CN113800941B - 一种利用铬污染土壤制备陶粒的方法及陶粒 - Google Patents

一种利用铬污染土壤制备陶粒的方法及陶粒 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用铬污染土壤制备陶粒的方法及陶粒，将铬污染土壤和给水厂污泥经过粉磨后，加水调浆，得到浆料，将所述浆料进行造粒和烧结，即得陶粒。所得陶粒的吸水率为6.5％～8.5％，堆积密度为668.1kg/m3～728.1kg/m3，颗粒抗压强度为802.7N～822.4N，六价铬固化率为99.33％～99.35％。且陶粒的制备方法操作简单，无需额外添加商品助剂，能够实现废物资源的有效资源化利用，达到了“以废治废”的目的。

Description

一种利用铬污染土壤制备陶粒的方法及陶粒
技术领域
本发明涉及一种陶粒及其制备方法，特别涉及一种利用铬污染土壤搭配给水厂污泥两者固体废弃物资源化利用制备陶粒的方法，还涉及一种由铬污染土壤和给水厂污泥制备的高性能陶粒；属于固体废弃物处理与资源化利用技术领域。
背景技术
近些年，铬盐工业产生了大量的铬渣，尽管大部分铬渣得到了安全处置，但铬渣长期堆放仍造成了严重的土壤污染问题。铬渣是生产金属铬和铬盐过程中的一种固体废弃物，根据相关网站的统计资料，全国每年要排放10万吨以上的铬渣，年堆积量已经超过250万吨。由于处理不彻底，其中含有的水溶性及酸溶性铬可以致癌，铬渣对环境造成的危害事件时有发生。和其他重金属污染一样，铬污染的治理途径主要有两种：一是改变铬在土壤中的存在形态，将六价铬还原为三价铬，降低其再环境中的迁移能力和生物可利用性；二是将铬从污染土壤中清除。
目前，铬污染土壤现有的治理方法主要分为物理修复、化学修复和生物修复等。化学修复使用的还原剂或清洗液容易造成二次污染，而且难以去除土壤颗粒内部的重金属，生物修复是利用植物或者微生物对污染物的吸收、转化、降解来去除土壤中的重金属污染，生物修复法相对安全，但是有修复见效时间长、处理不彻底，对植物、微生物的生存环境要求严苛等缺点。寻求一种能均衡环境生态效益和经济效益的处置方法很有必要，而利用重金属铬污染土壤来烧结制取陶粒具有很好的经济效益、环境效益和社会效益。铬渣污染土壤中含有大量的碱性化合物和重金属等有害物质，如果处理不当则易造成二次污染，例如造成土壤盐碱化或者重金属积累等环境问题。
目前，利用重金属铬污染土壤烧结制备陶粒技术是固化/稳定化方法的一种，利用污染土壤制取陶粒则可以充分利用其中的碱性化合物作为助熔剂，在高温下生成CaO-Al2O3-SiO2结构来对重金属铬进行固化，可以将重金属铬固化在陶粒中，消除重金属污染问题，并且其工艺简单、解毒彻底、吃渣量大，可制成轻骨料、耐火骨料、耐酸耐碱骨料，烧结成型的成品陶粒重金属浸出量低。因此，利用重金属铬污染土壤烧制陶粒为有效处理重金属铬污染土壤的一条新路径。如中国专利(CN105347837A)公开了一种利用含铬污泥制作轻质陶粒的方法，该方法是将含铬污泥与城市污泥、风化岩、淤泥、粘土或高岭土等搭配来制备陶粒，该方法可以将含铬污泥制成陶粒，但是该方法需要额外添加多种添加剂，成本较高，且其烧结温度较高，能耗较高，且制备的陶粒堆积密度较大，吸水率高，力学强度较差。
发明内容
针对现有的重金属铬污染土壤制备陶粒的方法存在的缺陷，本发明的第一个目的在于提供了一种利用铬污染土壤制备陶粒的方法，该方法通过铬污染土壤和给水厂污泥两种固体废弃物作为原料通过简单的造粒和烧结获得具有较高附加值的陶粒，实现了固体废弃物的资源化利用，达到了“以废治废”的目的，降低固废的处置费用，并且该方法充分利用两种固体废弃物本身包含的组分来实现助熔和固结成型，无需额外使用添加剂，成本较低，且制备的陶粒具有吸水率低，密度低，强度高、铬固定率高等特点。
本发明的第二个目的在于提供一种低吸水率、低密度、高强度，安全稳定的陶粒材料，可广泛应用于建筑装修行业，例如取代沙石配置轻集料混凝土。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用铬污染土壤制备陶粒的方法，该方法是将铬污染土壤和给水厂污泥经过粉磨后，加水调浆，得到浆料，将所述浆料进行造粒和烧结，即得陶粒。
本发明技术方案关键在于仅仅采用铬污染土壤和给水厂污泥两种固体废弃物来实现陶粒的制备，在无需额外添加烧结助剂和商品原料的条件下，充分利用两种固体废弃物本身包含的硅铝等组分形成玻璃质，实现铬的高效固结，同时赋予陶粒较高的力学性能和低吸水性，且还充分利用了两种固体废弃物本身包含的碱性组分来起到助熔作用，可以大大降低烧结温度，缩短烧结时间，达到节能目的。
作为一个优选的方案，所述铬污染土壤和所述给水厂污泥经过粉磨至粒度在100目以下。铬污染土壤和给水厂污泥进行简单干燥处理后，先采用颚式破碎机进行破碎，然后采用行星球磨机将原料研磨至100目以下，研磨后采用振动筛分机进行筛分，将大于100目的颗粒再次研磨。将铬污染土壤和给水厂污泥粉磨至100目以下有利于原料之间充分接触，提高固相反应效率。
作为一个优选的方案，所述铬污染土壤包含以下主要成分及各主要成分的质量百分比含量为：SiO2 43％～45％，Al2O3 0.4％～0.6％，Fe2O3 15％～17％，CaO10％～12％，MgO 0.6％～0.8％，Na2O 0.15％～0.25％，K2O 0.05％～0.07％，铬45000mg/L～52000mg/L。所述铬污染土壤中主要含有高比例的SiO2，其中SiO2主要影响焙烧陶粒过程中的粘性，而Al2O3含量相对较低，Al2O3主要影响烧成陶粒的强度，Al2O3含量越高，陶粒强度就越大，因此，采用单一的铬污染土壤难以通过烧结成型获得力学性能较高陶粒产品。同时，铬污染土壤中还含有较高比例的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O，这些氧化物的存在是起到助熔的作用，降低陶粒焙烧的温度。此外，铬污染土壤中铬含量较高，如果不能将铬充分熔固，则容易造成二次污染。
作为一个优选的方案，所述给水厂污泥包含以下主要成分及各主要成分的质量百分比含量为：SiO2 52％～54％，Al2O3 24％～26％，Fe2O3 5％～7％，CaO 4％～6％，MgO 2％～3％，Na2O 0.15％～0.25％，K2O 2.0％～3.0％。给水厂污泥不但含有较高比例的SiO2，同时含有高比例的Al2O3，而高比例的Al2O3正好可以弥补铬污染土壤Al2O3含量低的缺点，可以有效调节CaO-Al2O3-SiO2固溶体系的强度，同时提高对重金属铬的固结效果。
作为一个优选方案，所述铬污染土壤和所述给水厂污泥的质量百分比组成为30～50％:70～50％。铬污染土壤中SiO2和Al2O3的含量不足以满足陶粒的烧结，传统的处理方法是向铬污染土壤中补加黏土或黏土、SiO2与Al2O3的混合物来调节硅铝比使其达到陶粒的烧结条件。本发明采用给水厂污泥与铬污染土壤按适当比例搭配使用，能够有效调节硅铝比，使得铬污染土壤和给水厂污泥混合物中本身包含的SiO2、Al2O3的含量可以满足陶粒烧结条件，并且获得力学强度较高，密度较小以及对铬固结效果好的陶粒，同时铬污染土壤和给水厂污泥混合物中均含有适量的能够起到助熔效果的成分，使得烧结能够在更低温度下进行，能够有效降低烧结温度。另一方面，给水厂污泥也属于固体废料，以此为原料进行处理也达到了废物利用，以废治废的目的。当重金属铬污染土壤添加比例高于60％时，陶粒的浸出浓度高于0.5mg/L，不能满足《铬渣污染治理环境保护技术规范》(HJ/T301)中陶粒混凝土或路基材料的应用的要求，且陶粒的颗粒强度出现明显下降。
作为一个优选方案，所述的水的加入量控制在总固体质量的25％～35％。适量水加入的作用主要有几点：1.激发重金属铬污染土壤和给水厂污泥中的碱性物质，使其在后续烧结过程可以生成CaO-Al2O3-SiO2结构用以固定重金属铬；2.促进两种固体废料充分混合，形成一部分络合机构，制备出的陶粒质地更加均一；3.调节至适当的含水量，有利于造粒成型。
作为一个优选方案，所述的制备陶粒胚体呈球体，其粒径为15mm～20mm。
作为一个优选方案，所述烧结的条件为：温度为1000℃～1020℃，时间为40min～60min。在优选的烧结温度下，有利于固结成型。同时，相对现有的陶粒生产过程中，本发明的烧结温度大幅度降低，主要是基于铬污染土壤和给水厂污泥两者的协同搭配，使得两者包含的助熔成分充分发挥作用，有效降低烧结温度。
本发明还提供了一种陶粒，其由所述的制备方法得到。
作为一个优选的方案，所述陶粒的吸水率为6.5％～8.5％，堆积密度为668.1kg/m3～728.1kg/m3，颗粒抗压强度为802.7N～822.4N，六价铬固化率为99.33％～99.35％。
相对现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)本发明提供的重金属铬污染土壤的资源化利用方法，以重金属铬污染土壤和给水厂污泥作为原料，作为烧制陶粒的原料，两者都来源于固体废弃物，无需额外添加商品化原料，能达到“以废治废”的目的，这不仅降低了处理成本，在解决重金属铬污染土壤处置问题的同时，也解决了给水厂污泥的污染问题，且不需要添加其他的物料，方法实施过程相对简单。
(2)本发明充分利用铬污染土壤和给水厂污泥本身组成特点，将两者协同搭配使用，通过对铬污染土壤和给水厂污泥的混合量的控制来达到各物相组分配比，使得混合料中SiO2、Fe2O3、Al2O3以及碱性氧化物CaO、MgO等比例达到最佳值，再结合焙烧温度区间和焙烧时间调节，达到各物相的紧密结合和晶格化固定，使其颗粒强度、堆积密度、吸水率等优于常规陶瓷颗粒，同时烧制的陶粒的六价铬浸出率低于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中规定的成为危险废物浓度极限。
(3)本发明方法处理后的土壤无需进行填埋，烧制的陶粒产品可以作为建筑骨料或者路基材料进行销售，不仅解决了修复后的污染土壤的去处问题，同时也降低了污染土壤的修复成本。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合实施例对本发明作进一步详细描述。
以下具体实施例中铬污染土壤及给水厂污泥的主要成分及含量如下表：
Figure BDA0003324221570000051
实施例1
(1)重金属铬污染土壤样品：去某铬盐厂附近的污染土壤，此土壤中的六价铬含量为51.05mg/L，高于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中5mg/L。
(2)重金属铬污染土壤的处理：称取500g重金属铬污染土壤样品于干燥箱中在105℃下干燥18h，将干燥后的土壤样品置于室温中冷却，冷却后将土壤样品放入球磨机中粉碎至100目以下。
(3)给水厂污泥的处理，称取500g给水厂污泥样品于干燥箱中在105℃下干燥18h，将干燥后的土壤样品置于室温中冷却，冷却后将土壤样品放入球磨机中粉碎至100目以下。
(4)陶粒胚体原料配比：将步骤(2)、(3)处理后的土壤样品和给水厂污泥按质量比例为5:5，并加水(水的质量为固体总质量的30％)混合均匀，然后制成陶粒胚体。
(5)陶粒烧成：将步骤(4)所得到的陶粒胚体放置在管式炉中在自然气氛下进行烧结，烧结工艺条件为：烧结温度为1010℃，烧结时间为60min，升温速率为10℃/min。
采用GB/T 17431.2-2010《轻集料及其实验方法第2部分：轻集料实验方法》对本实施例所得样品进行测试，烧成陶粒的吸水率为6.1％，堆积密度为738.9kg/m3，颗粒强度为534.5N。采用《固体废物浸出毒性浸出方法-硝酸硫酸法》(HJ/T299)检测陶粒浸出液中六价铬的含量为0.44mg/L，测出其固化率为99.14％，且满足GB/T 17431.1-2010《轻集料及其实验方法第2部分：轻集料》中对陶粒的颗粒强度、吸水率、堆积密度和浸出毒性的要求
实施例2
(1)重金属铬污染土壤样品：去某铬盐厂附近的污染土壤，此土壤中的六价铬含量为51.05mg/L，高于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中5mg/L。
(2)重金属铬污染土壤的处理：称取500g重金属铬污染土壤样品于干燥箱中在105℃下干燥18h，将干燥后的土壤样品置于室温中冷却，冷却后将土壤样品放入球磨机中粉碎至100目以下。
(3)给水厂污泥的处理，称取500g给水厂污泥样品于干燥箱中在105℃下干燥18h，将干燥后的土壤样品置于室温中冷却，冷却后将土壤样品放入球磨机中粉碎至100目以下。
(4)陶粒胚体原料配比：将步骤(2)、(3)处理后的土壤样品和给水厂污泥按质量比例为5:5，并加水(水的质量为固体总质量的30％)混合均匀，然后制成陶粒胚体。
(5)陶粒烧成：将步骤(4)所得到的陶粒胚体放置在管式炉中在自然气氛下进行烧结，烧结工艺条件为：烧结温度为1015℃，烧结时间为60min，升温速率为10℃/min。
采用GB/T 17431.2-2010《轻集料及其实验方法第2部分：轻集料实验方法》对本实施例所得样品进行测试，烧成陶粒的吸水率为7.3％，堆积密度为727.9kg/m3，颗粒强度为735.7N。采用《固体废物浸出毒性浸出方法-硝酸硫酸法》(HJ/T299)检测陶粒浸出液中六价铬的含量为0.48mg/L，测出其固化率为99.06％，且满足GB/T 17431.1-2010《轻集料及其实验方法第2部分：轻集料》中对陶粒的颗粒强度、吸水率、堆积密度和浸出毒性的要求。
实施例3
(1)重金属铬污染土壤样品：去某铬盐厂附近的污染土壤，此土壤中的六价铬含量为51.05mg/L，高于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中5mg/L。
(2)重金属铬污染土壤的处理：称取500g重金属铬污染土壤样品于干燥箱中在105℃下干燥18h，将干燥后的土壤样品置于室温中冷却，冷却后将土壤样品放入球磨机中粉碎至100目以下。
(3)给水厂污泥的处理，称取500g给水厂污泥样品于干燥箱中在105℃下干燥18h，将干燥后的土壤样品置于室温中冷却，冷却后将土壤样品放入球磨机中粉碎至100目以下。
(4)陶粒胚体原料配比：将步骤(2)、(3)处理后的土壤样品和给水厂污泥按质量比例为5.4:4.6，并加水(水的质量为固体总质量的30％)混合均匀，然后制成陶粒胚体。
(5)陶粒烧成：将步骤(4)所得到的陶粒胚体放置在管式炉中在自然气氛下进行烧结，烧结工艺条件为：烧结温度为1020℃，烧结时间为50min，升温速率为10℃/min。
采用GB/T 17431.2-2010《轻集料及其实验方法第2部分：轻集料实验方法》对本实施例所得样品进行测试，烧成陶粒的吸水率为6.9％，堆积密度为711.8kg/m3，颗粒强度为543.2N。采用《固体废物浸出毒性浸出方法-硝酸硫酸法》(HJ/T299)检测陶粒浸出液中六价铬的含量为0.37mg/L，测出其固化率为99.27％，且满足GB/T 17431.1-2010《轻集料及其实验方法第2部分：轻集料》中对陶粒的颗粒强度、吸水率、堆积密度和浸出毒性的要求。
实施例4
(1)重金属铬污染土壤样品：去某铬盐厂附近的污染土壤，此土壤中的六价铬含量为51.05mg/L，高于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中5mg/L。
(2)重金属铬污染土壤的处理：称取500g重金属铬污染土壤样品于干燥箱中在105℃下干燥18h，将干燥后的土壤样品置于室温中冷却，冷却后将土壤样品放入球磨机中粉碎至100目以下。
(3)给水厂污泥的处理，称取500g给水厂污泥样品于干燥箱中在105℃下干燥18h，将干燥后的土壤样品置于室温中冷却，冷却后将土壤样品放入球磨机中粉碎至100目以下。
(4)陶粒胚体原料配比：将步骤(2)、(3)处理后的土壤样品和给水厂污泥按质量比例为5.4:4.6，并加水(水的质量为固体总质量的30％)混合均匀，然后制成陶粒胚体。
(5)陶粒烧成：将步骤(4)所得到的陶粒胚体放置在管式炉中在自然气氛下进行烧结，烧结工艺条件为：烧结温度为1015℃，烧结时间为65min，升温速率为10℃/min。
采用GB/T 17431.2-2010《轻集料及其实验方法第2部分：轻集料实验方法》对本实施例所得样品进行测试，烧成陶粒的吸水率为7.1％，堆积密度为723.4kg/m3，颗粒强度为707.8N。采用《固体废物浸出毒性浸出方法-硝酸硫酸法》(HJ/T299)检测陶粒浸出液中六价铬的含量为0.37mg/L，测出其固化率为99.27％，且满足GB/T 17431.1-2010《轻集料及其实验方法第2部分：轻集料》中对陶粒的颗粒强度、吸水率、堆积密度和浸出毒性的要求。
对比实施例1
(1)重金属铬污染土壤样品：去某铬盐厂附近的污染土壤，此土壤中的六价铬含量为51.05mg/L，高于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中5mg/L。
(2)重金属铬污染土壤的处理：称取500g重金属铬污染土壤样品于干燥箱中在105℃下干燥18h，将干燥后的土壤样品置于室温中冷却，冷却后将土壤样品放入球磨机中粉碎至100目以下。
(3)给水厂污泥的处理，称取500g给水厂污泥样品于干燥箱中在105℃下干燥18h，将干燥后的土壤样品置于室温中冷却，冷却后将土壤样品放入球磨机中粉碎至100目以下。
(4)陶粒胚体原料配比：将步骤(2)、(3)处理后的土壤样品和给水厂污泥按质量比例为7:3，并加水(水的质量为固体总质量的30％)混合均匀，然后制成陶粒胚体。
(5)陶粒烧成：将步骤(4)所得到的陶粒胚体放置在管式炉中在自然气氛下进行烧结，烧结工艺条件为：烧结温度为1020℃，烧结时间为60min，升温速率为10℃/min。
采用GB/T 17431.2-2010《轻集料及其实验方法第2部分：轻集料实验方法》对本实施例所得样品进行测试，烧成陶粒的吸水率为7.0％，堆积密度为657.8kg/m3，颗粒强度为197.7N。采用《固体废物浸出毒性浸出方法-硝酸硫酸法》(HJ/T299)检测陶粒浸出液中六价铬的含量为0.76mg/L，不能满足《铬渣污染治理环境保护技术规范》(HJ/T301)中陶粒混凝土或路基材料的应用的要求，且陶粒的颗粒强度出现明显下降，亦不能满足GB/T 17431.1-2010《轻集料及其实验方法第2部分：轻集料》中对陶粒的颗粒强度、吸水率、堆积密度和浸出毒性的要求。

Claims (5)

1.一种利用铬污染土壤制备陶粒的方法，其特征在于：将铬污染土壤和给水厂污泥经过粉磨后，加水调浆，得到浆料，将所述浆料进行造粒和烧结，即得陶粒；
所述铬污染土壤包含以下主要成分及各主要成分的质量百分比含量为：SiO243％～45％，Al2O30.4％～0.6％，Fe2O3 15％～17％，CaO 10％～12％，MgO 0.6％～0.8％，Na2O0.15％～0.25％，K2O 0.05％～0.07％，铬45000mg/L～52000mg/L；
所述给水厂污泥包含以下主要成分及各主要成分的质量百分比含量为：SiO252％～54％，Al2O3 24％～26％，Fe2O3 5％～7％，CaO 4％～6％，MgO 2％～3％，Na2O 0.15％～0.25％，K2O 2.0％～3.0％；
所述铬污染土壤和所述给水厂污泥的质量百分比组成为30～50％:70～50％；
所述烧结的条件为：温度为1000℃～1020℃，时间为40min～60min。
2.根据权利要求1所述的一种利用铬污染土壤制备陶粒的方法，其特征在于：所述铬污染土壤和所述给水厂污泥经过粉磨至粒度在100目以下。
3.根据权利要求1所述的一种利用铬污染土壤制备陶粒的方法，其特征在于：所述浆料中水质量为总固体质量的25％～35％。
4.一种陶粒，其特征在于；由权利要求1～3任一项所述的制备方法得到。
5.根据权利要求4所述的一种陶粒，其特征在于：所述陶粒的吸水率为6.5％～8.5％，堆积密度为668.1kg/m3～728.1kg/m3，颗粒抗压强度为802.7N～822.4N，六价铬固化率为99.33％～99.35％。
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