專利名稱：高鈣粉煤灰固封材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料領(lǐng)域，涉及利用工業(yè)廢棄物高鈣粉煤灰，并用復(fù)合化學(xué)外加劑激發(fā)所制得的一種低碳排放的環(huán)保型固封材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
水泥是一種傳統(tǒng)的膠凝材料，可以用作核污染以及重金屬危險(xiǎn)廢棄物的安全處置材料，即固封材料。水泥為人類經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步做出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)由于其高資源、高能源消耗、高碳排放以及造成的其他嚴(yán)重環(huán)境污染，越來(lái)越不符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。各國(guó)紛紛出臺(tái)相應(yīng)的措施限制水泥工業(yè)規(guī)模的發(fā)展，競(jìng)相賦予水泥技術(shù)以更高的科技含量，使它為人類造福的同時(shí)不至于給環(huán)境造成嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，各國(guó)也相繼發(fā)展新型的綠色膠凝材料，以取代這種傳統(tǒng)的固封材料。地聚合物是以硅鋁質(zhì)材料為原料通過(guò)礦物聚縮反應(yīng)而生成的一種低能耗、長(zhǎng)壽命、無(wú)CO2排放的高性能無(wú)機(jī)聚合物。地聚合物相對(duì)于普通硅酸鹽水泥具有較高的早期強(qiáng)度和優(yōu)良的耐久性能，因此，常被認(rèn)為是一種優(yōu)于水泥的可用于危險(xiǎn)廢棄物安全處置的固封材料。隨著人類對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)和研究工作的進(jìn)展，制備地聚合物的原材料也已從天然礦物原料拓寬為可利用工業(yè)固體廢棄物。粉煤灰是火力發(fā)電廠排放出來(lái)的一種以硅鋁為主要成分的工業(yè)副產(chǎn)品，普通粉煤灰是煙煤作為動(dòng)力燃料而排放出來(lái)的氧化鈣含量很低的低鈣粉煤灰，而高鈣粉煤灰則是褐煤、亞煙煤或次煙煤作為動(dòng)力燃料而排放出來(lái)的，其(Si02+Al203+Fe203)的質(zhì)量百分含量^ 50%, CaO的質(zhì)量百分含量> 10%。隨著電力工業(yè)的飛速發(fā)展，粉煤灰尤其是高鈣粉煤灰堆積形成新的污染源，亟需加以處置利用。另外，為實(shí)現(xiàn)能源的清潔燃燒，各國(guó)各火力電廠均將安裝煙氣脫硫凈化工藝，脫硫石膏是這一工藝的副產(chǎn)物，其化學(xué)成分主要是二水硫酸鈣。而污泥是一種主要的城市廢棄物，隨著人們環(huán)境意識(shí)的加強(qiáng)和水質(zhì)量指標(biāo)的日趨嚴(yán)格，水和污水處理過(guò)程所產(chǎn)生的污泥已成為水污染治理工藝不可避免的特殊廢棄物。我國(guó)城市污水處理廠每年排放的污泥量巨大，尤其是在我國(guó)大城市，污泥出路問(wèn)題已經(jīng)十分突出。這些污泥目前只能占地填埋或單獨(dú)焚燒處理，尚無(wú)合理的處理辦法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以高鈣粉煤灰為主要原材料，以鈉水玻璃和氫氧化鈉所制得的溶液為復(fù)合化學(xué)外加劑，還可加入熱處理脫硫石膏或熱活化污泥，制備新型固封材料，在一定范圍內(nèi)能部分取代或優(yōu)于水泥。高鈣粉煤灰因其含有較高的硅鋁質(zhì)成分，可用于研制高鈣粉煤灰地聚合物。而脫硫石膏其經(jīng)低溫煅燒后失水變成硬石膏，在脫硫石膏和高鈣粉煤灰為主的體系中除自身凝結(jié)產(chǎn)生強(qiáng)度外，還起到硫酸鹽激發(fā)劑的作用，有一定的激發(fā)效果，脫硫石膏含有少量未反應(yīng)的CaCO3和部分可溶鹽，如鉀、鈉鹽，這些雜質(zhì)的存在都可以加速水化，激發(fā)活性。風(fēng)干污泥經(jīng)熱活化處理后其主要物相組成為Ca0、Mg0和SiO2，當(dāng)熱活化污泥摻入到高鈣粉煤灰中，其含有的硅鋁質(zhì)礦物成分，可以用其作為地聚合物材料的硅鋁源先驅(qū)相，而大量鈣質(zhì)成分以及堿性物質(zhì)K2O和Na2O,可以作為地聚合反應(yīng)的堿性激發(fā)劑，為地聚合反應(yīng)提供更高的堿性環(huán)境，增大熱活化污泥一高鈣粉煤灰地聚合物反應(yīng)體系的堿度，有利于高鈣粉煤灰硅鋁相的解聚以及解聚的硅鋁配合物的溶出和擴(kuò)散，加速地聚合物凝膠的形成。該發(fā)明利用的是工業(yè)廢棄物，首先給廢棄物的利用提供了途徑，也降低了成本，減少了資源消耗，且其具有免燒和無(wú)熟料的特點(diǎn)，節(jié)約了能源消耗，符合節(jié)能減排的要求；同時(shí)這種新型固封材料只有少量的溫室氣體的排放，是一種低碳排放的環(huán)保型的膠凝材料；加之，它在一定程度上可以取代水泥，可以減少水泥的生產(chǎn)，也就是減少了水泥生產(chǎn)過(guò)程中的高資源、能源消耗，高碳排放，也減少了其對(duì)環(huán)境造成的巨大壓力。另外，本發(fā)明是一種固封材料，可以以廢治廢，符合我國(guó)國(guó)情的要求，符合當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)，具有良好的經(jīng)濟(jì) 效益與社會(huì)效益。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供了一種高鈣粉煤灰固封材料，該固封材料的原料包括高鈣粉煤灰和復(fù)合化學(xué)外加劑，其中復(fù)合化學(xué)外加劑由氫氧化鈉和鈉水玻璃配制而成，模數(shù)M(SiO2) /n(Na20)為I. 5 2.0 ;該兩種原料之間的量比關(guān)系為由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O的質(zhì)量為高鈣粉煤灰質(zhì)量的10°/Γ15%。上述固封材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行a、將氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃混合，控制其模數(shù)M (SiO2) /n (Na2O)為I. 5^2. 0，制成復(fù)合化學(xué)外加劑備用。b、在高鈣粉煤灰中加入復(fù)合化學(xué)外加劑，由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O的質(zhì)量為高鈣粉煤灰質(zhì)量的109Γ15%，即得試樣。C、制得的試樣在75 ° C下水熱養(yǎng)護(hù)8h，然后移置室溫下養(yǎng)護(hù)28d，即得本發(fā)明高鈣粉煤灰固封材料。進(jìn)一步，步驟a中所得復(fù)合化學(xué)外加劑陳化24h后備用，可進(jìn)一步提高復(fù)合化學(xué)外加劑的活性。進(jìn)一步，步驟b中控制高鈣粉煤灰、復(fù)合化學(xué)外加劑構(gòu)成的體系的水灰比為O. 4。本發(fā)明提供了另一種高鈣粉煤灰固封材料，該固封材料的原料包括高鈣粉煤灰、熱處理脫硫石膏和復(fù)合化學(xué)外加劑，其中熱處理脫硫石膏為脫硫石膏在60(T800° C的溫度下煅燒O. 5tTl.5h而得；復(fù)合化學(xué)外加劑由氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃配制而成，模數(shù)M(SiO2) Ai(Na2O)為I. 5^2. O ;該三種原料之間的量比關(guān)系為熱處理脫硫石膏與高鈣粉煤灰的質(zhì)量比彡1:9 ;由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O的質(zhì)量為熱處理脫硫石膏與高鈣粉煤灰質(zhì)量之和的10°/Γ15%。上述固封材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行a、將氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃溶液混合，控制其模數(shù)M(SiO2) Ai(Na2O)為I. 5^2. 0，制成復(fù)合化學(xué)外加劑備用。
b、將脫硫石膏在60(T800° C的溫度下煅燒O. 5tTl. 5h，制得熱處理脫硫石膏，冷
卻后備用。C、將熱處理脫硫石膏與高鈣粉煤灰按照質(zhì)量比彡1:9混合后，加入復(fù)合化學(xué)外加劑，由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O的質(zhì)量為熱處理脫硫石膏與高鈣粉煤灰質(zhì)量之和的10% 15%，即得試樣。d、制得的試樣在75 ° C下水熱養(yǎng)護(hù)8h，然后移置室溫下養(yǎng)護(hù)28d，即得本發(fā)明高鈣粉煤灰固封材料。本制備方法中的步驟a、b不分先后順序。
進(jìn)一步，步驟a中所得復(fù)合化學(xué)外加劑陳化24h后備用，可進(jìn)一步提高復(fù)合化學(xué)外加劑的活性。進(jìn)一步，步驟c中控制高鈣粉煤灰、熱處理脫硫石膏、復(fù)合化學(xué)外加劑構(gòu)成的體系的水灰比為0.4。本發(fā)明還提供了一種高鈣粉煤灰固封材料，該固封材料的原料包括高鈣粉煤灰、熱活化污泥和復(fù)合化學(xué)外加劑，其中熱活化污泥為風(fēng)干污泥在80(T900° C的溫度下煅燒
0.5tTl. 5h而得；復(fù)合化學(xué)外加劑由氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃配制而成，模數(shù)M(SiO2)/n(Na20)為I. 5 2. O;該三種原料之間的量比關(guān)系為熱活化污泥與高鈣粉煤灰的質(zhì)量比(1:9 ;由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O的質(zhì)量為熱活化污泥與高鈣粉煤灰質(zhì)量之和的10%"I5%O上述固封材料的制備方法按以下步驟進(jìn)行a、將氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃混合，控制其模數(shù)M (SiO2) /n (Na2O)為
1.5^2. 0，制成復(fù)合化學(xué)外加劑備用。b、將風(fēng)干污泥在800 900° C的溫度下煅燒O. 5tTl. 5h，制得熱活化污泥，冷卻后備用。C、將熱活化污泥與高鈣粉煤灰按照質(zhì)量比< 1:9混合后，加入復(fù)合化學(xué)外加劑，由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O的質(zhì)量為熱活化污泥與高鈣粉煤灰質(zhì)量之和的109Γ15%，即得試樣。d、制得的試樣在75 ° C下水熱養(yǎng)護(hù)8h，然后移置室溫下養(yǎng)護(hù)28d，即得本發(fā)明高鈣粉煤灰固封材料。本制備方法中的步驟a、b不分先后順序。進(jìn)一步，步驟a中所得復(fù)合化學(xué)外加劑陳化24h后備用，可進(jìn)一步提高復(fù)合化學(xué)外加劑的活性。進(jìn)一步，步驟c中控制高鈣粉煤灰、熱活化污泥以及復(fù)合化學(xué)外加劑構(gòu)成的體系的水灰比為0.4。前述三種高鈣粉煤灰固封材料對(duì)重金屬的固封效果均滿足美國(guó)環(huán)境保護(hù)署毒性浸出試驗(yàn)(TCLP)規(guī)定的浸出濃度限值的要求，在一定范圍內(nèi)能夠取代普通硅酸鹽水泥運(yùn)用于實(shí)際工程。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明以下三個(gè)實(shí)施例的主要原材料高鈣粉煤灰和脫硫石膏取自某電廠，風(fēng)干污泥為某水處理廠野外堆放自然風(fēng)干污泥，高鈣粉煤灰、風(fēng)干污泥和脫硫石膏的主要成分見(jiàn)表I。復(fù)合化學(xué)外加劑由氫氧化鈉和鈉水玻璃配制而成，所用氫氧化鈉為含99. 2%NaOH的化學(xué)試劑，市售的液體狀的鈉水玻璃固含量38. 3%，含有9. l%Na20, 29. 2%Si02和61. 7%的水。表I高鈣粉煤灰、脫硫石膏和風(fēng)干污泥的主要化學(xué)成分及含量(wt. %)
權(quán)利要求
1.一種高鈣粉煤灰固封材料，其特征在于該固封材料的原料包括高鈣粉煤灰、熱處理脫硫石膏和復(fù)合化學(xué)外加劑，其中熱處理脫硫石膏為脫硫石膏在600° (T800° C的溫度下煅燒O. 5tTl. 5h而得；復(fù)合化學(xué)外加劑由氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃配制而成，模數(shù)M(SiO2) Ai(Na2O)為I. 5^2. O ;該三種原料之間的量比關(guān)系為熱處理脫硫石膏與高鈣粉煤灰質(zhì)量比彡1:9 ;由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O的質(zhì)量為熱處理脫硫石膏與高鈣粉煤灰質(zhì)量之和的10% 15%。
2.權(quán)利要求I所述的固封材料的制備方法，按以下步驟進(jìn)行 a、將氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃混合，控制其模數(shù)M(SiO2)Ai(Na2O)為I. 5^2. 0，制成復(fù)合化學(xué)外加劑備用； b、將脫硫石膏升溫至600°(Γ800。C的溫度下煅燒O. 5tTl. 5h，制得熱處理脫硫石膏，冷卻后備用； C、將熱處理脫硫石膏與高鈣粉煤灰按照質(zhì)量比彡1:9混合后，加入復(fù)合化學(xué)外加齊U，由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O的質(zhì)量為熱處理脫硫石膏與高鈣粉煤灰質(zhì)量之和的10% 15%，即得試樣； d、制得的試樣在75 ° C下水熱養(yǎng)護(hù)8h，然后移置室溫下養(yǎng)護(hù)28d，即得本發(fā)明高鈣粉煤灰固封材料； 或者，按以下步驟進(jìn)行 a、將脫硫石膏升溫至600°(Γ800。C的溫度下煅燒O. 5tTl. 5h，制得熱處理脫硫石膏，冷卻后備用； b、將氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃混合，控制其模數(shù)M(SiO2)Ai(Na2O)為I. 5^2. 0，制成復(fù)合化學(xué)外加劑備用； C、將熱處理脫硫石膏與高鈣粉煤灰按照質(zhì)量比< 1:9混合后，加入復(fù)合化學(xué)外加齊U，由復(fù)合化學(xué)外加劑引入的Na2O的質(zhì)量為熱處理脫硫石膏與高鈣粉煤灰質(zhì)量之和的10% 15%，即得試樣； d、制得的試樣在75 ° C下水熱養(yǎng)護(hù)8h，然后移置室溫下養(yǎng)護(hù)28d，即得本發(fā)明高鈣粉煤灰固封材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟c中控制高鈣粉煤灰、熱處理脫硫石膏、復(fù)合化學(xué)外加劑構(gòu)成的體系的水灰比為O. 4。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3中任一所述的制備方法，其特征在于步驟a中所得復(fù)合化學(xué)外加劑陳化24h后備用。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高鈣粉煤灰固封材料及其制備方法，該高鈣粉煤灰固封材料以高鈣粉煤灰為主要原材料，以氫氧化鈉和液體狀的鈉水玻璃所制得的溶液為復(fù)合化學(xué)外加劑，還可加入熱處理脫硫石膏或熱活化污泥，并在一定的養(yǎng)護(hù)環(huán)境中使該體系具有較好的性能，固封效果均滿足美國(guó)環(huán)境保護(hù)署毒性浸出試驗(yàn)(TCLP)規(guī)定的浸出濃度限值的要求，在一定范圍內(nèi)能夠取代普通硅酸鹽水泥運(yùn)用于實(shí)際工程。該發(fā)明利用的是工業(yè)廢棄物高鈣粉煤灰、脫硫石膏和污泥，既減輕了環(huán)境的負(fù)擔(dān)，也降低了成本，減少了資源消耗，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。
文檔編號(hào)C04B28/14GK102826815SQ201210319629
公開(kāi)日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者郭曉潞, 施惠生 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)