碱激发胶凝材料固化/稳定化铬污染土壤研究

摘要

铬及其化合物广泛应用于皮革、印染、不锈钢等工业生产的各个领域，产生了大量的铬污染土壤。铬污染土壤对生态环境造成了很大的危害，如何对它实现无害化处置和资源化利用是该领域的研究热点。
　　 本文通过Cr(Ⅵ)和总铬浸出试验和无侧限抗压强度试验，研究了碱-矿渣激发材料和碱-粉煤灰激发材料对铬污染土壤的固化/稳定化作用。并使用XRD、XPS、SEM等手段对固化/稳定化机制进行了分析和探讨。研究结果表明：
　　 1.对于碱-矿渣体系，增加矿渣掺量，适当提高碱的浓度，对提高土壤固化强度和降低Cr(Ⅵ)与总铬浓度有利。适当提高液固比，虽然对固化体强度不利，但是可以降低Cr(Ⅵ)浸出浓度。KOH与硅酸钠水玻璃的激发剂组合可以得到较高的固化体强度。适当组成的碱.矿渣材料对铬污染土壤具有良好的固化/稳定化效果，例如当土壤中掺入30％的矿渣，KOH和硅酸钠用量分别为8mol/L和0.6g/ml，液固比为0.2(L/kg)时，得到固化体强度为22MPa，Cr(Ⅵ)和总铬浓度分别达到0.05mg/L和0.1mg/L。
　　 2.对于碱-粉煤灰激体系，其固化/稳定化作用不及碱-矿渣体系，尤其是Cr(Ⅵ)浸出浓度明显要高。但是养护温度提高后，其土壤固化体也能获得较高的强度和较低的浸出浓度。而FeCl2掺入后，能显著降低Cr(Ⅵ)浸出浓度。适当组成的碱-粉煤灰-FeCl2激发材料对铬污染土壤也具有良好的固化/稳定化作用，例如土壤中掺入30％的粉煤灰，养护温度为60℃，FeCl2用量为0.02 mol时，得到固化体强度为15.8MPa，Cr(Ⅵ)和总铬浓度分别达到0.1mg/L和0.2 mg/L。
　　 3.碱-矿渣和碱-粉煤灰-FeCl2对铬污染土壤的固化/稳定化作用机制主要体现在以下两方面：水化产物对土壤颗粒的包裹，对渗出通道的阻隔，以及对铬离子的吸附，从而限制了铬离子的浸出；还原性物质将Cr(Ⅵ)还原成为移动性差的Cr(Ⅲ)后，更容易被包裹固定在胶凝体系中。碱-矿渣体系中胶凝性来源于矿渣潜在活性被激发后，C-S-H凝胶等水化产物的形成，还原性来源于矿渣中亚铁以及硫化物等还原性物质的存在。而碱-粉煤灰-氯化亚铁体系中胶凝性来源于硅氧四面体和铝氧四面体单体的重新聚合，粉煤灰本身并不具有还原性，还原性主要来自氯化亚铁。
　　 通过本文的研究表明，碱-矿渣和碱-粉煤灰-FeCl2两种固化/稳定化体系，均对铬污染土壤均有良好的固化/稳定化效果。固化后，总铬和Cr(Ⅵ)浸出浓度低，并具有较好的固化体强度，有望在建筑材料方面的获得资源化利用，值得深入研究。