一种土壤固化稳定化药剂及土壤固化稳定化的方法与流程

1.本发明涉及土壤修复领域，具体是一种土壤固化稳定化药剂及土壤固化稳定化的方法。


背景技术：

2.在土壤修复领域中，现有的固化/稳定化技术通常是指稳定化修复技术，通常加入稳定化材料的比例为3～5wt％，短期内可实现对重金属污染物的稳定化修复且修复效果明显，但由于该技术只是将土壤中重金属转化为化学性质不活泼的形态或阻止其在环境中迁移，随着时空演变周围环境介质的长期影响，重金属可能发生解析，存在二次溶出污染风险。因此，土壤重金属稳定化修复过程中稳定化修复材料的长效性备受关注。
3.从修复材料的角度分析，长效性问题已有的解决方法可以总结为以下几点：
4.1、采用缓释吸附类重金属稳定化修复材料，材料添加进入土壤后持续缓慢释放，持续发挥稳定化修复效果以实现一定时期内的长效性；
5.2、采用成矿的思路，通过添加组分，使之与污染物结合并创造一定的环境，让其随时间的推移不断的形成逐渐稳定的矿物，这类似于大自然中的自然老化过程，通过不断稳定化而实现对污染物的长期稳定效果；
6.以上方法针对环境变化引起的污染物的重新释放问题的解决均无显著的效果，因此，稳定化修复的关键性问题在于寻求一种新的长效性机理/思路，使之能够从根本上解决以上技术难题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种土壤固化稳定化药剂及土壤固化稳定化的方法，本发明提供的土壤固化稳定化药剂能够实现长效稳定性，环境变化时污染物不易重新释放。
8.本发明提供了一种土壤固化稳定化药剂，包括质量比为3～6：0.01～0.1的土壤稳定化材料和外加剂；所述外加剂包括质量比为1～3：5～10:0～1的疏水剂、减水剂和缓冲剂。
9.本发明以土壤稳定化材料为主要成分，所述土壤稳定化材料起到土壤稳定化修复的作用；在本发明中，所述土壤稳定化材料包括质量比为1～3：0～3的组分a和组分b；所述组分a为含钙碱性类材料、硅酸盐类材料和铝酸盐类材料中的一种或多种；所述组分b为金属氧化物类材料、含酸根离子金属盐类材料、硅肥和硅肥原材料中的一种或多种。具体而言，含钙碱性类材料包括石灰、石灰石和石膏中的一种或多种；所述硅酸盐类材料为硅酸盐水泥和水玻璃的一种或两种；所述铝酸盐类材料为铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥中的一种或多种；金属氧化物类材料包括锰氧化物、铁氧化物、镁氧化物和铝氧化物中的一种或多种；含酸根离子金属盐类材料为聚合硫酸铁、氯化铁、硫酸亚铁、柠檬酸亚铁和聚合氯化铝中的一种或多种；硅肥原材料为钢渣和/或粉煤灰。在一个实施例中，所述土壤
稳定化材料聚合硫酸铁和生石灰。在一个实施例中，所述土壤稳定化材料为聚合硫酸铁、聚合氯化铝和硅酸盐水泥。
10.本发明提供的土壤固化稳定化药剂还包括外加剂；所述外加剂包括疏水剂、减水剂和缓冲剂。
11.在本发明中，所述疏水剂能够起到分散剂的作用，提高修复材料的分散性和流动性，实现修复效果的提高，从而可以降低稳定化材料的加入量；具体而言，所述疏水剂选自烷醇酰胺系疏水剂、脂肪酸甲酯磺酸盐系疏水剂、烷基苯磺酸盐系疏水剂和烷基酚聚氧乙烯醚系疏水剂中的一种或多种。在一个实施例中，所述烷醇酰胺系疏水剂为椰油脂肪酸二乙醇酰胺、月桂酸二乙醇酰胺、油酸二乙醇酰胺和脂肪酰二乙醇胺中的一种或多种；在一个实施例中，所述脂肪酸甲酯磺酸盐系疏水剂为二聚乙二醇单月桂基醚磺基琥珀酸酯钠；在一个实施例中，所述烷基苯磺酸盐系疏水剂为十二烷基苯磺酸钠和十二烷基苯磺酸钙中的一种或两种；在一个实施例中，所述烷基酚聚氧乙烯醚系疏水剂为仲辛基苯基聚氧乙烯醚。在一个实施例中，所述疏水剂为烷基苯磺酸盐系疏水剂。在一个实施例中，所述疏水剂的分子量为100～1000。在一个实施例中，所述疏水剂的疏水端包括长链碳端和/或支链碳端。
12.在本发明中，所述减水剂能够使土壤颗粒水分释放并形成疏水表面，从而提高土壤固化体的抗浸泡和抗侵蚀性能，并减少土壤养护过程水的加入量，利于后期填埋。具体而言，所述减水剂选自水溶性树脂磺酸盐类减水剂和/或聚羧酸盐系减水剂。在一个实施例中，所述水溶性树脂磺酸盐类减水剂为磺化三聚氰胺树脂和/或聚苯乙烯磺酸钠；在一个实施例中，所述聚羧酸盐系减水剂为聚甲基丙烯酸/烯酸甲酯型和聚酰胺—聚乙烯乙二醇支链型中的一种或两种；在一个实施例中，所述减水剂为聚羧酸盐系减水剂。在一个实施例中，所述减水剂的分子量为10000～100000。在一个实施例中，所述减水剂的亲水基团包括羧酸基和/或磺酸基。
13.在本发明中，所述缓冲剂能够稳定土壤ph值的变化，从而抑制重金属的重新释放，所述缓冲剂的ph值为5～10。具体而言，所述缓冲剂选自磷酸盐和/或硼酸盐。在一个实施例中，所述磷酸盐为nah2po4、na2hpo4、k2hpo4和kh2po4中的一种或多种；在一个实施例中，所述硼酸盐为硼酸、硼酸钠和四硼酸钠中的一种或多种。在一个实施例中，所述缓冲剂选自硼酸盐。
14.在本发明中，所述疏水剂、减水剂和缓冲剂的质量比为1～3：5～10:0～1。
15.在本发明中，土壤稳定化材料和外加剂的质量比为3～6：0.01～0.1。在一个实施例中，土壤稳定化材料和外加剂的质量比为3～5：0.02～0.1。在一个实施例中，土壤稳定化材料和外加剂的质量比为3～5：0.02～0.5。
16.本发明提供了一种土壤固化稳定化的方法，包括以下步骤：
17.将土壤、土壤稳定化材料和外加剂混合；
18.所述土壤稳定化材料和外加剂的质量比为3～6:0.01～0.1；
19.所述外加剂包括质量比为1～3：5～10:0～1的疏水剂、减水剂和缓冲剂。
20.所述土壤稳定化材料、疏水剂、减水剂和缓冲剂的作用、特点和种类与上文相同，不再赘述。
21.在一个实施例中，所述土壤、土壤稳定化材料和外加剂加入土壤，混合后，调节所述混合物的含水率为10～25wt％，优选为10～20wt％。控制含水率可以防止土壤孔隙含水
量过高导致堆埋过程出现无法施工的现象，并利于形成疏水固结体，减少长期堆埋过程中水分的侵蚀，使修复后土壤具有较好的强度和稳定性。若土壤孔隙含水量过高，会导致碾压过程会出现无法施工现象，碾压后的土壤会出现一定弹性，下面软，表层硬，无法达到承载功能。在一个实施例中，控制含水率的方法为分层薄层反复碾压，例如采用机械碾压，进一步为采用齿轮结构机械碾压，采用齿轮结构机械碾压能够更好地挤出土壤孔隙的水分。
22.在一个实施例中，所述土壤稳定化材料和外加剂在土壤中的总加入量为3～6wt％。
23.本发明提供的土壤固化稳定化药剂，包括质量比为3～6：0.01～0.1的土壤稳定化材料和外加剂，所述外加剂包括质量比为1～3：5～10：0～1的疏水剂、减水剂和缓冲剂。本发明以土壤稳定化材料为主要成份，同时以疏水剂、减水剂和缓冲剂为外加剂，提高了土壤稳定化修复和固化的效果，实现了土壤长效稳定化，通过阻断外界水分的进入而克服外界环境如水分进入的影响，使得环境变化时污染物不易重新释放。外加剂的低掺量能够减少土壤修复药剂投加量的同时，减少水分投加，克服修复后土壤含水率高的问题，利于工程实际实施，特别是工期特别短的工程项目；此外，能够维持修复效果的长期稳定性，主要通过分子内作用及外部机械荷载力的碾压共同发挥作用，形成疏水性固化体，减少长期填埋过程中水分的侵蚀，使得稳定后的稳定体尽量避免水汽交换而引起的氧化还原变化及ph变化等过程从而导致重金属的重新溶出，从而保证长期稳定性。实验结果表明，外加剂能够提高土壤稳定化材料的修复效果，以外加剂和土壤稳定化材料作为土壤修复药剂，不仅能够更好地稳定化污染物，还能使土壤固化体获得较高的固化强度，短期的验证实验显示连续浸泡超过63天仍具有较好的结构性和完整性，内部被稳定化的污染物难以释放出来。
具体实施方式
24.本发明公开了一种土壤固化稳定化药剂及土壤固化稳定化的方法。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
25.以下结合实施例对本发明进行进一步阐述：
26.实施例1
27.针对某主要污染物为砷、镉、铅的污染土壤，加入占土壤干重2wt％的聚合硫酸铁和1wt％的生石灰作为稳定化材料和0.03wt％的外加剂，所述外加剂包括质量比为3:7:0.5的十二烷基苯磺酸钠、聚羧酸盐减水剂和硼酸钠，调节混合物控制含水率为25％，参考填埋场标准，采用重型机械压实。
28.对比例1
29.与实施例1的区别在于，不加外加剂。
30.对比例2
31.与实施例1的区别在于，不加外加剂，稳定化材料为3wt％的聚合硫酸铁和2wt％的生石灰。
32.实施例2
33.采集原始土壤、实施例1、对比例1和对比例2的固化后土壤，根据《hj557-2010固体废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》、《hj 299-2007固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》和《hj/t 300-2007固体废物浸出毒性浸出方法醋酸缓冲溶液法》进行砷、镉和铅离子浸出浓度测试。结果如表1所示。表1是土壤污染离子浸出浓度结果。
34.表1:土壤污染离子浸出浓度结果
[0035][0036]
实施例1采用了土壤稳定化材料和外加剂作为土壤固化稳定化药剂对土壤进行稳定化修复，与原始土壤相比，实施例1的三种浸出液中砷、镉、铅的浓度得到显著降低，砷、镉、铅均很好地稳定于土壤中。
[0037]
对比例1和实施例1相比，区别在于土壤固化稳定化药剂不含外加剂，对比例1的三种浸出液中砷、镉、铅的浓度均高于实施例1，表明外加剂能够提高土壤稳定化材料的修复效果；
[0038]
对比例2和实施例1相比，区别在于土壤固化稳定化药剂不含外加剂且提高了土壤稳定化材料的浓度，对比例2的三种浸出液中砷、镉、铅的浓度低于对比例1，高于实施例1，进一步表明外加剂能够提高土壤稳定化材料的修复效果，实际应用时减少土壤稳定化材料的用量仍能达到较好的修复效果。
[0039]
实施例3
[0040]
针对某主要污染物为砷、镉、铅、锌的污染土壤，加入占土壤干重2wt％的聚合硫酸铁、1wt％的聚合氯化铝和3wt％的硅酸盐水泥作为稳定化材料，0.02wt％的外加剂，所述外加剂的质量比为3:7:0.5的十二烷基苯磺酸钠、聚羧酸盐减水剂和硼酸钠，控制含水率为25％，参考填埋场标准，采用重型机械压实。
[0041]
对比例3
[0042]
与实施例3的区别在于，不加外加剂。
[0043]
对比例4
[0044]
与实施例3的区别在于，外加剂为质量比为3:7:0.5的去离子水、聚羧酸盐减水剂和硼酸钠。
[0045]
实施例5
[0046]
采集原始土壤、实施例3、对比例3和对比例4的固化后土壤，根据《hj557-2010固体
废物浸出毒性浸出方法水平振荡法》、《hj 299-2007固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》进行氟、镉、锌离子浸出浓度测试；采用抗压强度变化测试固化体无侧限抗压强度值；根据《epa1315实验方法》测试固化体完整性；根据《gb/t 50082-2009普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行固化体抗水渗透性能测试和抗氯离子渗透性能测试，抗水渗性能采用抗渗等级进行评定，抗氯离子渗透性能采用氯离子迁移系数(rcm法)进行评价。结果如表2所示。表2是土壤污染离子浸出浓度和固化体性能测试。
[0047]
表2:土壤污染离子浸出浓度和固化体性能测试
[0048][0049]
实施例3以土壤稳定化材料和外加剂为土壤固化稳定化药剂，与原始土壤相比，实施例3中的氟、镉、锌离子浸出浓度得到显著降低，满足地下水四类标准限值；制成的固化体抗压强度为4.0mpa，连续浸泡超过63天仍具有较好的结构性和完整性，说明其在实际环境条件下保存时难以被雨水侵蚀，内部被稳定化的重金属离子难以释放出来，并且其整个固化体的抗压强度较高，利于填埋场保持较好的结构稳定性。
[0050]
对比例3与实施例3相比，区别在于土壤固化稳定化药剂不含外加剂，对比例3中的氟、镉、锌离子浸出浓度均高于实施例3，且制成的固化体抗压强度仅为1.0mpa，说明其结构稳定性不如实施例3；连续浸泡超过2小时后基本溶解为泥水混合物，说明其在实际环境条件下保存时容易被雨水侵蚀，内部被稳定化的重金属离子具有较高的重新释放风险。
[0051]
对比例4与实施例3相比，区别在于外加剂中以去离子水替代十二烷基苯磺酸钠，对比例4出现抗压强度下降现象，表明外加剂中的疏水剂组分可以有效克服土壤中黏土组分对减水剂组分的影响。
[0052]
根据对比例3，不加外加剂的情况下，压实土壤的抗渗性能为《p2等级；根据实施例3和对比例4，加入外加剂的情况下，压实土壤的抗渗性能达到p4等级，符合《gb 50164-2011混凝土质量控制标准》混凝土抗水渗透性能等级要求；并且，实施例3和对比例4的固化体养
护龄期为84d时，抗氯离子渗透性能可达到rcm
‑ⅳ
级别，即氯离子迁移系数drcm为1.5≤drcm＜2.5(单位:10-12
m2/s)。
[0053]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。