重金属离子对磷酸镁水泥水化的影响及其赋存状态研究

摘要

随着我国经济的迅速发展，矿业、电镀、冶金等行业的规模和产量有大幅增长，但与此同时，这些行业产生了大量含有重金属的污染物，对土壤、水等环境造成了巨大的污染。作为一种新型胶凝材料，磷酸镁水泥在重金属污染物的固化处理方面有巨大的发展潜力。其中，重金属离子对磷酸镁水泥水化硬化特性的影响直接关乎磷酸镁水泥的固化效果，对这一问题进行系统研究可以为磷酸镁水泥在重金属污染物处理方面的应用提供理论依据。因此，本文以磷酸镁胶凝材料为研究对象，分别掺入 Pb、Zn、Cu、Gr、Cd五种重金属离子，通过pH值、XRD、SEM、EDS、ICP等分析测试手段，系统研究了重金属离子对磷酸镁水泥水化过程的影响，并对水化产物的种类、形貌及重金属离子的赋存状态和稳定性进行了研究。
　　重金属离子对磷酸镁水泥凝结时间的影响各不相同：铅、镉离子掺量的增加对磷酸镁水泥的凝结时间影响较小；锌离子随掺量的增加能够显著延长磷酸镁水泥的凝结时间；铜离子在掺量较小时对水泥凝结时间影响不大但掺量较高时能够明显延长凝结时间；铬离子对凝结时间的影响随掺量的增加表现出先促凝后缓凝的特点。
　　通过对抗压强度的研究可以发现：当镁磷比（ M/P）较小时磷酸镁水泥中重金属离子的存在不会降低基体的抗压强度。其中，锌离子对基体抗压强度无明显影响；铅、镉离子能够小幅提高基体抗压强度；铜、铬离子提高基体抗压强度的效果最为明显；对 M/P较大的磷酸镁水泥，五种重金属离子的掺入均在不同程度上降低了基体的抗压强度。
　　在磷酸镁水泥水化反应进程中，重金属离子能够影响体系 pH的变化趋势或变化速率。其中，铅、镉离子对体系 pH的变化趋势和变化速率影响较小；锌、铜离子对体系 pH的变化趋势影响较小但对 pH变化速率影响较大；铬离子能够改变体系 pH的变化趋势。重金属离子对磷酸镁水泥水化反应 pH的影响随着重金属离子含量的提高而加强，随着基体 M/P的降低而减弱。
　　在硬化的磷酸镁水泥基体中，五种重金属离子的赋存状态各不相同：实验条件下，铅离子和铬离子能够发现较为明显的结晶态物质；锌、铜、镉离子在硬化的磷酸镁水泥基体中无明显的结晶态物质存在。重金属离子的存在能够改变水化产物的微观形貌和微区成分，这一影响随重金属离子掺量的增加而加强随基体 M/P的减小而减弱。
　　磷酸镁水泥对重金属离子有优异的稳定固化效果，浸出浓度均远小于国家标准。水化1d样品的铅离子最高浸出浓度为0.418mg/L;锌离子最高浸出浓度为34ug/L；铜离子最高浸出浓度为1.3mg/L;铬离子浸出浓度最高为0.255mg/L;镉离子的最高浸出浓度为0.427mg/L。此外，磷酸镁水泥对重金属离子的固化效果随基体 M/P的减小而增强。综合来看，磷酸镁水泥对重金属离子的固化除物理包覆外还包括化学结合作用：在磷酸镁水泥水化反应过程中，重金属离子能够和磷酸根及其他阴离子反应生成重金属的磷酸盐相并以此状态存在于硬化的磷酸镁水泥基体内部，这一化学反应的存在能够有效降低重金属离子的浸出浓度。另一方面，在水化反应过程中不同重金属离子和磷酸根离子结合能力的不同可能是造成浸出毒性差异的主要原因。

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1 绪论

1.1 磷酸镁水泥研究应用现状

1.2 重金属废物危害及其固化处理

1.3 研究目的和内容

2 实验原料及方法

2.1 实验原料与设备

2.2 实验方案设计

2.3 分析表征方法

3 铅离子对磷酸镁水泥的影响及赋存状态研究

3.1 铅离子对磷酸镁水泥物理性能的影响研究

3.2 铅离子对磷酸镁水泥水化特性的影响研究

3.3 铅离子在磷酸镁水泥中的浸出毒性研究

3.4 本章小结

4 锌离子对磷酸镁水泥的影响及赋存状态研究

4.1 锌离子对磷酸镁水泥物理性能的影响研究

4.2 锌离子对磷酸镁水泥水化特性的影响研究

4.3 锌离子在磷酸镁水泥中的浸出毒性研究

4.4 本章小结

5 铜离子对磷酸镁水泥的影响及赋存状态研究

5.1 铜离子对磷酸镁水泥物理性能的影响研究

5.2 铜离子对磷酸镁水泥水化特性的影响研究

5.3 铜离子在磷酸镁水泥中的浸出毒性研究

5.4 本章小结

6 铬离子对磷酸镁水泥的影响及赋存状态研究

6.1 铬离子对磷酸镁水泥物理性能的影响研究

6.2 铬离子对磷酸镁水泥水化特性的影响研究

6.3 铬离子在磷酸镁水泥中的浸出毒性研究

6.4 本章小结

7 镉离子对磷酸镁水泥的影响及赋存状态研究

7.1 镉离子对磷酸镁水泥物理性能的影响研究

7.2 镉离子对磷酸镁水泥水化特性的影响研究

7.3 镉离子在磷酸镁水泥中的浸出毒性研究

7.4 本章小结

结论

展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果