粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料的制备方法
技术领域
本发明属于固体废弃物循环再生利用和固化污染物材料制备领域。具体涉及一种粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料的制备方法。
背景技术
随着我国港口、航道、近海和海洋工程建设的迅速发展,每年各类工程清理出的淤泥数量不断增加,2010年仅我国珠江三角洲地区产生的淤泥总量就达8000万m3。淤泥中含有大量有毒的重金属元素,若不采取措施直接进行倾倒处理会污染土壤和水体,进而严重危害人们的身体健康。传统的倾倒处理淤泥的方式有很大的局限性且处理成本较高,已无法满足实际需要。寻找更为有效、更加经济的方法去处置日益增加的淤泥废物已成为世界各国普遍关注的热点问题。
上世纪九十年代开始,日本等国开始使用粉煤灰-水泥无机聚合物对淤泥进行固化处理。此种淤泥固化方法主要是在淤泥中掺入水泥、粉煤灰、石灰等无机固化材料,通过搅拌、混合和养护后,固化材料与淤泥发生一系列的水解和水化反应使得原本无强度的淤泥变成具备一定力学性能的固结体。固化材料添加到淤泥中,在淤泥颗粒表面包裹上一层不可逆转的胶凝物质硬化壳,使淤泥颗粒具备一定的水稳定性和强度稳定性。同时具有胶凝性质的水化产物在淤泥颗粒之间形成了网状结构,即构成了淤泥的骨架,结晶类的水化产物填充网状结构的孔隙,导致淤泥内部变得致密。由于包裹在淤泥颗粒上的凝结硬化壳和淤泥颗粒之间网状结构的形成有效降低了淤泥中重金属活性,从而减少了重金属从固结体渗出的可能性。使用粉煤灰-水泥无机聚合物对淤泥进行固化是一种非常有效的处理淤泥方法。但是,目前使用的粉煤灰-水泥无机聚合物固化淤泥还存在一些问题,如制备此种无机聚合物需大量使用水泥,粉煤灰、磨细矿渣等工业废弃物取代水泥的比例较低,粉煤灰-水泥无机聚合物固化淤泥所形成固结体强度发展缓慢,固结体干缩大、易开裂。
发明内容
本发明的目的在于针对传统粉煤灰-水泥无机聚合物淤泥固化材料大量使用水泥、固结体强度发展缓慢且干缩大、易开裂等难题。提供了一种完全不使用水泥、只使用废弃物、固化速度快、固结体体积稳定性好的粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料的制备方法。
实现本发明的技术方案是:
一种粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)对废弃玻璃进行分拣、清洗、晾干、粉碎处理后,过筛去除废弃玻璃中的杂质与形状不规则的颗粒;然后将废弃玻璃颗粒放入球磨机中球磨30-60分钟后得磨细废弃玻璃粉待用;
(2)将氢氧化钠与焦亚硫酸钠溶解在拌和水中,控制搅拌速度和水溶液pH值,使其形成均一溶液;
(3)将胶凝材料、废弃聚丙烯地毯纤维放入装有搅拌器的容器中以30转/分钟搅拌速度混合1-2分钟,所述胶凝材料为粉煤灰和磨细废弃玻璃粉。然后将含有氢氧化钠与焦亚硫酸钠的拌和水溶液加入到容器中,在30转/分钟搅拌速度下继续搅拌1-2小时。为避免无机聚合物在容器底部层积,需使用铁铲对无机聚合物浆体进行人工搅拌1-2次。最后,60转/分钟的搅拌速度下加速拌合0.5小时,去除无机聚合物浆体中气泡,制备出粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物固化材料。
进一步,所述步骤(2)中氢氧化钠用量为拌合水重量的8%,焦亚硫酸钠用量为拌合水重量的4.5%。
进一步,所述步骤(2)中控制拌速度在30转/分钟和水溶液pH值控制在12以上。
进一步,所述步骤(3)中废弃聚丙烯地毯纤维为胶凝材料用量的0.5%。
本发明制备的粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料有如下优点:
(1)与传统的粉煤灰-水泥无机聚合物淤泥固化材料相比,虽然新型粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物由于氢氧化钠、焦亚硫酸钠、废弃聚丙烯地毯纤维的加入,每生产一吨此种固化材料需增加原材料费用10元。但粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料中,粉煤灰和废弃玻璃粉完全取代水泥,每生产一吨此种固化材料仅水泥材料费用的节约可达25元。综合计算,生产一吨粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料可节约原材料费用15元。以每年生产此种新型固化材料10000吨计算,可节约原材料成本15万元。
(2)制备粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料完全不使用水泥,减少了水泥生产过程中CO2等温室气体和工业粉尘排放对环境的影响。利用磨细废弃玻璃粉来制备淤泥固化材料大量消耗了废弃玻璃,避免了传统填埋方法处理废弃玻璃需占用大量土地和对周围环境产生严重污染的问题。废弃玻璃作为一种资源用于制备淤泥固化材料是循环使用废弃玻璃废物的最佳途径。
(3)粉煤灰、磨细废弃玻璃粉具有良好的减水效果和很低的吸水率,这导致粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物浆体不需掺加高效减水剂就能达到对无机聚合物浆体流动性的要求。每生产1吨此种新型淤泥固化材料高效减水剂费用节约达5元,按每年生产此种新型固化材料10000吨计算,可节约材料成本5万元。
(4)在粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料制备过程中,氢氧化钠和焦亚硫酸钠复合激发剂的掺加,加快了无机聚合物早期聚合速度,粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物与淤泥形成的固结体强度发展快,废弃玻璃粉胶凝材料早期水化反应产生的微膨胀补偿了淤泥固结体的早期收缩,废弃聚丙烯地毯纤维的加入抑制了淤泥固结体长期收缩开裂。新型粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料克服了传统粉煤灰-水泥无机聚合物淤泥固化材料需大量使用水泥、固结体强度发展慢、干缩大、易开裂等缺点,提高了无机聚合物淤泥固结体的力学性能、体积稳定性、显著降低了固结体中重金属的浸出量。粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物固化淤泥后形成的固结体可作为土木工程材料继续使用,扩大了粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料的应用范围。
附图说明
图1是本发明粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料的制备流程图。
图2是FAC、FAG无机聚合物固化材料固化淤泥后固结体的抗压强度。
图3是FAC、FAG无机聚合物固化材料固化淤泥后固结体的抗折强度。
图4是FAC、FAG无机聚合物固化材料固化淤泥后固结体的干燥收缩值。
图5是FAC、FAG无机聚合物固化材料固化淤泥后固结体的碱硅酸反应膨胀值。
图6是FAC、FAG无机聚合物固化材料固化淤泥后固结体的重金属浸出量。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步阐释本发明。
实施例1
粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料的制备方法,包括以下步骤:
1、淤泥的预处理
将污水处理厂、河流清淤、填海工程所得的淤泥进行充分搅拌后,放置在含有顶棚的露天7-10天,60-80℃温度下脱水烘干,粉碎通过5mm方孔筛,去除淤泥中各种杂质。取处理后淤泥按美国环境保护暑毒性特性浸出方法(TCLP,EPAMethod1311)测定淤泥中重金属浸出量。
2、粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料的制备
2.1、原材料
将废弃白色玻璃饮料瓶进行分拣、清洗、晾干、粉碎处理后通过5mm方孔筛,去除废弃玻璃中的杂质与形状不规则颗粒。将废弃玻璃砂放入容积为10L球磨机中以40转/分钟速度球磨40分钟,磨细废弃玻璃粉密封放置48小时,使用激光粒度仪测得磨细废弃玻璃粉平均颗粒尺寸为14.878um。
实验所使用的粉煤灰为南京华能电厂一级粉煤灰。拌和用水为饮用水。氢氧化钠与焦亚硫酸钠为工业品,废弃聚丙烯纤维为废弃地毯经过处理后的短切纤维,短切纤维长度小于12mm。
2.2、粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料组分配比
粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料(FAG)各组分配比为胶凝材料(粉煤灰+磨细废弃玻璃粉):拌合水(制备无机聚合物所使用的水叫拌和水)=1:0.4,粉煤灰占胶凝材料总量30%,磨细废弃玻璃粉占胶凝材料总量70%,氢氧化钠用量为拌合水重量8%,焦亚硫酸钠用量为拌合水重量4.5%,废弃聚丙烯地毯纤维为胶凝材料用量0.5%。同时将未掺氢氧化钠、焦亚硫酸钠、废弃聚丙烯地毯纤维的传统粉煤灰-水泥(FAC)无机聚合物淤泥固化材料作为对比样。两种无机聚合物淤泥固化材料组成配比见表1。
表1.无机聚合物淤泥固化材料组分配比
2.3、具体制备过程
将2.0-2.5kg氢氧化钠、1.0-1.5kg焦亚硫酸钠加入到28.0-29.0kg拌合水中,30转/分钟搅拌速度下搅拌2分钟形成均一溶液,控制水溶液pH值在12以上。将20-25kg粉煤灰、50-55kg磨细废弃玻璃粉、0.3-0.4kg废弃聚丙烯地毯纤维放入搅拌器中以30转/分钟搅拌速度混合1-2分钟。然后将氢氧化钠和焦亚硫酸钠的拌和水溶液加到容器中,在30转/分钟搅拌速度下继续搅拌1-2小时。为避免无机聚合物在容器底部层积,需使用铁铲对无机聚合物浆体进行人工搅拌1-2次。最后,在60转/分钟的搅拌速度下加速拌合0.5小时,去除无机聚合物浆体中气泡,制备出粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物固化材料待用。
3、固化材料固化淤泥的实验配合比
固化淤泥实验时,固化材料用量:淤泥用量=1:8,两种无机聚合物固化材料固化淤泥的实验配合比见表2。
表2.无机聚合物固化材料固化淤泥的实验配合比
样品名称 |
固化材料组成(kg) |
淤泥用量(kg) |
固化材料/淤泥 |
FAC-S |
100 |
800 |
1:8 |
FAG-S |
103.94 |
831.52 |
1:8 |
4、无机聚合物与淤泥形成的固结体抗压强度、抗折强度、干燥收缩值、碱硅酸反应膨胀值、重金属的浸出量测定
在进行淤泥固化实验时,在800-850kg淤泥中加入100-110kg上述粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物固化材料,以60转/分钟的搅拌速度下搅拌2分钟,形成均一的无机聚合物淤泥浆体。将无机聚合物淤泥浆体浇筑到40mm×40mm×160mm三联模中,制备12块试样进行1,3,7,28d固化淤泥的固结体的抗压强度和抗折强度检测。其他新拌无机聚合物淤泥浆体浇筑到25mm×25mm×285mm三联模中,制备6块试样进行固化淤泥的固结体干燥收缩值和碱硅酸反应膨胀值检测。余下的无机聚合物淤泥浆体浇筑φ40mm×80mm模中,制备3块试样进行淤泥固结体重金属浸出量检测。最后将装有FAG-S无机聚合物淤泥浆体的试模放置在室内(温度25℃,湿度55-65%),24小时后试样从试模中移除并放置在温度为20℃,湿度为90±5%养护室直到测试龄期。相同条件下制备相同数量FAC-S无机聚合物淤泥浆体,进行对比实验。
本发明制备的粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物淤泥固化材料固化淤泥后的固结体的性能如下:
如图2所示为FAC、FAG无机聚合物固化材料固化淤泥后固结体的抗压强度对比,图中可以看出,在不同的养护龄期,FAG粉无机聚合物固化淤泥后的固结体具有比传统FAG无机聚合物固化淤泥后的固结体更高的抗压强度。
如图3所示为FAC、FAG无机聚合物固化材料固化淤泥后固结体的抗折强度对比,图中可以看出在不同的养护龄期,FAG无机聚合物固化淤泥后的固结体具有比传统FAC无机聚合物固化淤泥后的固结体更高的抗折强度。
如图4所示为FAC、FAG无机聚合物固化材料固化淤泥后固结体的干燥收缩值,图中可以看出FAG无机聚合物固化淤泥后的固结体具有比传统FAC无机聚合物固化淤泥后的固结体更低的干燥收缩值。
如图5所示为FAC、FAG无机聚合物固化材料固化淤泥后固结体的碱硅酸反应膨胀值,图中可以看出FAG无机聚合物固化淤泥后的固结体具有比传统FAC无机聚合物固化淤泥后的固结体更大的碱硅酸反应膨胀。
如图6所示为FAC、FAG无机聚合物固化材料固化淤泥后固结体的重金属浸出量,图中可以看出FAG无机聚合物固化淤泥后的固结体具有比传统FAC无机聚合物固化淤泥后的固结体更低的重金属浸出量。
本发明制备的粉煤灰-废弃玻璃粉无机聚合物固化材料完全不使用水泥、固化速度快,固结体体积稳定性好、固结体的重金属浸出量低。使用粉煤灰、废弃玻璃粉来制备无机聚合物淤泥固化材料具有广阔的应用领域,能产生良好的技术、经济、社会和环保效益。