一种基于粉煤灰+赤泥的地聚物固化材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于粉煤灰+赤泥的地聚物固化材料及其制备方法，原料由固态原料和液态原料组成；固态原料按照质量百分比由2～4％水泥，2～4％赤泥，3～5％粉煤灰，87～93％多金属污染土壤组成，三者组份为100％；液态原料是含有碱激发剂和减水剂的水溶液，碱激发剂的质量浓度为4～6％，减水剂的质量浓度为0.5～1.0％；固态原料和液态原料按照水灰比为0.30～0.40进行混合。本发明专利技术利用赤泥中含有游离碱、Al2O3和SiO2，而粉煤灰中的CaO和SiO2含量较高，水泥中的高CaO、SiO2和碱性环境，粉煤灰在水泥和赤泥双重碱激发下活性被激发，与赤泥中潜在胶凝物质和水泥水化产物Ca(OH)2反应，生成具有胶结能力的水化硅酸钙(C

【技术实现步骤摘要】
一种基于粉煤灰+赤泥的地聚物固化材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于土壤修复
，具体涉及一种基于粉煤灰+赤泥的地聚物固化材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]矿山的开采和利用与日俱增，不断推动国家工业发展及社会经济的进步，含重金属固体废弃物的安全有效处置成为世界各国关注的问题，我国每年有大量有害固体废弃物被排放到环境中，重金属有害物不断渗入土壤、地下水，给人类环境造成危害。重金属污染是一种具有长期效应的环境污染，对含重金属有害废弃物的处理，除了其中一部分可回收利用外，其余大部分都需要进行固化/稳定化处理，以达到无害化的目的，高效固化重金属离子是当前主要处理手段之一。目前水泥基材在有毒金属固化领域应用较多，但存在渗透率大、固封效果不佳、耐候性差等诸多弊端。地质聚合物是一种新型绿色胶凝材料，其在反应机理、结构性能等方面与普通硅酸盐水泥有本质的区别，具有由晶态或非晶态的硅氧四面体和铝氧四面体组成的三维网状类沸石笼结构，有利于对重金属离子以物理吸附或化学键合作用形式固化，具有强度高、抗酸碱盐侵蚀、耐久性好、无污染等优点。因此，地质聚合物在有害金属固化方面具有广阔的应用前景。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的提供一种基于粉煤灰+赤泥的地聚物固化材料及其制备方法，该地聚物固化材料以多金属污染土壤为主要原料，通过水泥、赤泥和粉煤灰组分互补的特性，不断溶出低聚物反应的组分，然后通过缩聚反应形成地聚物，地聚物内部的硅铝网络骨架会形成微孔结构可以阻止了重金属离子的释放。
[0004]本专利技术这种基于粉煤灰+赤泥的地聚物固化材料，原料由固态原料和液态原料组成；固态原料按照质量百分比由2～4％水泥，2～4％赤泥，3～5％粉煤灰，87～93％多金属污染土壤组成，三者组份为100％；液态原料是含有碱激发剂和减水剂的水溶液，碱激发剂的质量浓度为4～6％，减水剂的质量浓度为0.5～1.0％；固态原料和液态原料按照水灰比为0.30～0.40进行混合。
[0005]优选的，所述固态原料由质量百分比由3％水泥，3％赤泥，4％粉煤灰，90％多金属污染土壤组成；液态原料中碱激发剂的质量浓度为5％，减水剂的浓度为0.75％；固态原料和液态原料按照水灰比为0.35。
[0006]所述的水泥为PO42.5号普通硅酸盐水泥；粉煤灰为C类粉煤灰(CaO含量大于10％，高Ca)；赤泥属于高铁赤泥，Fe2O3含量大于40％。
[0007]所述的减水剂为阴离子表面活性剂，优选为聚羧酸减水剂；所述的碱激发剂为硅酸钠，优选的，所述硅酸钠的Na2O与SiO2含量之比为1.03，模数为1。
[0008]本专利技术这种基于粉煤灰的地聚物固化材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]按照设定的浓度，先配置含有碱激发剂和减水剂的水溶液作为液态原料；接着按
照质量比称取水泥、赤泥、粉煤灰和多金属污染土壤，混匀后得到固态原料；按照设定的水灰比，将液态原料加入到固态原料中，混匀后，放置到模具中，振动台振动设定时间后，将高出试模的部分刮除抹平，在然后静置成型，成型后脱模，最后进行养护，得到多金属污染土壤的地聚物固化材料。
[0010]所述的设定时间为5～10s，静置成型时间为24h，养护时间为7～28天，养护时，需要每天浇水，使固化体表面没有明显干燥的痕迹。
[0011]本专利技术的原理：地聚合物是环状分子链构成的"类晶体"结构，环状分子之问结合形成密闭的牢笼状立体结构，可以把金属离子包围在空腔内或被吸附在聚合体中，同时金属离子可在地聚合物结构的形成中，通过与铝硅酸盐骨架间产生某种化学键而在基体相形成了某些特殊物相。地聚合物聚合后的终产物具有网络状的结构，几乎对所有所有的重金属离子都有较好的固定作用。本专利技术利用这一点，可将其应用于含重金属固体废弃物处理。通过如下过程将重金属离子固定在地聚物中：(1)金属离子进入地聚物网络；(2)碱金属或碱土金属离子分布于网络孔隙之间以平衡电荷；(3)物理性封装重金属离子。地聚物基质因其强度高、抗酸耐腐蚀性强、抗渗性好、耐高温隔热性能好及耐久性而为有毒重金属提供了理想固化环境。通过物理化学作用将有害元素固定在三维网络结构地聚物基质中。利用地聚物对复合重金属污染土壤进行固化/稳定化修复，并对微观结构特性分析。
[0012]本专利技术的有益效果：1)本专利技术利用赤泥中含有游离碱、Al2O3和SiO2,而粉煤灰中的CaO和SiO2含量较高，水泥中的高CaO、SiO2和碱性环境，三者与污染土壤混合均匀后，活性成分含量较高，粉煤灰在水泥和赤泥双重碱激发下活性被激发，与赤泥中潜在胶凝物质和水泥水化产物Ca(OH)2反应，生成具有胶结能力的水化硅酸钙(C
‑
S
‑
H)、水化铝酸钙(C
‑
A
‑
H)和水化硫铝酸钙；从而形成低聚物材料，实现对重金属离子的固定。2)本专利技术采用赤泥作为低聚物原料之一，主要有以下原因：第一点是因为其组分上能与粉煤灰互补，能加速粉煤灰组分的溶出，从而高效的形成低聚物；第二点是因为赤泥中含有较高的铁元素，且成碱性，而铁氢氧化物对Pb
2+
、Cd
2+
有很强的专性吸附能力，铁氧化物结合态重金属的迁移性很低，相对较稳定，且相对来说不具有生物有效性；土壤中微生物还原含Fe(III)氧化物过程中可能会耦合As(III)形态的转变及耦合铁砷成矿；因此采用赤泥作为地聚物原料可以很大程度上提高对重金属As、Pb和Zn的固化率。3)本专利技术利用粉煤灰和赤泥都呈碱性的特点，惨至污染土壤中后，整体呈碱性，有利于水化反应的进行。4)本专利技术制备的低聚物材料强度较高，且重金属离子的溶出率低，可有效实现对重金属污染土壤的处理。
附图说明
[0013]图1本专利技术实施例1中多金属污染的土壤的XRD图；
[0014]图2本专利技术实施例1中多金属污染的土壤的SEM图；
[0015]图3本专利技术实施例1中粉煤灰的XRD图谱；
[0016]图4本专利技术实施例1中粉煤灰的SEM；
[0017]图5本专利技术实施例1中赤泥的XRD图；
[0018]图6本专利技术实施例1中赤泥的SEM图；
[0019]图7本专利技术实施例2中固化体7，14和28天的无侧限抗压强度图；
[0020]图8本专利技术实施例3中14天固化体的XRD图谱；
[0021]图9本专利技术实施例3中固化试样7(a)，14(b)和28(c)天的SEM图。
具体实施方式
[0022]实施例1
[0023]一、原料的选择：
[0024]1、多金属污染的土壤
[0025]本实施例中的土壤取自湖南省株洲市某冶炼场地厂区内，该地区为中亚热带季风湿润气候区，年均气温17.2℃，年均降水量为1389mm，土壤类型为红黄色土壤。污染土壤采自表层0
‑
30cm处，采集土样混合均匀，去除砂石、根系等杂物，过2mm筛烘干备用。土样的主要化学成分为SiO2、Al2O3、Fe2O本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于粉煤灰+赤泥的地聚物固化材料，其特征在于，原料由固态原料和液态原料组成；固态原料按照质量百分比由2～4％水泥，2～4％赤泥，3～5％粉煤灰，87～93％多金属污染土壤组成，三者组份为100％；液态原料是含有碱激发剂和减水剂的水溶液，碱激发剂的质量浓度为4～6％，减水剂的质量浓度为0.5～1.0％；固态原料和液态原料按照水灰比为0.30～0.40进行混合。2.根据权利要求1所述的基于粉煤灰+赤泥的地聚物固化材料，其特征在于，所述固态原料由质量百分比由3％水泥，3％赤泥，4％粉煤灰，90％多金属污染土壤组成；液态原料中碱激发剂的质量浓度为5％，减水剂的浓度为0.75％；固态原料和液态原料按照水灰比为0.35。3.根据权利要求2所述的基于粉煤灰+赤泥的地聚物固化材料，其特征在于，所述的水泥为PO42.5号普通硅酸盐水泥；粉煤灰为C类粉煤灰；赤泥为高铁赤泥，Fe2O3含量大于40％。4.根据权利要求2所述的基于粉煤灰+赤泥的地聚物固化材料，...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴川，薛生国，罗雨轩，刘梓毓，漆彦婷，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：