水泥基复合材料对铬污染土壤的固化/稳定化研究

摘要

铬及其化合物在工业生产的各个领域广泛应用，由此产生了大量的铬污染土壤。铬污染土壤含有Cr(Ⅵ)和Cr(Ⅲ)，尤其是Cr(Ⅵ)，对环境危害极大，对铬污染土壤的治理，是环境保护的重大课题。在铬污染土壤处置的各种方法中，固化/稳定化方法是该领域的研究热点之一。
　　 本文通过无侧限抗压强度与毒性检测试验，研究了硅酸盐水泥胶凝材料、辅助性胶凝材料及还原剂对铬污染土壤的固化或稳定化效果，并结合XRD、XPS、SEM、DTA等微观分析，探讨了相应的固化/稳定化机制。结果表明：
　　 ①硅酸盐水泥熟料和高铝水泥熟料对铬污染土壤均有明显的固化效果，随熟料掺量增加，固化体强度提高，总铬和Cr(Ⅵ)浸出浓度降低。高铝熟料的固化效果比硅酸盐熟料略差；
　　 ②土壤中单掺矿渣、铜渣和钢渣等辅助性胶凝材料，总铬和Cr(Ⅵ)浸出浓度降低；与单掺硅酸盐熟料相比，以适量的矿渣、铜渣和钢渣等量取代硅酸盐熟料，固化体强度有所降低，但幅度不大，而总铬和Cr(Ⅵ)浸出浓度，在低掺量时基本与单掺硅酸盐熟料一致，而高掺量时有所提高，三种辅助性胶凝材料钢渣优于铜渣，铜渣优于矿渣。说明在一定量下，可以用矿渣、铜渣和钢渣等辅助性胶凝材料取代硅酸盐熟料使用，从而降低处理成本；
　　 ③亚硫酸盐、硫化盐等还原剂对铬污染土壤中Cr(Ⅵ)的还原效果差，但亚铁盐效果良好。亚铁盐虽然显著降低Cr(Ⅵ)的浸出浓度，但随着养护龄期增长，其存在反弹现象；
　　 ④将亚铁盐与胶凝材料复掺使用，不仅可以获得较高的固化体强度，而且总铬和Cr(Ⅵ)浸出浓度很低，不随时间反弹。例如：复掺0.0075molFeCl2与30％熟料时，7d和28d的强度分别为16.2MPa和17.8MPa，7天Cr(Ⅵ)浓度为0.41mg/1，总铬为0.46mg/1，28天时Cr(Ⅵ)浓度为0.45mg/1，总铬为0.48mg/1，从7天到28天Cr(Ⅵ)浓度增加0.04mg/1，Cr(Ⅲ)降低0.02mg/1。复掺强度与单掺硅酸盐熟料相比保持一致，而总铬和Cr(Ⅵ)浸出浓度不仅低于1.5mg/1和0.5mg/1，且基本上不存在反弹；
　　 ⑤固化/稳定化作用主要取决于两个方面：一是其胶凝性，即其熟料水化产物对土壤颗粒的包裹和对孔隙的填充，从而阻止铬离子的渗出；二是其还原性，亚铁盐或辅助性胶凝材料中含有亚铁等还原性物质，使Cr(Ⅵ)被还原为不易移动的Cr(Ⅲ)，降低Cr(Ⅵ)浸出浓度。
　　 通过本文的研究表明，利用胶凝材料、辅助性胶凝材料和还原剂复合，对铬污染土壤具有良好的效固化/稳定化效果，是一种具有潜力的资源化利用的途径。