一种基于MgO-SiO2-H2O胶凝体系的城市生活垃圾焚烧飞灰固化材料及制备方法

摘要

本发明属于固废环保和新型建筑材料领域，提供一种基于MgO‑SiO2‑H2O胶凝体系的城市生活垃圾焚烧飞灰固化材料及制备方法。按照原材料重量份计算，各组分及比例为：轻烧氧化镁200～400份，硅灰300～600份，城市生活垃圾焚烧飞灰200～600份，分散剂5～20份，拌合水500～700份。本发明生产工艺简单，低碳环保，经济高效，不仅能有效固化城市生活垃圾焚烧飞灰中的重金属和有机污染物，显著降低飞灰中重金属物质和有机污染物的溶出率，同时含有飞灰毒害污染物质的固化体还具备优良的力学性能和致密的微观结构，有利于实现飞灰的资源化再利用，是一种具有广阔市场前景的新型胶凝材料。

说明书

技术领域

本发明属于固废环保和新型建筑材料领域，涉及一种基于MgO-SiO₂-H₂O胶凝体系的城市生活垃圾焚烧飞灰固化材料及制备方法。

背景技术

随着我国城市生活垃圾排放量与日俱增，垃圾焚烧技术得到迅猛发展。然而，垃圾焚烧后会产生大量的飞灰，飞灰中的重金属物质及少量二噁英、呋喃等有机污染物会对生态环境和人体健康带来极其严重的危害，因此，如何安全有效地处置城市生活垃圾焚烧飞灰已成为当前社会亟待解决的问题。

本发明提供的一种基于MgO-SiO₂-H₂O胶凝体系的城市生活垃圾焚烧飞灰固化技术，充分利用该胶凝体系高吸附性能和优良的力学性能，不仅可以保证固化体的力学性能，还能显著改善对飞灰重金属及有机污染物的固化效果，是一种绿色环保经济高效的固化飞灰重金属新技术，市场前景十分广阔。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于MgO-SiO₂-H₂O胶凝体系的城市生活垃圾焚烧飞灰固化方法，操作工艺简单，无毒无害，低碳环保，在保证飞灰固化体强度和稳定性的同时，又能显著降低飞灰中重金属离子和有机污染物的溶出率，有利于实现城市生活垃圾焚烧飞灰的资源化再利用。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于MgO-SiO₂-H₂O胶凝体系的城市生活垃圾焚烧飞灰固化材料，包括轻烧氧化镁、硅灰、分散剂、城市生活垃圾焚烧飞灰、拌合水。

原材料各组分的要求如下：

轻烧氧化镁：高活性轻烧机械研磨氧化镁，成分稳定，比表面积为2300～5500m²/kg；

硅灰：微硅粉，质量稳定、粒径分布均匀、活性高，二氧化硅含量达到95％以上，比表面积为1300～2000m²/kg；

分散剂：采用六偏磷酸钠，无色透明玻璃片状或白色粒状晶体；

城市生活垃圾焚烧飞灰：粉末状，颗粒粒径1～200微米；

拌合水：普通自来水。

结合其试验性能指标，原材料各组分的重量份如下：

轻烧氧化镁200～400份；

硅灰300～600份；

城市生活垃圾焚烧飞灰200～600份；

分散剂5～20份；

拌合水500～700份；

优选的，所述轻烧氧化镁与硅灰的质量比为2:3；所述分散剂的掺量为1wt％～2wt％；所述拌合水与硅灰的质量比为0.5～0.7；

上述原材料的质量允许误差：轻烧氧化镁为±1％；硅灰为±1％；城市生活垃圾焚烧飞灰为±1％；分散剂为±1％；拌合水为±1％。

一种基于MgO-SiO₂-H₂O胶凝体系的城市生活垃圾焚烧飞灰固化材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)按各组分的重量份称取原材料。

(2)室温下，将轻烧氧化镁和硅灰混合，密封搅拌均匀。

(3)采用拌合水将分散剂完全溶解后，倒入搅拌锅内，依次分批加入步骤(2)得到的氧化镁和硅灰搅拌均匀的混合料，每次加料之后先慢速搅拌60s～180s，再快速搅拌为60s～180s。混合料一般分3～5批依加入。

(4)采用后掺法将城市生活垃圾焚烧飞灰加入搅拌锅中，机械搅拌均匀，装模振捣压实成型。

(5)标准养护至相应龄期后进行相关性能测定，其中养护温度控制在20±2℃，相对湿度控制在95％以上。

本发明的有益效果为：

提供的一种基于MgO-SiO₂-H₂O胶凝体系的城市生活垃圾焚烧飞灰固化技术，利用该材料高吸附能力和良好的胶凝性能对飞灰中重金属和有机污染物进行有效固化，最终形成高强致密稳定的飞灰固化体，在飞灰掺量为30％的情况下，与现有的普通硅酸盐水泥固化处理飞灰的技术方案相比，本发明制备的飞灰固化体28d抗压强度可提高143.5％，对飞灰中重金属的固化效率均比较高，完全符合国家颁布的《生活垃圾填埋污染控制标准》。本发明提供的新型胶凝材料固化技术操作工艺简单，无毒无害低能耗，经济高效，绿色环保，具有显著的创新意义和广阔的市场前景。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明：

实施例1

按照下列重量份称取基于MgO-SiO₂-H₂O胶凝体系的城市生活垃圾焚烧飞灰固化技术所使用的原材料：轻烧氧化镁280份；硅灰420份；城市生活垃圾焚烧飞灰300份；分散剂10份；拌合水600份。

原材料性能如下：

轻烧氧化镁：高活性轻烧氧化镁，成分稳定，密度为3500kg/m³，比表面积为2600m²/kg。

硅灰：微硅粉，质量稳定、粒径分布均匀、活性高，密度为2800kg/m³，比表面积为1800m²/kg。

城市生活垃圾焚烧飞灰：粉末状，颗粒粒径1～200微米。

分散剂：采用六偏磷酸钠，白色粒状晶体。

拌合水：普通自来水。

制备步骤如下：

首先将轻烧氧化镁粉末和硅灰粉末混合均匀，用拌合水将分散剂完全溶解后，倒入搅拌锅，然后将轻烧氧化镁粉末和硅灰粉末搅拌均匀的混合料分四次加入搅拌锅，每次加料先慢速搅拌90s，再快速搅拌为90s，最后将城市生活垃圾焚烧飞灰加入搅拌锅中，机械搅拌均匀，装模振捣压实成型拆模养护，养护温度控制在20±2℃，相对湿度控制在95％以上，养护至相应龄期后进行相关性能测定。其中，水灰比为0.6，轻烧氧化镁和硅灰的质量比为2:3，城市生活垃圾焚烧飞灰掺量为30％，分散剂掺量为1wt％。

本实施例提供的一种基于MgO-SiO₂-H₂O胶凝体系的城市生活垃圾焚烧飞灰固化技术，即主要将MgO-SiO₂-H₂O胶凝体系用于城市生活垃圾焚烧飞灰的固化处理，研究发现，该胶凝体系与飞灰中重金属离子和有机污染物形成络合物，形成致密稳定的飞灰固化体，进而将飞灰中有毒有害物质有效固封在固化体中。

经试验测定，本发明制备的飞灰固化体28d抗压强度可达56.0MPa，远远高出普通硅酸盐水泥/飞灰固化体28d抗压强度；本发明制备的飞灰固化体对飞灰中重金属和有机污染物的固化效率均比较高，具体见表1。本发明制备的飞灰固化体性能指标完全符合我国生活垃圾填埋污染控制标准。

表1

飞灰中重金属离子固化效率％铅离子99.8％汞离子99.1％镉离子99.2％二噁英87.5％呋喃90.3％

以上所述的实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，只是基于本发明整体构思下的某种实现方式，并不用来限定本发明的保护范围。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明展现的技术范围内做出的的任何修改、改进或替换，均应涵盖在本发明的保护范围之内。