CN106377867A - 一种垃圾焚烧飞灰重金属固化剂及其固化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种垃圾焚烧飞灰重金属固化剂及其固化方法，该固化剂包括富铝高硅材料和碱性激发剂，所述富铝高硅材料为垃圾焚烧飞灰质量的15～25%，碱性激发剂为垃圾焚烧飞灰质量的3～5%。该固化剂使用工业废渣，原料廉价易得，且本发明固化方法利用垃圾焚烧飞灰中大量存在的氧化钙、氯化物和硫化物与富铝高硅材料发生水化反应，生成水化硅酸钙，氯铝酸钙相以及钙矾石相体系，在此矿物体系形成过程中通过离子交换形成固溶体，共沉淀形成新相，以及物理吸附和包裹对重金属有较强的稳定束缚作用，达到以废治废，实现了垃圾焚烧飞灰的无害化处理和工业废渣的资源化利用。
Description
技术领域
本发明属于工业废弃物资源化及危险废弃物治理环保技术领域，具体涉及一种垃圾焚烧飞灰重金属固化剂及其固化方法。
背景技术
随着我国城市规模的扩大，经济水平以及人民生活水平的提高，城市所产生的垃圾量也在日益增大，由于焚烧法在减量化与资源化利用方面的独特优势，近年来使其对垃圾的处理率一直呈上升趋势。然而在垃圾焚烧过程中所产生的垃圾焚烧飞灰因浓缩了大量的重金属，在很多国家都被认定为危险废物，对其进行最终处置之前必须进行无害化处理。
固化稳定化方法由于其工艺简单，原材料廉价易得，适用范围广，尤其适用于含重金属浓度高的污染物等特点，而备受关注，美国国家环境保护总局将其称为有毒有害废物的最佳处理技术。
目前，硅酸盐水泥仍是垃圾焚烧飞灰无害化处理使用最多的固化基材，其发生水化反应形成坚硬固体，通过物理包裹和化学胶结作用使重金属污染物趋于稳定，但其中主要成分熟料的大量使用则会造成直接的能源消耗和间接的环境污染，另外随着法律法规对重金属固化体浸出浓度的要求越来越高，那么水泥在固化污染物时，使用量也大大增加，使其失去了价廉的优势。因此，在重金属污染物固化稳定化处理过程中，尽可能的减少熟料的使用，尽可能多的使用一些工业废渣，寻找并研究能有效束缚重金属阴离子团和两性重金属阳离子的新化合物（矿物相）体系，达到以废治废，是国际上环境污染控制材料研究的热点。
发明内容
针对现有的处理垃圾焚烧飞灰中重金属的技术存在的不足，本发明的目的是提供一种能使垃圾焚烧飞灰中重金属得到固化的固化剂，该固化剂使用工业废渣，原料廉价易得，且满足环保要求。
本发明的另一个目的是提供了一种垃圾焚烧飞灰中重金属的固化方法，该固化方法利用垃圾焚烧飞灰自身大量存在的氧化钙、氯化物和硫化物产生水化反应并固化稳定，减少固化剂的用量，从而实现对其中重金属离子的较强束缚。
本发明的技术方案是提供了一种垃圾焚烧飞灰重金属固化剂，富铝高硅材料和碱性激发剂，所述富铝高硅材料为垃圾焚烧飞灰质量的15～25%，碱性激发剂为垃圾焚烧飞灰质量的3～5%。
进一步的，上述富铝高硅材料包括矿渣、粉煤灰、流化床飞灰、矸石尾矿、高硅多杂江河淤泥沙、热活化高岭土、偏高龄土、矾土水泥、铝酸盐水泥、硅粉、钢渣、赤泥中的一种或其中两种及两种以上的混合物。
进一步的，上述富铝高硅材料中的硅铝比为1:1～1:1.5，硅铝总含量为55～75%，与垃圾焚烧飞灰组分组成良好反应比例，使其水化反应完全。
进一步的，上述碱性激发剂包括熟料，熟石灰，氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)、偏硅酸钠(Na2SiO3)、偏硅酸钾(K2SiO3)、强碱弱酸盐中的一种或其中两种及两种以上的复合物。
另外，本发明还提供了一种利用上述固化剂处理垃圾焚烧飞灰中重金属的固化方法，包括如下步骤：
1)将富铝高硅材料机械粉磨成粉末，备用。
2)向待处理的垃圾焚烧飞灰中加入步骤1)的富铝高硅材料粉末，得到混合粉末。
3)向步骤2)的混合粉末中加入水和碱性激发剂，在室温下搅拌混合均匀，得混料。
4)将步骤3)得到的混料成型，标准养护7～28天，使其形成固化体。
进一步的，上述步骤1)中得到的富铝高硅材料粉末比表面积大于等于600m2/kg。
进一步的，上述步骤2)中富铝高硅材料粉末与垃圾焚烧飞灰的干重质量比为1:4～1:6。
进一步的，上述步骤2)中水与混合粉末质量比为0.20～0.45，碱性激发剂质量占混合粉末总质量的3～5%。
进一步的，上述步骤3)中标准养护的条件是温度为25±3℃，相对湿度为99%。
本发明的作用机理如下：
垃圾焚烧飞灰是属富Ca、S、Cl、而贫Si、Al的Ca-Si-Al-S-Cl***，在此体系中，如果给予一定配合比的富铝高硅材料，通过碱性激发，发生水化反应，就有可形成对重金属有较强束缚作用的水化硅酸钙（C-S-H），氯铝酸钙（Friedel）相以及钙矾石（AFt）相。
而其中的水化硅酸钙（C-S-H），初期主要由2μm长的纤维组成，中期主要为类似于网状或者蜂巢状结构存在，后期尺寸变得粗大，且均匀统一，具有很大的比表面积，可以吸收稳定垃圾焚烧飞灰中溶解态的重金属。
氯铝酸钙（Friedel），呈层状结构，其层间位置的Cl-和H2O通过范德华力和电性作用将片层连结起来，可被一价或高价阴离子所替代例如CrO4 2-，AsO4 3-，SeO4 2-，SeO3 2-和OH-等。
钙矾石（AFt），呈针状或柱状结构，当以离子交换的形式使其组分发生变化时，钙矾石具有结构不发生变化的能力，其离子交换可发生在Ca2+，A13+以及SO4 2-的位置上，一般来讲Ca2+可以被许多二价阳离子取代，例如Pb2+，Cd2+和Zn2+等，SO4 2-可以被一些二价阴离子团或低价阴离子替代，例如CrO4 2-，AsO4 3-，SeO4 2-，SeO3 2-和OH-等。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明利用垃圾焚烧飞灰中大量存在的氧化钙、氯化物和硫化物与富铝高硅材料发生水化反应，生成水化硅酸钙（C-S-H），氯铝酸钙（Friedel）相以及钙矾石（AFt）相体系，在此矿物体系形成过程中通过离子交换形成固溶体，共沉淀形成新相，以及物理吸附和包裹对重金属有较强的稳定束缚作用，达到以废治废，实现了垃圾焚烧飞灰的无害化处理和工业废渣的资源化利用。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例 1
处理对象为广州某垃圾焚烧发电厂正常运行期间不同时段的垃圾焚烧飞灰混合物，呈浅灰色，含钙量44.31%，含氯量21.74%，含硫量9.45%，其TCLP浸出浓度表明，本飞灰中重金属铅（22.47mg/L）、镉（3.32mg/L）、锌（108.73mg/L）严重超出阈值。
采用本发明提供的垃圾焚烧飞灰重金属固化剂及固化方法对上述垃圾焚烧飞灰进行处理，其中，富铝高硅材料取武汉某厂水化高炉矿渣，粉煤灰，硅粉和铝酸盐水泥的混合物，机械粉磨后，经组分测试该富铝高硅材料中硅铝总含量为67%，硅铝比为1:1.5，富铝高硅材料粉末比表面积大于等于600m2/kg，碱性激发剂取Na2SiO3。
具体固化过程如下：称160g垃圾焚烧飞灰，40g富铝高硅材料，进行混合得混合粉末，再向混合粉末中加入水和碱性激发剂，搅拌均匀后压实成型，水与混合粉末质量比0.20，碱性激发剂取4.8g，标准养护（温度为25±3℃，相对湿度为99%）7天。
经TCLP测试，表明经固化稳定后的垃圾焚烧飞灰重金属浸出浓度均可达到国家危险废物鉴别标准以及生活垃圾填埋场入场标准要求。
实施例2
处理对象为武汉某垃圾焚烧发电厂飞灰，含钙量39.31%，含氯量19.74%，含硫量12.45%，其铬，砷和铅的TCLP浸出浓度超出阈值（8.23mg/L，5.32mg/L和11.33mg/L）。
采用本发明提供的垃圾焚烧飞灰重金属固化剂及固化方法对上述垃圾焚烧飞灰进行处理，其中，富铝高硅材料取自武汉某厂的水化高炉矿渣，流化床飞灰，偏高龄土以及赤泥的混合物，机械粉磨后经组分测试其硅铝比为1：1.32，硅铝总含量为75%，富铝高硅材料粉末比表面积大于等于600m2/kg，碱性激发剂取熟料和Na2SiO3混合物，熟料和Na2SiO3的质量比为1:1。
其他步骤同实施例1，结果表明固化稳定化后的垃圾焚烧飞灰TCLP测试结果表明，所有重金属浸出浓度均可以达到国家危险废物鉴别标准以及生活垃圾填埋场入场标准。
实施例3
处理对象为深圳某生活垃圾焚烧发电厂飞灰，该飞灰含钙量37.41%，含氯量17.23%，含硫量18.12%，其铬，铅以及镉的TCLP浸出浓度超出阈值（13.83mg/L，2.32mg/L和4.33mg/L）。
采用本发明提供的垃圾焚烧飞灰重金属固化剂及固化方法对上述垃圾焚烧飞灰进行处理，其中，富铝高硅材料取与实施例2同样的富铝高硅材料，碱性激发剂取KOH和K2SiO3混合物，KOH和K2SiO3的质量比为2:1。
具体固化过程如下：取180g垃圾焚烧飞灰，30g富铝高硅材料，进行混合得混合粉末，再向混合粉末中加入水和碱性激发剂，搅拌均匀后压实成型，水与混合粉末质量比0.40，碱性激发剂的质量取9g，标准养护7d。
经TCLP浸出测试，表明其重金属浸出浓度均可以达到国家危险废物鉴别标准要求以及生活垃圾填埋场入场标准，达到了固化稳定化垃圾焚烧飞灰中重金属的目的，同时也实现对富铝高硅工业废弃物材料的有效资源化利用。
实施例4：
处理对象为武汉某垃圾焚烧发电厂正常运行期间不同时段的垃圾焚烧飞灰混合物，含钙量36.24%，含氯量16.61%，含硫量19.45%，其TCLP浸出浓度表明，本飞灰中重金属铅（20.43mg/L）、镉（6.76mg/L）、砷（11.82mg/L）严重超出阈值。
采用本发明提供的垃圾焚烧飞灰重金属固化剂及固化方法对上述垃圾焚烧飞灰进行处理，其中，富铝高硅材料取武汉某厂水化高炉矿渣，高硅多杂江河淤泥沙和钢渣的混合物，机械粉磨后，经组分测试该富铝高硅材料中硅铝总含量为55%，硅铝比为1:1，富铝高硅材料粉末比表面积大于等于600m2/kg，碱性激发剂取Na2CO3。
具体固化过程如下：称200g垃圾焚烧飞灰，30g富铝高硅材料，进行混合得混合粉末，再向混合粉末中加入水和碱性激发剂，搅拌均匀后压实成型，水与混合粉末质量比0.45，碱性激发剂取8g，标准养护（温度为25±3℃，相对湿度为99%）7天。
经TCLP测试，表明经固化稳定后的垃圾焚烧飞灰重金属浸出浓度均可达到国家危险废物鉴别标准以及生活垃圾填埋场入场标准要求。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种垃圾焚烧飞灰重金属固化剂，其特征在于：包括富铝高硅材料和碱性激发剂，所述富铝高硅材料为垃圾焚烧飞灰质量的15～25%，碱性激发剂为垃圾焚烧飞灰质量的3～5%。
2.如权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰重金属固化剂，其特征在于：所述富铝高硅材料包括矿渣、粉煤灰、流化床飞灰、矸石尾矿、高硅多杂江河淤泥沙、热活化高岭土、偏高龄土、矾土水泥、铝酸盐水泥、硅粉、钢渣、赤泥中的一种或其中两种及两种以上的混合物。
3.如权利要求2所述的垃圾焚烧飞灰重金属固化剂，其特征在于：所述富铝高硅材料中的硅铝比为1:1～1:1.5，硅铝总含量为55～75%。
4.如权利要求1所述的垃圾焚烧飞灰重金属固化剂，其特征在于：所述碱性激发剂包括熟料，熟石灰，氢氧化钾、氢氧化钠、偏硅酸钠、偏硅酸钾、强碱弱酸盐中的一种或其中两种及两种以上的复合物。
5.基于权利要求1～4任一项所述固化剂处理垃圾焚烧飞灰中重金属的固化方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将富铝高硅材料机械粉磨成粉末，备用；
2)向待处理的垃圾焚烧飞灰中加入步骤1)的富铝高硅材料粉末，得到混合粉末；
3)向步骤2)的混合粉末中加入水和碱性激发剂，在室温下搅拌混合均匀，得混料；
4)将步骤3)得到的混料成型，标准养护7～28天，使其形成固化体。
6.如权利要求5所述固化剂处理垃圾焚烧飞灰中重金属的固化方法，其特征在于：所述步骤1)中得到的富铝高硅材料粉末比表面积大于等于600m2/kg。
7.如权利要求5所述固化剂处理垃圾焚烧飞灰中重金属的固化方法，其特征在于：所述步骤2)中富铝高硅材料粉末与垃圾焚烧飞灰的干重质量比为1:4～1:6。
8.如权利要求7所述固化剂处理垃圾焚烧飞灰中重金属的固化方法，其特征在于：所述步骤2)中水与混合粉末质量比为0.20～0.45，碱性激发剂质量为垃圾焚烧飞灰质量的3～5%。
9.如权利要求5所述固化剂处理垃圾焚烧飞灰中重金属的固化方法，其特征在于：所述步骤3)中标准养护的条件是温度为25±3℃，相对湿度为99%。
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