一种固化重金属铜污染土的新型固化剂及其使用方法

1.本发明涉及重金属污染土修复的技术领域，具体涉及一种固化重金属铜污染土的新型固化剂及其使用方法。


背景技术：

2.随着工、农业生产的现代化，土体重金属污染已成为全球面临的一个严重环境问题，对人类的生存与发展构成巨大威胁。另外，重金属离子会破坏土体结构，只是土体膨胀引发地基不均匀沉降等土质问题。重金属离子在土体中积累会对土体肥力、生态系统和动植物甚至是人类身心健康造成影响甚至造成严重威胁。因此，为了有效预防重金属离子污染土体，更好地掌握对含有重金属离子的污染土体的修复技术，有必要针对重金属离子污染土的固化特性进行深入研究。
3.目前我国针对重金属离子污染土常用的修复方法之一是固化稳定化技术，该技术是通过固化稳定化药剂与污染介质混合，通过物理作用和化学作用两种迥异手段实现对土中毒物的固定，从而降低污染介质的环境安全性，使其满足使用环境需求标准要求。所谓固化作用，即通过物理封闭等作用将物理上不稳定的有害毒物转化为结构稳定的固态整体，使之由散粒体等转变为颗粒状或块状固体，进而减小其向环境释放的能力，该作用不涉及污染物与固化稳定化药剂之间的化学反应；所谓稳定化作用，即利用固化稳定化药剂或其生成产物与毒物之间的有效化学反应，来改变土中污染物质的赋存形态，将其由活性状态转化为化学活性较差的形态，进而降低其环境危害性。相较于其他技术，固化稳定化技术在经济成本、使用便捷性、效果长效性、处理土工程再利用可能性等方面优势明显，是处理重金属污染物致污地基土最有效的手段。


技术实现要素：

4.本发明的目的之一在于提供一种固化重金属铜污染土的新型固化剂，在修复重金属污染土的同时解决赤泥、矿渣、碱渣的固废堆存问题。
5.本发明的目的之二在于提供一种固化重金属铜污染土的新型固化剂的使用方法，操作简单，方便调节。
6.本发明实现目的之一所采用的方案是：一种固化重金属铜污染土的新型固化剂，按照质量百分数计包括赤泥20％-30％、碱渣20％-30％、矿渣50％-60％。
7.优选地，所述碱渣为纯碱工业所产生的工业废渣，碱渣的主要成分以碳酸钙、硫酸钙等钙盐形式存在，按照质量百分数计cao含量超过60％，so3及sio2总含量高达20％，cl含量高达10％。
8.优选地，所述矿渣中主要成分以硅酸盐和硅铝酸盐的熔融物为主，按照质量百分数计cao、sio2及al2o3总质量超过85％。
9.优选地，所述赤泥是制铝行业所产生的工业废渣，主要化学组成按照质量百分数计包括：超过50％的铁、铝氧化物及总含量20％以上的sio2和cao，其中铁、铝氧化物主要是
fe2o3和al2o3。
10.本发明实现目的之二所采用的方案是：一种所述的固化重金属铜污染土的新型固化剂的使用方法，包括以下步骤：
11.(1)将赤泥、矿渣、碱渣干燥后筛分，按照一定质量比混合，得到所述固化剂；
12.(2)将得到的固化剂按照一定量添加至待处理土样并拌合均匀，进行压实处理制备成土样，将土样放置养护一定龄期即可。
13.优选地，所述步骤(1)中，筛分后的碱渣、矿渣、赤泥粒径均小于2mm。
14.优选地，所述步骤(2)中，固化剂的添加量占待处理土样的10％-30％。
15.优选地，所述步骤(2)中，调整待处理土样的含水量为18％-23％后进行压实。
16.优选地，所述步骤(2)中，养护7-28天后的土样可用于作为路基填土或自然用土。
17.本发明机理概括如下：
18.固化剂赤泥、碱渣、矿渣中所含的大量化学成分cao作为土体支撑骨架的同时可促进固化剂间水化反应的进行，生成更多的胶凝物质，固化剂中的大量ca
2+
与oh-等离子反应生成ca(oh)2等氧化物沉淀，对土体内部颗粒孔隙起到填充和胶结作用，土体内部结构更加紧密、稳定，从而抗压强度提高；其次，碱渣、赤泥比表面积较大，具强吸附性，对重金属离子具有良好的吸附特性；另外，固化剂中所含的铁、铝氧化物的表面活性吸附点位结合了水溶态与交换态的铜离子，大大弱化了铜离子的有效性。
19.本发明中所采用的工业固废碱渣为纯碱生产工业流程中所产生的工业废渣，赤泥为制铝工业流程中所产生的工业废渣，所选用的碱渣和赤泥均具有一定碱性，可有效激发矿渣微粉的潜在活性，使水化反应更加彻底，从而达到良好的固化效果，选用工业固废作为重金属污染土体的固化剂符合绿色发展的生态文明理念，达到以废治废目的的同时综合利用资源。
20.本发明具有以下优点和有益效果：
21.本发明修复重金属污染土新型复合固化剂包括矿渣微粉、赤泥、碱渣，加入具有强碱性的赤泥和碱渣可有效激发矿渣微粉的活性，在消耗赤泥、碱渣的同时避免土地盐碱化的产生，并且可以更好地达到固化重金属污染土的目的。
22.本发明的新型固化剂中赤泥是制铝工业提取铝后所产生的废渣，赤泥堆放不仅占用了大量宝贵的土地资源，与此同时，也需要较高堆存成本，对环境造成很大影响，可将其废物资源利用化用于重金属离子污染土的修复。
23.本发明的新型固化剂中碱渣是纯碱生产过程中排放的工业废渣，碱渣具有强碱性、高盐度、高含水率等特点，目前国内对碱渣主要采取就地堆存的处理方式，不仅消耗大量财力而且占用大量土地资源，阻碍经济可持续发展，可将其废物资源利用化用于重金属离子污染土的修复。
24.本发明的新型固化剂可替代传统固化剂水泥、石灰等的使用，在一定程度上减少额外生产成本及碳排放问题，同时消耗矿渣微粉、赤泥、碱渣堆放造成土地盐碱化问题，也可达到修复重金属离子污染土体的目的，实现“以废治废，变废为宝”的绿色资源化利用理念，具有操作简单、高效经济、绿色环保等特点。
附图说明
25.图1为实施例1制备的土样无侧限数据分析比对图；
26.图2为实施例1-5中不同初始铜浓度的污染土经固化剂固化后浸出液中铜浓度。
具体实施方式
27.为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
28.本发明实施例的矿渣微粉取自混凝土公司，主要成分以硅酸盐和硅铝酸盐的熔融物为主，cao、sio2及al2o3总含量超过85％。赤泥取自于铝厂，进行烘干、研磨至可过2mm筛，其主要成分包括超过50％的铁、铝氧化物及总含量20％以上的sio2和cao。碱渣由河南某清洁公司提供，烘干、研磨至可过2mm筛，其主要成分以碳酸钙、硫酸钙等钙盐为主，cao含量超过60％，so3及sio2总含量高达20％。利用xrf对本发明所采用的赤泥、碱渣、矿渣进行化学成分含量检测，具体检测结果如下表所示：
29.表1赤泥化学成分
[0030][0031]
表2碱渣化学成分
[0032][0033]
表3矿渣化学成分
[0034][0035]
实施例1：
[0036]
一种固化重金属铜污染土的方法，依次包括以下步骤：
[0037]
(1)按照掺量比例份数分别称取一定量赤泥、矿渣微粉、碱渣进行研磨至可过2mm筛，赤泥、矿渣微粉在105℃条件下烘干，碱渣在60℃条件下烘干，然后将固化剂按照矿渣微粉60％、赤泥20％、碱渣20％拌合均匀。
[0038]
(2)称取一定量受污染土体研磨成细小颗粒至可过2mm筛子与步骤(1)中拌合均匀的固化剂混合并搅拌均匀，其中固化剂的占比为整个土样质量的15％。
[0039]
(3)调节土样水份，使土样含水率达到18％-23％，充分拌合均匀之后进行养护，养护7-28天后可达到固化重金属污染土的目的。图1为土样在养护7d、14d、28d后无侧限抗压强度数据分析对比图，不同铜浓度(0、0.2％、0.5％、1％、2％)经固化后养护7d其抗压强度值分别为591、610、727、463、411kpa，抗压强度随龄期不断增强，完全满足“us epa”所要求固化后土样无侧限抗压强度需达到350kpa的标准，如图2所示为固化后的铜污染土浸出液中铜离子的浓度，由图中可以看出不同初始铜浓度(0.2％、0.5％、1％、2％)下经固化剂固化后，浸出液中铜浓度分别为7.08、22.51、31.65、60.35mg/kg，浸出率均达到99％且远低于
标准限值100mg/kg。
[0040]
实施例2：
[0041]
一种固化重金属铜污染土的方法，依次包括以下步骤：
[0042]
(1)将工业固废赤泥、矿渣进行105℃烘干筛分处理，碱渣进行60℃烘干筛分处理；
[0043]
(2)工业固废均过2mm筛，三者的混合比例按赤泥20％、碱渣30％、矿渣50％，固化剂的总量按照整个土样含量的15％添加拌合均匀，得复合物a；
[0044]
(3)将待修复的重金属污染土体按105℃烘干，过2mm筛子；
[0045]
(4)将按照比例拌合均匀的混合固化剂a加入到步骤(3)所得到的土样中，将其拌合均匀，得复合物b；
[0046]
(5)调节复合物b的水份，使复合物b的含水率达到18％-23％，得复合物c；
[0047]
(6)将复合物c按照静压法制备成土样，将土样放置养护一定龄期后取出可得到能重新被利用的土体，可将铜元素有效封存。固化后的铜污染土浸出液中铜离子的浓度如附图2所示，不同初始铜浓度(0.2％、0.5％、1％、2％)下经固化剂固化后，浸出液中铜浓度分别为6.62、13.59、20.05、44.56mg/kg，浸出率均达到99％且远低于标准限值100mg/kg，表明固化剂赤泥、碱渣、矿渣复合固化重金属污染土固化效果很好。
[0048]
实施例3
[0049]
一种固化重金属铜污染土的方法，依次包括以下步骤：
[0050]
(1)将工业固废赤泥、矿渣进行105℃烘干筛分处理，碱渣进行60℃烘干筛分处理；
[0051]
(2)工业固废均过2mm筛，三者的混合比例按矿渣微粉50％、赤泥30％、碱渣20％拌合均匀，固化剂的总量按照整个土样含量的15％添加拌合均匀，得复合物a；
[0052]
(3)将待修复的重金属污染土体按105℃烘干，过2mm筛子；
[0053]
(4)将按照比例拌合均匀的混合固化剂a加入到步骤(3)所得到的土样中，将其拌合均匀，得复合物b；
[0054]
(5)调节复合物b的水份，使复合物b的含水率达到18％-23％，得复合物c；
[0055]
(6)将复合物c按照静压法制备成土样，将土样放置养护一定龄期后取出可得到能重新被利用的土体，可将铜元素有效封存。固化后的铜污染土浸出液中铜离子的浓度如附图2所示，不同初始铜浓度(0.2％、0.5％、1％、2％)下经固化剂固化养护28d后，浸出液中铜浓度分别为7.59、16.41、27.58、53.49mg/kg，浸出率均达到99％且远低于标准限值100mg/kg。
[0056]
实施例4
[0057]
一种固化重金属铜污染土的方法，依次包括以下步骤：
[0058]
(1)将工业固废赤泥、矿渣进行105℃烘干筛分处理，碱渣进行60℃烘干筛分处理；
[0059]
(2)工业固废均过2mm筛，三者的混合比例按矿渣微粉50％、赤泥25％、碱渣25％拌合均匀，固化剂的总量按照整个土样含量的15％添加拌合均匀，得复合物a；
[0060]
(3)将待修复的重金属污染土体按105℃烘干，过2mm筛子；
[0061]
(4)将按照比例拌合均匀的混合固化剂a加入到步骤(3)所得到的土样中，将其拌合均匀，得复合物b；
[0062]
(5)调节复合物b的水份，使复合物b的含水率达到18％-23％，得复合物c；
[0063]
(6)将复合物c按照静压法制备成土样，将土样放置养护一定龄期后取出可得到能
重新被利用的土体，可将铜元素有效封存。固化后的铜污染土浸出液中铜离子的浓度如附图2所示，不同初始铜浓度(0.2％、0.5％、1％、2％)下经固化剂固化养护28d后，浸出液中铜浓度分别为6.67、11.02、28.28、55.47mg/kg，浸出率均达到99％且远低于标准限值100mg/kg。
[0064]
实施例5
[0065]
一种固化重金属铜污染土的方法，依次包括以下步骤：
[0066]
(1)将工业固废赤泥、矿渣进行105℃烘干筛分处理，碱渣进行60℃烘干筛分处理；
[0067]
(2)工业固废均过2mm筛，三者的混合比例按矿渣微粉55％、赤泥20％、碱渣25％拌合均匀，固化剂的总量按照整个土样含量的15％添加拌合均匀，得复合物a；
[0068]
(3)将待修复的重金属污染土体按105℃烘干，过2mm筛子；
[0069]
(4)将按照比例拌合均匀的混合固化剂a加入到步骤(3)所得到的土样中，将其拌合均匀，得复合物b；
[0070]
(5)调节复合物b的水份，使复合物b的含水率达到18％-23％，得复合物c；
[0071]
(6)将复合物c按照静压法制备成土样，将土样放置养护一定龄期后取出可得到能重新被利用的土体，可将铜元素有效封存。固化后的铜污染土浸出液中铜离子的浓度如附图2所示，不同初始铜浓度(0.2％、0.5％、1％、2％)下经固化剂固化养护28d后，浸出液中铜浓度分别为8.15、13.55、30.27、57.39mg/kg，浸出率均达到99％且远低于标准限值100mg/kg。
[0072]
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。