冶金業(yè)砷渣固化分析

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1實驗部分

1.1實驗儀器和設備

YH-40B型水泥(砼)試體養(yǎng)護箱;WE-30型液壓式萬能材料試驗機;RIGAKUD/MAX-IIIA型X-ray衍射儀,日本理學公司;SX-40型掃描電鏡,日本明石公司;PXD-3型數(shù)字式離子計(附氟離子選擇電極),江蘇電分析儀器廠;F732-V智能型測汞儀,上海華光儀器儀表廠。

1.2實驗方法

1.2.1砷渣化學成分的檢測與分析

本文所研究的砷渣為對某有色金屬公司制硫酸生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生的廢酸進行處理后得到的以含砷為主的污泥。該砷渣為土黃色,密度約3.00g/cm3,球磨后粒度組成細微(粒徑<200μm的占90%)。經(jīng)實驗研究所得砷渣化學成分見表1。由表1可知該砷渣組成十分復雜。對砷渣進行浸出毒性實驗,浸出液中各化學元素質量濃度采用JY38Plus等離子單道掃描直讀光譜儀測定,測得的數(shù)據(jù)及危險廢物浸出毒性鑒別標準GB/15085.3-1996[3]。砷渣浸出液中砷含量嚴重超標,汞也有所超標,其他化學成分均小于危險廢棄物浸出毒性鑒別標準值。

1.2.2砷渣礦物成分分析

取砷渣樣品做XRD測試,分析砷渣中的礦物成分,見圖1。砷渣中各礦物成分質量分數(shù)約為:石膏50%~60%,方解石40%~50%,赤鐵礦<5%,黃鐵礦<5%,長石<3%。

1.2.3試體成型

實驗采用澆注成型、壓制成型和煅燒澆注成型3種不同的成型方式對砷渣與其他材料的混合漿體進行成型,同時采用了多種養(yǎng)護方式。固化體抗壓強度的測試根據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB177-85)檢驗。主要步驟如下:1)將砷渣和水泥、粉煤灰、礦渣、碎石按比例配制,進行預處理;2)向預處理后的物料中加入定量的已溶解有添加劑的水,在膠砂攪拌機中攪拌均勻;3)將攪拌后的物料注入模具,在振實臺或材料實驗機上成型;4)成型后脫模,選擇合適的養(yǎng)護方式對試樣進行養(yǎng)護;5)達到養(yǎng)護齡期后,使用萬能材料實驗機測試試樣的強度性能;6)將試樣破碎后用于危險固體廢棄物浸出毒性實驗,測試砷等重金屬離子的各項浸出濃度;7)將較優(yōu)條件下制得的試樣粉碎磨細后用于XRD和SEM測試,觀察其成分變化和內(nèi)部結構形態(tài),評定穩(wěn)定化固化效果;8)使用標準墻體磚制作模具,對各因素值進行校正,確定最優(yōu)方案。

通過研究砷渣預處理方式、配料體系、水灰比、添加劑、球磨方式、攪拌時間、振動時間、養(yǎng)護條件及水泥的選擇對砷渣穩(wěn)定化固化效果的影響[4],得出結論:在不經(jīng)煅燒預處理的情況下,砷渣固化適合采用澆注成型。實驗還得出,澆注制備該固化體的最佳工藝條件是:m(砷渣)∶m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(礦渣)∶m(碎石)=1∶0.4∶0.2∶0.2∶0.2,水灰質量比0.4,水泥采用標號42.5的普通硅酸鹽水泥,添加劑三乙醇胺的用量為水泥總質量的0.05%,添加劑A用量為5mL/kg,添加劑B用量為灰分總質量的1%。粉煤灰預先球磨15min(為簡化工藝條件,可以不必陳化4h),然后再與砷渣、水泥混合球磨20min,礦渣不必球磨,在混合配料攪拌時摻入,最后將所有混合配料加入攪拌機中攪拌6min,其間加入已溶解有添加劑A、添加劑B、三乙醇胺的水,在20s~30s加完,在振實臺上振動2min,待固化體成型后蓋上濕布。固化體成型后先在室溫下養(yǎng)護24h,拆模后再將試體放入24℃養(yǎng)護箱中養(yǎng)護15d,取出后在室溫下養(yǎng)護至28d。

2結果與討論

2.1固化體抗壓強度及浸出率

通過實驗可知,在最佳工藝條件下對砷渣進行固化,試體7d抗壓強度約為4.5MPa,28d抗壓強度約為9.5MPa,養(yǎng)護過程中抗壓強度增長速度比較正常。固化體抗壓強度雖有較大的增長,但仍然偏低,不能用作建筑材料[5]。在實際生產(chǎn)過程中,根據(jù)實驗室操作流程和工藝參數(shù)制作的填埋磚大試塊(70.7mm×70.7mm×70.7mm),其7d和28d的抗壓強度分別達到3.6MPa和7.0MPa,達到國家固體廢物安全填埋相關標準,砷渣固化體的浸出毒性符合國家標準《危險廢物鑒別標準———浸出毒性鑒別》(GB/T5085.3-1996)的要求。

2.2砷渣固化體掃描電鏡和X衍射結果分析

通過對固化體進行掃描電鏡和XRD測試,進行微觀分析,結果如圖3和圖4所示。圖3中,固化體的塊狀物質系粉煤灰、砷渣或礦渣顆粒固化后30d的微觀結構,其表面許多向外輻射生長的長條纖維狀物質系水化反應后成長起來的膠粒,它們使粉煤灰、砷渣、礦渣緊密地結合起來,構成密實的空間網(wǎng)狀結構,從而使試體得到較高的抗壓強度。XRD和SEM圖譜分析表明,固化體在大部分顆粒和球狀粉煤灰顆粒表面生長了很多輻射狀的鈣釩石晶體,這些針狀晶體填充在顆粒之間,將不同的小顆粒連接起來,形成整體結構。此外,還有層狀CH晶體和粒狀CaCO3晶體生成。但是,顆粒之間仍有少量的空隙存在,它是固化體強度不高的原因所在[6]。

2.3浸出效果比較

以含有大量石膏成分的砷渣、水泥、礦渣、粉煤灰和碎石為基本組分,摻以添加劑等配制而成的膠凝材料,具有良好的膠凝性能[7],符合國家固體廢棄物安全填埋所應達到的技術指標,可以用作生產(chǎn)工業(yè)化應用填埋。原砷渣、實驗室實驗澆注試體和實際生產(chǎn)填埋磚塊固化效果以及國家鑒別標準。

3結論

砷在固化體中的固化穩(wěn)定化作用機制可以概括為宏觀包容、微包容、吸收作用、吸附作用、沉淀、解毒作用和煅燒穩(wěn)定化[8]。砷渣壓制成型處理砷渣量有限,且工藝目前和現(xiàn)有裝置不相符合,性能要求基本和澆注成型相差不大;砷渣煅燒澆注成型處理砷渣時,雖然處理量和抗壓強度有一定程度的提高,但對操作條件要求較高,因此使生產(chǎn)成本大幅度增加,不適合工業(yè)化應用;砷渣澆注成型處理砷渣量大,工藝簡單,操作方便,處理效果好,其固化體性能和浸出效果均能達到或超過國家相關標準要求,可以實現(xiàn)對砷渣等危險固體廢棄物的最終安全處置,為該法的工業(yè)化應用提供了依據(jù),具有重大的社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益。