CN109679660A - 一种重金属污染土壤的固化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种重金属污染土壤的固化方法，该方法包括：一、将重金属污染土壤风干后粉碎至98％以上的粒径小于1mm的细土；二、按质量百分比将51％～66％细土、10％～24％水泥、4％～18％粉煤灰和3％～10％硅灰混匀后添加1％～5％的高效减水剂和11％～25％的水搅匀，得混合料；三、将混合料注模成型得固化体。本发明以含有Pb、Hg和Cd的重金属污染土壤制成的98％以上的粒径小于1mm的细土为原料，以水泥、粉煤灰和硅灰为固化剂，加入高效减水剂和水进行固化得固化体，提高了固化体的密实度，减少了固化体内部孔隙分布，使细土中的Pb、Hg和Cd封存在固化体内部，减少了固化体中Pb、Hg和Cd的溶出。

Description

一种重金属污染土壤的固化方法
技术领域
本发明属于土壤污染治理技术领域，具体涉及一种重金属污染土壤的固化方法。
背景技术
我国的矿业发达，采矿、选矿等活动对周围环境和土壤造成了严重污染，采矿、选矿的尾矿渣等易受降雨影响造成中下游农田土壤重金属污染，失去农用生产功能。重金属污染具有普遍性、潜伏性、不可逆性和难治理性、复合性等特点，严重损害人体健康，危机生态环境。因此，重金属污染及修复研究成为目前环境领域研究的热点。
重金属污染土壤的治理是一项耗资巨大而又艰巨的任务，目前固化/ 稳定化处理重金属成为国内外治理重金属污染土壤中应用较广泛的技术。固化/稳定化处理技术是指在污染土壤中添加固化/稳定化试剂，使污染物实现物理固封或发生化学反应形成固体沉淀物，以降低污染物的生物有效性和可迁移性，进而达到修复的目的。
申请号为CN200910312110.0的中国专利中公开了一种以工业废弃物为主原料的绿色环保土壤固化剂及其使用方法，该固化剂使用的工业废弃物包括粉煤灰，高炉矿渣或硅微粉，含量为40％～70％，另外添加预糊化淀粉10～30％，聚丙烯酸钠10～30％；该固化剂可以固化土壤并能种植绿化植物，但对重金属的固化效果不佳，酸性条件下，重金属重新溶出。申请号为201711086091.5的中国专利以粉煤灰、水泥、生石灰为固化剂，辅以适量细砂为骨料，通过混配、注模、成型、养护等工艺制备的成品，成品养护28d强度达到10.97MPa，解决了场地污染问题，将废弃物重新利用，该固化剂中以细砂为骨料虽然提高了成品强度，不符合国家提倡的环保要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种重金属污染土壤的固化方法。该方法以含有Pb、Hg和Cd的重金属污染土壤制成的98％以上的粒径小于1mm的细土为原料，以水泥、粉煤灰和硅灰为固化剂，辅以适量的高效减水剂和水进行固化，得到固化体，提高了固化体的密实度，减少了固化体内部孔隙分布，使细土中的Pb、Hg和Cd以物理固封和化学键并存的方式封存在固化体内部，减少了固化体中Pb、Hg和Cd的溶出。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将含有Pb、Hg和Cd的重金属污染土壤风干后粉碎至98％以上的粒径小于1mm的细土；
步骤二、按质量百分比将51％～66％步骤一中得到的细土、10％～24％的水泥、4％～18％的粉煤灰和3％～10％的硅灰混合均匀，然后添加质量百分比为1％～5％的高效减水剂和11％～25％的水搅拌均匀，得到混合料；
步骤三、将步骤一中得到的混合料注入模具并振动使模具内物料表面平整，然后压实成型，得到固化体。
本发明以含有Pb、Hg和Cd的重金属污染土壤制成的98％以上的粒径小于1mm的细土为原料，以水泥、粉煤灰和硅灰为固化剂，辅以适量的高效减水剂和水进行固化，得到固化体，由于硅灰增大了水泥与细土的反应活性，混合料中的水化反应更为充分和彻底，从而形成了结构密实、孔隙较少的固化体，而高效减水剂的加入减少了混合料中水的加入量，避免混合料中粉体材料凝结成团，使混合料中一些化学反应更加充分，从而进一步提高了固化体的密实度，减少了固化体内部孔隙分布，在上述共同作用下，细土中的Pb、Hg和Cd以物理固封和化学键并存的方式封存在固化体内部，更好地减少了固化体中Pb、Hg和Cd的溶出，避免了Pb、 Hg和Cd迁移到周围环境中造成二次污染，实现了含有Pb、Hg和Cd的重金属污染土壤的固化。
上述的一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，步骤一中所述重金属污染土壤采用自然风干法进行风干至其含水量小于2％。采用自然风干法减少了固化能耗，控制重金属污染土壤中的含水量进一步从原料上减少了混合料中的水的加入量，避免了混合料凝结成团，进一步提高了混合料中水化反应的程度。
上述的一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，步骤一中所述水泥为42.5R普通硅酸盐水泥。42.5R普通硅酸盐水泥中的硅酸三钙和硅酸二钙的含量高，所以水化反应速度快，且形成的固化体的早期和后期强度均较高；同时采用常用的42.5R普通硅酸盐水泥即可进行固化，扩大了本发明的适用范围。
上述的一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，步骤一中所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。通过限定粉煤灰级别控制粉煤灰的细度，确保粉煤灰与其它粉体材料充分混合均匀并具有足够的反应活性，参与混合料中的化学反应。
上述的一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，步骤一中所述硅灰为无定型球状颗粒，硅灰中SiO2的质量含量不小于85％，SiO2的比表面积不小于15m2/g。采用上述性能的无定型球状颗粒的硅灰，在保证其反应活性的同时，填充了混凝土内部其它材料颗粒之间的孔隙，提高了固化体的密实度，进一步提高了固化体的强度，从而更好地实现固封重金属的目的。
上述的一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，步骤一中所述高效减水剂为聚羧酸减水剂，所述高效减水剂的减水率为30％～40％。聚羧酸高效减水剂具有掺量低、环保性好等优点，上述聚羧酸高效减水剂促进了含有Pb、Hg和Cd的重金属污染土壤制成的细土与水泥、粉煤灰、硅灰等粉体材料的均匀分散，避免了粉体材料凝结成团；该高效减水剂减水率较高，从而减少了混合料中水的质量百分比，减少了内部孔隙分布，提高了固化体的密实度和强度。
上述的一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，步骤三中所述模具为制砖模具，所述固化体置于20℃～25℃养护28d，得到重金属污染土壤固化砖。通过本发明固化方法可制备得到重金属污染土壤固化砖，该制备工艺简单，养护条件易于实现，工艺符合环保要求，且解决了重金属污染土壤的使用问题。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明以含有Pb、Hg和Cd的重金属污染土壤制成的98％以上的粒径小于1mm的细土为原料，以水泥、粉煤灰和硅灰为固化剂，辅以适量的高效减水剂和水进行固化，得到固化体，提高了混合料中的水化反应程度和活性，提高了固化体的密实度，减少了固化体内部孔隙分布，使细土中的Pb、Hg和Cd以物理固封和化学键并存的方式封存在固化体内部，减少了固化体中Pb、Hg和Cd的溶出，实现了含有Pb、Hg和Cd的重金属污染土壤的固化。
2、本发明中的高效减水剂的加入减少了混合料中水的加入量，避免混合料中粉体材料凝结成团，使混合料中一些化学反应更加充分，从而进一步提高了固化体的密实度，减少了固化体内部孔隙分布，更好地减少了固化体中Pb、Hg和Cd的溶出，避免了Pb、Hg和Cd迁移到周围环境中造成二次污染。
2、本发明的固化方法消除了重金属(Pb、Hg、Cd)污染土壤的问题，同时也解决了重金属(Pb、Hg、Cd)污染土壤的使用问题，固化过程中采用的粉煤灰、硅灰均为工业废弃物，在治理重金属的同时消除了工业废弃物，实现以废治废。并且原料来源广、成本低廉，可以实现工程上的大规模应用。
3、本发明通过含有Pb、Hg和Cd的重金属污染土壤制成的砖块，强度较高，可满足实际应用需求，且无需进行烧结，进一步减少了对环境的污染。
4、本发明的固化原料来源广、成本低廉，可以实现工业划规模应用。
下面通过实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
本发明实施例1～实施例8中采用的含有Pb、Hg和Cd的重金属污染土壤均取自陕西省潼关县农田土壤，该重金属污染土壤中总Pb浓度为 542.68mg/kg～970.42mg/kg，总Hg浓度为3.44mg/kg～53.2mg/kg，总Cd浓度为34.8mg/kg～40.2mg/kg。
实施例1
本实施例的固化方法包括以下步骤：
步骤一、将重金属污染土壤自然风干至其含水量为1.5％后粉碎至98％以上的粒径小于1mm的细土；所述重金属污染土壤中总Pb浓度为 542.68mg/kg，总Hg浓度为3.44mg/kg，总Cd浓度为20.8mg/kg；
步骤二、按质量百分比将51％步骤一中得到的细土、10％的42.5R普通硅酸盐水泥、8％的Ⅰ级粉煤灰和5％硅灰混合均匀，然后添加质量百分数为1％高效减水剂、25％水搅拌均匀，得到混合料；所述硅灰为无定型球状颗粒，硅灰中SiO2的质量含量不小于85％，SiO2的比表面积不小于 15m2/g；所述高效减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为40％；
步骤三、将步骤一中得到的混合料注入制砖模具中，依次进行插捣和振捣使制砖模具内物料表面平整，然后压实成型，再置于20℃～25℃养护 28d，得到重金属污染土壤固化砖。
实施例2
本实施例的固化方法包括以下步骤：
步骤一、将重金属污染土壤自然风干至其含水量为1.8％后粉碎至98％以上的粒径小于1mm的细土；所述重金属污染土壤中总Pb浓度为 598.35mg/kg，总Hg浓度为8.62mg/kg，总Cd浓度为25.14mg/kg；
步骤二、按质量百分比将56％步骤一中得到的细土、24％的42.5R普通硅酸盐水泥、4％的Ⅰ级粉煤灰和3％硅灰混合均匀，然后添加质量百分数为2％高效减水剂、11％水搅拌均匀，得到混合料；所述硅灰为无定型球状颗粒，硅灰中SiO2的质量含量不小于85％，SiO2的比表面积不小于 15m2/g；所述高效减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为40％；
步骤三、将步骤一中得到的混合料注入制砖模具中，依次进行插捣和振捣使制砖模具内物料表面平整，然后压实成型，再置于20℃～25℃养护 28d，得到重金属污染土壤固化砖。
实施例3
本实施例的固化方法包括以下步骤：
步骤一、将重金属污染土壤自然风干至其含水量为1％后粉碎至98％以上的粒径小于1mm的细土；所述重金属污染土壤中总Pb浓度为 621.84mg/kg，总Hg浓度为15.74mg/kg，总Cd浓度为28.64mg/kg；
步骤二、按质量百分比将60％步骤一中得到的细土、12％的42.5R普通硅酸盐水泥、5％的Ⅰ级粉煤灰和4％硅灰混合均匀，然后添加质量百分数为5％高效减水剂、14％水搅拌均匀，得到混合料；所述硅灰为无定型球状颗粒，硅灰中SiO2的质量含量不小于85％，SiO2的比表面积不小于 15m2/g；所述高效减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为40％；
步骤三、将步骤一中得到的混合料注入制砖模具中，依次进行插捣和振捣使制砖模具内物料表面平整，然后压实成型，再置于20℃～25℃养护 28d，得到重金属污染土壤固化砖。
实施例4
本实施例的固化方法包括以下步骤：
步骤一、将重金属污染土壤自然风干至其含水量为0.8％后粉碎至98％以上的粒径小于1mm的细土；所述重金属污染土壤中总Pb浓度为674.82mg/kg，总Hg浓度为20.84mg/kg，总Cd浓度为32.58mg/kg；
步骤二、按质量百分比将53％步骤一中得到的细土、11％的42.5R普通硅酸盐水泥、18％的Ⅰ级粉煤灰和3％硅灰混合均匀，然后添加质量百分数为2％高效减水剂、13％水搅拌均匀，得到混合料；所述硅灰为无定型球状颗粒，硅灰中SiO2的质量含量不小于85％，SiO2的比表面积不小于15m2/g；所述高效减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为35％；
步骤三、将步骤一中得到的混合料注入制砖模具中，依次进行插捣和振捣使制砖模具内物料表面平整，然后压实成型，再置于20℃～25℃养护 28d，得到重金属污染土壤固化砖。
实施例5
本实施例的固化方法包括以下步骤：
步骤一、将重金属污染土壤自然风干至其含水量为1.2％后粉碎至98％以上的粒径小于1mm的细土；所述重金属污染土壤中总Pb浓度为 710.36mg/kg，总Hg浓度为29.47mg/kg，总Cd浓度为34.69mg/kg；
步骤二、按质量百分比将66％步骤一中得到的细土、10％的42.5R普通硅酸盐水泥、5％的Ⅰ级粉煤灰和6％硅灰混合均匀，然后添加质量百分数为1％高效减水剂、12％水搅拌均匀，得到混合料；所述硅灰为无定型球状颗粒，硅灰中SiO2的质量含量不小于85％，SiO2的比表面积不小于 15m2/g；所述高效减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为30％；
步骤三、将步骤一中得到的混合料注入制砖模具中，依次进行插捣和振捣使制砖模具内物料表面平整，然后压实成型，再置于20℃～25℃养护 28d，得到重金属污染土壤固化砖。
实施例6
本实施例的固化方法包括以下步骤：
步骤一、将重金属污染土壤自然风干至其含水量为1.5％后粉碎至98％以上的粒径小于1mm的细土；所述重金属污染土壤中总Pb浓度为 760.91mg/kg，总Hg浓度为34.62mg/kg，总Cd浓度为36.47mg/kg；
步骤二、按质量百分比将52％步骤一中得到的细土、12％的42.5R普通硅酸盐水泥、7％的Ⅰ级粉煤灰和10％硅灰混合均匀，然后添加质量百分数为2％高效减水剂、17％水搅拌均匀，得到混合料；所述硅灰为无定型球状颗粒，硅灰中SiO2的质量含量不小于85％，SiO2的比表面积不小于15m2/g；所述高效减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为30％；
步骤三、将步骤一中得到的混合料注入制砖模具中，依次进行插捣和振捣使制砖模具内物料表面平整，然后压实成型，再置于20℃～25℃养护 28d，得到重金属污染土壤固化砖。
实施例7
本实施例的固化方法包括以下步骤：
步骤一、将重金属污染土壤自然风干至其含水量为1.2％后粉碎至98％以上的粒径小于1mm的细土；所述重金属污染土壤中总Pb浓度为 850.36mg/kg，总Hg浓度为42.65mg/kg，总Cd浓度为38.15mg/kg；
步骤二、按质量百分比将58％步骤一中得到的细土、17％的42.5R普通硅酸盐水泥、5％的Ⅰ级粉煤灰和7％硅灰混合均匀，然后添加质量百分数为1％高效减水剂、12％水搅拌均匀，得到混合料；所述硅灰为无定型球状颗粒，硅灰中SiO2的质量含量不小于85％，SiO2的比表面积不小于 15m2/g；所述高效减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为32％；
步骤三、将步骤一中得到的混合料注入制砖模具中，依次进行插捣和振捣使制砖模具内物料表面平整，然后压实成型，再置于20℃～25℃养护 28d，得到重金属污染土壤固化砖。
实施例8
本实施例的固化方法包括以下步骤：
步骤一、将重金属污染土壤自然风干至其含水量为1.7％后粉碎至98％以上的粒径小于1mm的细土；所述重金属污染土壤中总Pb浓度为 970.42mg/kg，总Hg浓度为53.2mg/kg，总Cd浓度为40.2mg/kg；
步骤二、按质量百分比将52％步骤一中得到的细土、13％的42.5R普通硅酸盐水泥、6％的Ⅰ级粉煤灰和5％硅灰混合均匀，然后添加质量百分数为3％高效减水剂、21％水搅拌均匀，得到混合料；所述硅灰为无定型球状颗粒，硅灰中SiO2的质量含量不小于85％，SiO2的比表面积不小于 15m2/g；所述高效减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为30％；
步骤三、将步骤一中得到的混合料注入制砖模具中，依次进行插捣和振捣使制砖模具内物料表面平整，然后压实成型，再置于20℃～25℃养护 28d，得到重金属污染土壤固化砖。
将实施例1～实施例8制备得到重金属污染土壤固化砖按照 HJ/T300-2007固体废物《固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》进行毒性浸出试验，结果如下表1所示。
表1实施例1～实施例8制备的重金属污染土壤固化砖的毒性浸出试验结果
从表1可以看出，本发明实施例1～实施例8制备的重金属污染土壤固化砖中Pb浸出值均不超过0.002mg/L，Hg浸出值均不超过0.00015mg/L， Cd浸出值均不超过0.0002mg/L，分别符合GB15085.3-2007《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》中固化后Pb浸出值不超过5mg/L，Hg浸出值不超过0.1mg/L，Cd浸出值不超过1mg/L的标准限值，说明本发明的固化方法减少了固化体中的Pb、Hg和Cd的渗出，避免了Pb、Hg和Cd迁移到周围环境中造成二次污染，且本实施制备的重金属污染土壤固化砖使用安全。
将实施例1～实施例8制备得到重金属污染土壤固化砖进行强度检测，结果如下表2所示。
样品 28抗压强度(MPa)
实施例1 58.27
实施例2 65.48
实施例3 55.94
实施例4 69.65
实施例5 50.14
实施例6 68.36
实施例7 61.92
实施例8 57.86
从表2可以看出，本发明实施例1～实施例8制备的重金属污染土壤固化砖的28抗压强度均大于10MPa，达到了国家建筑行业标准JC239-91《粉煤灰砖》中强度级别10的要求，说明本发明的固化方法提高了重金属污染土壤固化砖的强度，可满足实际应用需求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将重金属污染土壤风干后粉碎至98％以上的粒径小于1mm的细土；所述重金属污染土壤中含有Pb、Hg和Cd；
步骤二、按质量百分比将51％～66％步骤一中得到的细土、10％～24％的水泥、4％～18％的粉煤灰和3％～10％的硅灰混合均匀，然后添加质量百分比为1％～5％的高效减水剂和11％～25％的水搅拌均匀，得到混合料；
步骤三、将步骤一中得到的混合料注入模具并振动使模具内物料表面平整，然后压实成型，得到固化体。
2.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，步骤一中所述重金属污染土壤采用自然风干法进行风干至其含水量小于2％。
3.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，步骤一中所述水泥为42.5R普通硅酸盐水泥。
4.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，步骤一中所述粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。
5.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，步骤一中所述硅灰为无定型球状颗粒，硅灰中SiO2的质量含量不小于85％，SiO2的比表面积不小于15m2/g。
6.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，步骤一中所述高效减水剂为聚羧酸减水剂，所述高效减水剂的减水率为30％～40％。
7.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的固化方法，其特征在于，步骤三中所述模具为制砖模具，所述固化体置于20℃～25℃养护28d，得到重金属污染土壤固化砖。
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