郑旭涛,　张楠楠,　南　姣,　侯小强,　谭宏斌,　郭从盛

(陕西理工学院 材料科学与工程学院, 陕西 汉中　723000)

硅酸盐水泥对Cr离子的固化机理及其对铁矾渣的固化应用

郑旭涛,张楠楠,南姣,侯小强,谭宏斌,郭从盛

(陕西理工学院 材料科学与工程学院, 陕西 汉中723000)

摘要：用氧化钙和硅灰为原料,制备不同钙硅比的水化硅酸钙(C-S-H).在C-S-H、硅酸盐水泥中,分别加入三氧化铬,在200 ℃反应5 h后,用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及能谱仪分析产物的物相组成和微观形貌.结果表明,不同钙硅比的C-S-H水热反应产物都为硬硅钙石和托勃莫来石,随着钙硅比的增加,托勃莫来石逐渐减少、硬钙硅石增加.在C-S-H、硅酸盐水泥中,Cr均以CaCrO4的形式存在;在硅酸盐水泥中加入60%的铁矾渣(Cr的质量分数wCr=0.129 5%),制成固化体块养护28 d后,其强度为20.3 MPa.用国标GB 5085.3—2007《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》对固化体的浸出毒性进行了检测,结果表明浸出液中Cr离子的浓度为0.415 mg/L.

关键词：硅酸盐水泥; C-S-H;Cr离子; 铁矾渣; 固化

目前,世界上锌的冶炼方法主要分为湿法炼锌和火法炼锌两大类,较火法炼锌而言,湿法炼锌具有投资小、污染小且便于实现连续化大型化等优点,因此全球80%以上企业使用湿法炼锌[1].湿法炼锌的工艺步骤为“焙烧—浸出—净化—电积”.在浸出工序中,为了提高锌的浸出率,常采用热酸浸出法,但焙砂中的铁同时进入到浸出液中,在锌电解前,必须将铁除去.目前除铁的方法主要有黄钾铁矾法,在使用该方法除铁的过程中会产生大量的铁矾渣,同时铁矾渣中含有少量的Fe(OH)3胶体,其对Cr、Ni、Co、Pb、Cu等重金属有较强的吸附能力[2],因此铁矾渣中含有较多重金属离子.而且铁矾渣的稳定性较差(在pH=1.5～2.5稳定),由于缺乏合适的利用技术,一般就近建设渣场堆存,极大浪费土地资源,而且对周围居民的健康造成潜在威胁.如重金属Cr具有很大毒性,大量接触会对人的皮肤、呼吸道、眼睛、胃肠道等器官组织造成损伤,而且Cr离子还有一定的致突变性和潜在的致癌性[3].

在处理这些危险废弃物时,常常使用水泥固化法.普通硅酸盐水泥的水化产物主要为C-S-H凝胶(水化硅酸钙)、氢氧化钙、AFt(钙矾石)、AFm(单硫型水化硫铝酸钙)和CxAHy(水化硫铝酸钙)等,其中水化硅酸钙在水泥水化产物中的含量可达70%以上,在水泥固化体中起主要作用[4-6].水化硅酸钙在高温条件或长时间放置下,可以结晶形成托勃莫来石(C5S6H5),继续结晶则可变成硬硅钙石(C6S6H)[7].

姚燕等[8]认为,水化硅酸钙具有很高的离子交换能力及非常高的比表面能,对重金属离子可以通过共生、吸附和层间位置的化学置换等方式来固化,因此对一些重金属离子(如Cr离子)有很强的固化能力.

在水泥水化产物中,Cr离子在水泥中的状态具体是通过与其共生为化合物、或被物理化学吸附还是在层间位置被包裹,目前还不确定,本文主要研究其在水泥中的赋存状态.

由于水泥水化后产物非常复杂,多种水化产物混合在一块互相很难分离;而且不同硅酸盐水泥,其钙硅比都不一样,这也是目前研究的一个难点.为解决这个问题,通过使用氧化钙和硅灰制备成单相的水化硅酸钙,并研究不同钙硅比下,Cr离子在其中的状态,从而分析Cr在硅酸盐水泥中的赋存状态[9].铁矾渣中含有大量重金属离子(如Cr离子等),含量超过国家标准要求.将铁矾渣加入硅酸盐水泥中进行固化处理,制成固化体块,测试其强度和重金属浸出率,研究水泥固化铁矾渣在工业生产中的应用.

1试验

1.1原料与试剂

硅灰:成都东蓝星科技发展有限公司;氧化钙:天津博迪化工股份有限公司;三氧化铬:天津市福晨化学试剂厂;硅酸盐水泥:中材汉江水泥有限公司.

高压反应釜:CJ-20型反应釜;X射线衍射仪(XRD):岛津XRD-6000型X射线衍射仪;扫描电子显微镜(SEM):飞纳台式扫描电子显微镜能谱版ProX.

1.2试验方法

将氧化钙在900 ℃下煅烧2h,制得纯氧化钙备用.将制得的氧化钙和硅灰按各组所需要的比例(氧化钙和二氧化硅的物质的量的比分别为:0.8、1.2、1.6、2.0)放入直径10mm不锈钢反应器后,同时加入一定量CrO3溶液,再加水搅拌均匀,盖好后放入蒸压釜中,将蒸压釜温度恒定在200 ℃,水热反应5h.将水热反应后的沉淀物在100 ℃条件下烘干后,使用XRD表征反应产物沉淀的物相,用SEM分析形貌.

根据上述方法,将一定量硅酸盐水泥分别放入不锈钢反应器中,加入CrO3溶液和适量水,搅拌均匀后放入蒸压釜中,将蒸压釜温度恒定在200 ℃,水热反应5h.将水热反应后的沉淀物在100 ℃条件下烘干后,使用XRD表征反应产物沉淀的物相.

在硅酸盐水泥中加入60%的铁矾渣(wCr=0.129 5%),按水灰比为0.3加水搅拌后,倒入型号为φ 40mm×40mm的PVC模具中成型;放入养护箱在温度20 ℃、湿度100%的环境中,养护28d后,脱模得到固化体块;测其强度,并根据国标GB5085.3—2007《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》,对固化体块的浸出毒性进行检测.

2结果与分析

2.1Cr离子在水化硅酸钙中的赋存状态

图1为不同钙硅比含Cr水化硅酸钙的XRD图谱.由图1可以得出,在200 ℃保温5h的条件下,从产物的特征谱线来看,水化硅酸钙已转变为硬硅钙石和托勃莫来石.而Cr离子则是以CaCrO4的形式存在于水化硅酸钙水热反应后的产物中,且随着Cr离子的加入量逐渐增加,CaCrO4峰的强度也逐渐增加.原料中氧化钙与二氧化硅的物质的量的比由0.8至2.0逐渐增高,产物中托勃莫来石含量减少,硬硅钙石含量增加.图1中各特征峰的轮廓明显、峰尖锐,因此可知产物结晶度较高.

图1　不同钙硅比含Cr水化硅酸钙的XRD图谱

图2为不同钙硅比含5%Cr的水化硅酸钙的SEM图谱.由图2可以得出,硬硅钙石呈较明显的纤维状,通过能谱点扫描可以得到其成分主要为Ca、Si和O.从图2中可以看到硬硅钙石的形貌大多为互相交错比较致密的纤维结构团聚在一起,以及少量薄片状的托勃莫来石[7].但在图2中没有找到CaCrO4晶粒,可能是由于Cr离子的加入量过少造成的.图3为不同钙硅比含25%Cr的水化硅酸钙的SEM图谱.从图3可以得出,生成的CaCrO4结晶度很好,呈现出在小范围内富集、大范围均匀分布.由上述扫描电镜图片可以得出,随着钙硅比的增加,产物粒径逐渐减小,这可能是因为硬硅钙石基团或者化学键断裂所引起的[10-15].

2.2Cr离子在硅酸盐水泥中的赋存状态

图4为不同Cr掺量硅酸盐水泥水化产物的XRD图谱.从图4可以得出,在200 ℃保温5h的条件下,Cr的加入量为5%时,图4中没有CaCrO4的衍射峰,其产物主要为硬硅钙石和托勃莫来石,这可能也是因为Cr离子太少仪器检测不出来.当Cr离子加入量为25%时,硅酸盐水泥经过水热反应后,水化产物主要物相为CaCrO4、硬硅钙石和托勃莫来石.

图5为分别掺5%、25%Cr硅酸盐水泥水化产物的SEM图谱.当Cr离子的加入量为5%时(图5(a)),可以看到块状的CaCrO4颗粒,表明少量的Cr离子依然可以和Ca离子反应,并不会代替Ca离子进入产物晶格中.图5(b)为含25%Cr硅酸盐水泥的SEM图谱,可以看出CaCrO4外观呈规则八面体状[16].

3硅酸盐水泥固化铁矾渣的应用

在硅酸盐水泥中加入60%的铁矾渣(wCr=0.129 5%),养护28d后,固化体的强度为20.3MPa.根据国标GB5085.3—2007《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》[17],固化体浸出液中Cr离子的浓度为0.415mg/L,浸出液中重金属离子的浓度低于国家标准(5mg/L)要求[17-18].

图2　不同钙硅比含5%Cr水化硅酸钙的SEM图谱

图3　不同钙硅比含25%Cr水化硅酸钙的SEM图谱

图4　不同Cr掺量硅酸盐水泥水化产物的XRD图谱

图5　掺Cr硅酸盐水泥水化产物的SEM图谱

固化体浸出液中Cr离子浓度较低,主要因为Cr离子以CaCrO4的形式存在于固化体中,CaCrO4难溶于水,加上硅酸盐水泥固化体本身对CaCrO4的物理和化学吸附、包裹等作用,因此其在硅酸盐水泥中的状态比较稳定[20-23].因此,用硅酸盐水泥固化铁矾渣是可行的.

4结论

(1) 在200 ℃水热反应的条件下,不同钙硅比(氧化钙和二氧化硅的物质的量的比)C-S-H在水热反应条件下,其产物主要为硬硅钙石和托勃莫来石,随着原料中钙硅比增高,托勃莫来石含量减少,硬硅钙石含量增加.Cr离子在C-S-H、硅酸盐水泥固化体中,主要以CaCrO4的形式存在.

(2) 硅酸盐水泥固化铁矾渣后,根据国标GB5085.3—2007《危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别》,浸出液中Cr离子的浓度为0.415mg/L.

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Researchon Mechanism of Curing Cr-ion by Portland Cement and Its Application to Jarosite Slag

ZHENG Xutao,ZHANG Nannan,NAN Jiao,HOU Xiaoqiang,TAN Hongbin,GUO Congsheng

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,ShanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,China)

Abstract：Calcium silicate hydrates(C-S-H) of different Ca/Si molar ratios were made from calcium oxide and silica fume.After addition of CrO3 into in C-S-H and Portland cement respectively and reaction for 5 h at 200 ℃,the phase composition and microstructure of the samples were analyzed by using XRD,SEM and EDS.The results indicated that reactants from hydrothermal reaction of C-S-H of different Ca/Si molar ratios were xonotlite and tobermorite and the amount of xonotlite increased and that of tobermorite decreased with the increase of Ca/Si molar ratios.CaCrO4 was respectively detected in C-S-H and Portland cement.The solidified body was prepared by adding 60% jarosite slag(Cr content:0.129 5%)into Portland cement and being cured for 28 days,whose compressive strength was 20.3 MPa.The leaching toxicity of solidified body was tested according to national standard “hazardous waste identification standard-leaching toxicity identification”(GB 5085.3-2007),which showed that the concentration of Cr-ion in leaching solution was 0.415 mg/L.

Keywords：Portland cement; C-S-H; Cr-ions; jarosite slag; solidification

文章编号：1005-2046(2016)02-0034-06

DOI：10.13258/j.cnki.nmme.2016.02.006

收稿日期：2015-09-16

基金项目：废弃铁矾渣固化处理及资源化研究，汉中锌业有限责任公司(校企合作)(HXY2014-20)

作者简介：郑旭涛(1990—),男，硕士研究生. 主要从事硅酸盐水泥等方向的研究. E-mail: zxtwonderful@163.com 通信作者： 谭宏斌(1977—),男，副教授. 主要从事资源综合利用方面的研究. E-mail: t-h.n@163.com

中图分类号：TF 111.3

文献标志码：A