鋁比提高,陶粒燒制前顆粒增多,表面更加粗糙。當燒結(jié)溫度在700 ℃時,孔隙增大,顆粒物增多,結(jié)構(gòu)松散。當燒結(jié)溫度為1 150 ℃時,陶粒表面已經(jīng)完全熔融,非常光滑,顆粒消失。與低硅鋁比陶粒相比,高硅鋁比陶粒產(chǎn)生的玻璃相物質(zhì)更多,結(jié)構(gòu)更加緊密。因此,陶粒原料中硅鋁比增大,會使陶粒熔融產(chǎn)生的玻璃相物質(zhì)增多,對重金屬的包裹作用增大,減少重金屬揮發(fā)。
為探究不同硅鋁比陶粒燒制過程中重金屬的形態(tài)轉(zhuǎn)化及揮發(fā)機理,對停留時間為40 min、燒結(jié)溫度分別為700、800、1 150 ℃下燒制的高硅鋁比和低硅鋁比陶粒進行了XRD 分析,結(jié)果如圖4所示。
圖4 低硅鋁比陶粒和高硅鋁比陶粒的XRD 分析Figure 4 XRD analysis of low Si/Al ratio ceramsite and high Si/Al ratio ceramsite
低硅鋁比陶粒燒制過程中,燒結(jié)溫度為700 ℃和800 ℃下,Zn 和Pb 主要以Zn2.5VMoO8和Pb 單質(zhì)存在于陶粒中,如圖4(a)所示。可見,700 ℃下一部分重金屬轉(zhuǎn)化為性質(zhì)穩(wěn)定的氧化物固化于陶粒中,另一部分重金屬揮發(fā)。當溫度由700 ℃上升至800 ℃時,CaSO4和SiO2含量減少。這與王昕曄[29]的熱力學計算結(jié)果相似。隨著溫度升高,CaSO4可轉(zhuǎn)化為CaO,SO42+與NaCl 轉(zhuǎn)化為Na2SO4,從而釋放出自由氯離子,促進了重金屬的揮發(fā)。當溫度升高至1 150 ℃時,低硅鋁比陶粒中物質(zhì)組成變化較大。Pb 的氧化物和氯化物熔沸點較低,大部分揮發(fā)至飛灰和煙氣中。然而,Zn 主要以性質(zhì)較穩(wěn)定的ZnCr2O4和ZnGa2O4存在于陶粒中,這與汪亞軍[35]的研究結(jié)果相似。
高硅鋁比陶粒燒制過程中,燒結(jié)溫度為700 ℃和800 ℃時,Zn 和Pb 主要以Zn2.5VMoO8、Pb 單質(zhì)和Pb4BiVO8存在于陶粒中,如圖4(b)所示。當燒結(jié)溫度升高至1 150 ℃時,未檢測到Pb,Zn主要以ZnCr2O4和ZnGa2O4形式固化在陶粒中。與低硅鋁比相比,高硅鋁比陶粒中重金屬形態(tài)隨溫度變化相似。因此,硅鋁比提高對重金屬的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化影響較小。
1)電鍍污泥陶粒燒制過程中,Zn 和Pb 的揮發(fā)率隨著溫度升高和反應(yīng)時間延長而逐漸增大,揮發(fā)性大小為Pb>Zn。
2)在1 150 ℃下,陶粒中硅鋁比增大,陶粒熔融產(chǎn)生的玻璃相物質(zhì)增多,對重金屬的包裹作用增強,能夠抑制Pb 和Zn 揮發(fā)。此外,陶粒原料中硅鋁比對重金屬揮發(fā)動力學影響較大,硅鋁比提高,Zn 揮發(fā)動力學分析中反應(yīng)級數(shù)n和反應(yīng)活化能Ea均下降,Pb 揮發(fā)動力學分析中反應(yīng)級數(shù)n和反應(yīng)活化能Ea均上升。
4)陶粒燒制過程中,隨著溫度升高,一部分重金屬以氧化物的形態(tài)存在于陶粒中,另一部分重金屬可能與自由氯結(jié)合揮發(fā)至煙氣和飛灰中。由于Pb 的氯化物和氧化物熔沸點較低,高溫下陶粒中Pb 分布量較小,而Zn 由于氧化物性質(zhì)較穩(wěn)定而在陶粒中分布量較大。