基本介紹
- 中文名：水泥固化技術
- 外文名：Cement solidification
- 影響因素：pH、水、水泥和凝固時間等
- 注意事項：添加適量添加劑
- 套用：處理無機類型廢物
- 目的：降低廢物中危險成分浸出
原理,影響因素,pH,水、水泥和廢物的量比,凝固時間,其他添加劑,固化塊的成型工藝,套用,
原理
水泥是一種無機膠結劑，經水化反應後可形成堅硬的水泥塊，能將砂、石等骨料牢固地凝結在一起。水泥固化有害廢物就是利用水泥的這一特性。常用作固化劑的水泥有矽酸鹽水泥和火山灰質矽酸鹽水泥。
最常用的普通矽酸鹽水泥是用石灰石、黏土以及其他矽酸鹽物質混合在水泥窯中高溫下煅燒，然後研磨成粉末狀而成。它是矽、鋁及鐵的氧化物的混合物。其主要成分是矽酸二鈣和矽酸三鈣。在用水泥穩定化時，是將廢物和水泥混合起來，如果在廢物中沒有足夠的水分，還要加水使之水化。水化以後的水泥形成與岩石性能相近的、整體的鈣鋁矽酸鹽的堅硬晶體結構。這種水化以後的產物，被稱為混凝土。廢物被摻入水泥的基質中，在一定條件下，廢物經過物理、化學的作用更進一步減少它們在廢物-水泥基質中的遷移率，如形成溶解性比金屬離子小得多的金屬氧化物。人們還經常把少量的飛灰、矽酸鈉、膨潤土或專利產品等活性劑加入水泥中以增進反應過程。最終依靠所加藥劑使粒狀的物質變成了黏合的塊，從而使大量的廢物穩定化/固化。
對有害污泥進行固化時，水泥與污泥中的水分發生水化反應生成凝膠，將有害污泥微粒分別包容，並逐步硬化形成水泥固化體。可以認為這種固化體的結構主要是水泥的水化反應產物CaO泥進行固化，水化結晶體內包進了污泥微粒，使得污泥中的有害物質被封閉在固化體內，達到穩定化、無害化的目的。
影響因素
水泥固化工藝較為簡單，通常是把有害固體廢物、水泥和其他添加劑一起與水混合，經過一定的養護時間而形成堅硬的固化體。固化工藝的配方是根據水泥的種類處理要求以及廢物的處理要求制定的，大多數情況下需要進行專門的試驗。對於廢物穩定化的最基本要求是對關鍵有害物質的穩定效果，它基本上是通過低浸出速率體現的。除此之外，還需要達到一些特定的要求。影響水泥固化的因素很多，為在各種組分之間得到良好的匹配性能，在固化操作中需要嚴格控制以下的各種因素：
pH
因為大部分金屬離子的溶解度與pH有關，對於金屬離子的固定，pH有顯著的影響。當pH較高時，許多金屬離子將形成氫氧化物沉澱，而且pH高時，水中的碳酸根濃度也高，有利於生成碳酸鹽沉澱。應該注意的是，pH過高，會形成帶負電荷的羥基絡合物，溶解度反而升高。例如：pH<9時，銅主要以Cu(OH)2沉澱的形式存在，當pH>9時，則形成Cu(OH)3絡合物，溶解度增加。許多金屬離子都有這種性質，如Pb當pH>9.3時，Zn當pH>9.2時Cd當pH>11.1時，Ni當pH>10.2時，都會形成金屬絡合物，造成溶解度增加。
水、水泥和廢物的量比
水分過小，則無法保證水泥的充分水合作用，水分過大，則會出現泌水現象，影響固化塊的強度。水泥與廢物之間的量比套用試驗方法確定，主要是因為在廢物中往往存在妨礙水合作用的成分，它們的干擾程度是難以估計的。
凝固時間
為確保水泥廢物混合漿料能夠在混合以後有足夠的時間進行輸送、裝桶或者澆注，必須適當控制初凝和終凝的時間。通常設定初凝時間大於2 h，終凝時間在48 h以內。凝結時間的控制是通過加入促凝劑(偏鋁酸鈉、氯化鈣、氫氧化鐵等無機鹽)、緩凝劑(有機物、泥沙、硼酸鈉等)來完成的。
其他添加劑
為使固化體達到良好的性能，還經常加入其他成分。例如，過多的硫酸鹽會由於生成水化硫酸鋁鈣而導致固化體的膨脹和破裂。如加入適當數量的沸石或蛭石，即可消耗一定的硫酸或硫酸鹽。為減小有害物質的浸出速率，也需要加入某些添加劑，例如，可加入少量非單質硫化物以有效地固定重金屬離子等。
固化塊的成型工藝
主要目的是達到預定的機械強度。並非在所有的情況下均要求固化塊達到一定的強度，例如，對最終的穩定化產物進行填埋或貯存時，就無須提出強度要求。但當準備利用廢物處理後的固化塊作為建築材料時，達到預定強度的要求就變得十分重要，通常需要達到100 kg/cm以上的指標。
套用
以水泥為基本材料的固化技術最適用於處理無機類型的廢物，尤其是含有重金屬污染物的廢物。由於水泥所具有的高pH，使得幾乎所有的重金屬形成不溶性的氫氧化物或碳酸鹽形式而被固定在固化體中。研究指出，鉛、銅、鋅、錫、鎘均可得到很好的固定。但汞仍然主要以物理封閉的微包容形式與生態圈進行隔離的。要想精確地估計某種特定的廢物是否能夠被有效地固定於水泥結構之中是相當困難的。對於重金屬水泥固化過程的化學機理，關於鉛與鉻研究得較多。研究結果指出，鉛主要沉積於水泥水化物顆粒的外表面，而鉻則較為均勻地分布於整個水化物的顆粒之中。
另一方面，有機物對於水化過程有干擾作用，減小最終產物的強度，並使得穩定化過程變得困難。它可能導致生成較多的無定型物質而干擾最終的晶體結構形式。在固化過程中加入黏土、蛭石以及可溶性的矽酸鈉等物質，可以緩解有機物的干擾作用，提高水泥固化的效果。
水泥作為固化包容的主要材料大多用於固定電鍍工業產生的污泥和其他類型的金屬氫氧化物廢物。套用無機物作為主要固化材料的原因是尚找不到具有同等效用的代替品。例如金屬污染物不能生物降解，在焚燒以後也無法改變其原子結構。此外，由於在這種情況下，可以同時利用已經為人類充分掌握的沉澱技術和吸附技術。利用水泥包容技術進行穩定化具有若干優點。首先，水泥已經被長期使用於建築業，所以無論是它的操作、混合、凝固和硬化過程的規律都已經為人們所熟知。其次，相對其他材料來說，其價格和所需要的機械設備比較簡單。由於水泥的水化作用，在處理濕污泥或含水廢物時，無須對廢物做進一步脫水處理。事實上，在進行水泥固化操作時由於含水量大，已經可以使用泵輸送的方式。最後，用水泥進行穩定化可以適用於具有不同化學性質的廢物，對酸性廢物也能起到一定的中和效果。
用水泥固化方法處理電鍍污泥是一個典型的套用實例：固化材料為425號普通矽酸鹽水泥，水/水泥重量比為0.47～0.88，水泥/廢物重量比0.67～4.00，固化體的抗壓強度可以達到60～300 kg/cm。固化體的浸出試驗結果說明，Pb、cd、Cr的浸出濃度都遠低於相應的浸出毒性鑑別標準。
用水泥穩定化的主要缺點是對於一定的污染物較為靈敏，會由於某些污染物的存在而推遲固化時間，甚至影響最終的硬結效果。
