论文部分内容阅读
随着工业的发展,固体废弃物的排放不断增多,致使土体受到不同程度的污染,尤其是重金属污染。固化/稳定化（Solidification/Stabilization,S/S）是重金属污染场地处理的常用技术,使用合适的固化剂是有效处置污染场地的关键。目前,污染场地S/S处理使用的固化剂主要为水泥及水泥基材料,其次为碱激发材料、磷基材料。然而,工程中很多污染场地属于酸性污染场地,如铅蓄电池厂、酸性矿山废水等污染场地,其中铅(Pb2+)污染较为常见。虽然已有的固化剂对Pb2+具有较好的S/S效果,但这些固化剂基本属于碱性或偏碱性材料,将这些碱性或偏碱性的固化剂直接应用于酸性或强酸性污染场地中重金属的S/S处理,其固化效果和材料强度势必会受到酸腐蚀的影响。因此,为解决传统或现有固化剂在酸性环境下应用的局限性,本文尝试研发一种在酸性环境下具有高强高效的新型固化剂,并应用于Pb2+污染土的S/S处理。由于以磷酸（Phosphoric Acid,PA）为反应剂制备的PA基地聚合物存在力学强度不稳定、耐水性能差等问题,本文以PA为激发剂、粉煤灰为原材料制备PA基地聚合物。同时,采用磷酸二氢铝（Aluminium Dihydrogen Phosphate,ADP）改善PA基地聚合物强度及耐水性能,即以ADP、PA与ADP混合液（PA-ADP）为激发剂提出两种新型的磷酸基地聚合物（简称为ADP、PA-ADP基地聚合物）。从制备的新型地聚合物力学特性、耐水性能、化学与微观机理的角度深入分析并筛选出力学性能、耐水性能优异且适合工程应用的酸性磷基地聚合物（Acidic Phosphorus-based Geopolymer,APG）固化剂,并开展该固化剂在Pb2+污染土的S/S处理研究。主要研究内容和成果如下:（1）系统总结了Pb2+污染土S/S处理、磷酸基地聚合物等方面的研究现状。分析了水泥、水泥基材料、碱激发材料、磷基材料用于Pb2+的S/S处理的效果,明确了磷酸基地聚合物在Pb2+污染物S/S处理方面的应用前景,归纳了磷酸基地聚合物相关方面的研究成果,指出其存在和需要进一步解决磷酸基地聚合物强度稳定性和耐水性差的问题。（2）评价了PA、ADP、PA-ADP激发剂对粉煤灰的激发效果。查明了激发剂浓度、液固比（Liquid-to-Solid ratio,L/S）对制备的地聚合物力学强度、耐水性能、电导率（Electrical conductivity,EC）和p H的影响规律。通过强度、p H、EC试验,分析了地聚合物强度、EC、p H随L/S和养护龄期的变化规律,建立了强度与p H、EC的相关关系。研究结果表明:ADP激发剂能提高磷酸基地聚合物强度稳定性及耐水性能,ADP基地聚合物的强度高于PA、PA-ADP基地聚合物。（3）明确了制备的地聚合物的化学机制和微观机理。通过X红外线衍射（X-ray diffraction,XRD）、傅里叶红外光谱（Fourier transform infrared spectrum,FTIR）、核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance,NMR）试验分析了地聚合物的化学特性,通过扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）、压汞（Mercury Intrusion Porosimetry,MIP）试验研究了地聚合物的微观特性及元素含量;通过XRD、SEM、MIP、FTIR试验揭示了浸水后地聚合物强度弱化的机理。结果表明:石英、莫来石不参与地聚合反应过程,制备的地聚合物基质中形成的结晶化合物主要有Ca PO3（OH）·2H2O、Ca HPO4、Al PO4和Ca PO3·OH,形成的无定型胶凝物质由Si–O–Al–O–P、Al–O–P、Si–O–P、Si–O–Si和Si–O–P–O–Si链构成,浸水后强度弱化的原因为磷酸基地聚合物中Si–O–P发生水解。（4）基于强度与耐水性能指标筛选出高强高效的新型APG固化剂,并用于Pb2+的S/S处理。优选APG固化剂的材料配比为ADP浓度为35%,L/S=0.317。通过强度试验研究了养护龄期、Pb2+含量对APG固化剂强度的影响规律,通过毒性浸出试验研究了APG净浆对Pb2+的稳定化效果,通过XRD、FTIR、X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy,XPS）、SEM、MIP试验明确了APG固化剂固化Pb2+的化学机制及微观机理;建立了APG固化剂强度与EC、p H的相互关系,对比了水泥、碱激发地聚合物净浆对Pb2+的S/S效果。结果表明:APG固化剂对Pb2+的固化效果优于水泥、碱激发材料,APG固化剂对Pb2+的S/S机理涉及化学沉淀、物理吸附和包封。（5）系统研究了APG固化剂固化Pb2+污染土的环境影响及工程特性。通过强度、毒性浸出试验研究了APG固化剂固化污染土的环境安全性与工程稳定性;通过p H-dependent试验模拟了不同p H环境下APG固化剂固化污染土中Pb2+的溶出特性;对比了水泥、APG固化剂、碱激发粉煤灰地聚合物对Pb2+污染土的S/S效果。结果表明:相比水泥、碱激发地聚合物,APG固化剂在强酸（p H=2）、强碱（p H=13）的环境下对污染土中Pb2+的稳定化效果更好。