地質(zhì)聚合物在污泥資源化利用中的研究進(jìn)展

地質(zhì)聚合物在污泥資源化利用中的研究進(jìn)展地質(zhì)聚合物在污泥資源化利用中的研究進(jìn)展

Abstract：Thepapersummarizedtheresearchofthegeopolymerinsludgegovernancefromthreeaspectsofrawmaterialselection，mechanicalpropertiesandsolidificationofheavymetals.Duetotheprincipleofwasteresourcization，astherawmaterial，solidwasteisthecurrentresearchhotspot.Theincorporationofsludgewilldiminishthemechanicalpropertiesofgeopolymer，whilesomesludgewithspecialcomponentsandpHcanpromotethepolymerizationreactionsoastoimprovethestrengthofgeopolymer.Geopolymercaneffectivelysealtheheavymetalions，buttherearemanydifferencesamongthesealingrates.

Keywords：geopolymer;sludge;wasteresourcization

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引言

紹興是紡織印染業(yè)的重鎮(zhèn)，同時(shí)印染污泥產(chǎn)量也尤其高，以迄今為止世界上最具規(guī)模的印染廢水集中治理企業(yè)――紹興水處理開(kāi)展有限公司為例，污泥日產(chǎn)量在2000噸以上〔含水率85%〕。目前，印染污泥的處理處置主要以填埋工藝為主，但其不可防止地對(duì)周?chē)沫h(huán)境造成二次污染。而不少企業(yè)那么因處置途徑受限，將污泥臨時(shí)堆放在企業(yè)廠區(qū)的空地上或角落處，堆放場(chǎng)地簡(jiǎn)陋，沒(méi)有配備必要的防滲漏措施，極易污染土壤和地下水。局部企業(yè)將污泥壓濾后利用企業(yè)正常生產(chǎn)所需的鍋爐進(jìn)行燃燒處置，這類(lèi)鍋爐沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的尾氣處理裝置，燃燒時(shí)易對(duì)大氣產(chǎn)生二次污染，同時(shí)污泥燃燒產(chǎn)生的爐渣未得到標(biāo)準(zhǔn)處置。

可以看到，印染污泥的有效處理還遠(yuǎn)未得到合理的解決。從社會(huì)經(jīng)濟(jì)開(kāi)展、資源開(kāi)發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境愛(ài)護(hù)等方面考慮，印染污泥資源化是最理想的處置措施，既滿足污泥中資源的有效循環(huán)利用，同時(shí)不對(duì)人類(lèi)和環(huán)境產(chǎn)生有害影響。因此，加強(qiáng)印染污泥資源化利用的研究與實(shí)踐，解決印染污泥處理處置中的難題，防止生態(tài)環(huán)境污染，節(jié)約處置費(fèi)用，變廢為寶，使之具有良好的生態(tài)效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是印染產(chǎn)業(yè)和環(huán)境可持續(xù)開(kāi)展的必然要求。

地質(zhì)聚合物〔Geopolymer〕是一類(lèi)新型無(wú)機(jī)高聚合膠凝材料，由法國(guó)科學(xué)家JosephDavidovits教授于20世紀(jì)70年代首先發(fā)現(xiàn)并命名，具有高強(qiáng)、高耐久、固核固廢和耐高溫等突出的優(yōu)點(diǎn)。[1-3]當(dāng)前，地質(zhì)聚合物技術(shù)的熱點(diǎn)以利用固體廢棄物為主，如粉煤灰和礦渣等。本文旨在總結(jié)地質(zhì)聚合物在污泥治理中的研究進(jìn)展，以期對(duì)印染污泥的資源化利用提供技術(shù)參考。

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污泥地質(zhì)聚合物材料的研究進(jìn)展

1.1原材料的選擇

在污泥的治理中，水泥固化是一種傳統(tǒng)的辦法，但由于污泥含有復(fù)雜的成分，且污泥的干化工藝中往往摻入石灰和硫酸亞鐵等進(jìn)行化學(xué)調(diào)質(zhì)干化，因此假設(shè)摻污泥燒制水泥易造成水泥安定性不良，而如果直接摻入水泥那么造成固化體耐久性不良。相比于利用水泥固化污泥，地質(zhì)聚合物具有更大的優(yōu)勢(shì)，原因在于其原料的低碳環(huán)保、對(duì)重金屬的高封固率和制品的高耐久性。圖1是Duxson等[4]通過(guò)調(diào)查公開(kāi)資料得出的地質(zhì)聚合物和普通硅酸鹽水泥的碳排放量比擬，從中可以發(fā)現(xiàn)地質(zhì)聚合物相比普通水泥能減少80%甚至更高的碳排放。

地質(zhì)聚合物通常以富含硅鋁相的原材料通過(guò)堿性激發(fā)制得，其結(jié)構(gòu)為由共用氧交替鍵合的[SiO4]4―和[AIO4]5―四面體組成的聚合鋁―氧―硅酸鹽無(wú)定形三維網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予地質(zhì)聚合物不同于硅酸鹽水泥的特點(diǎn)，如力學(xué)性能好，能有效封固重金屬離子等。在最初的研究中，地質(zhì)聚合物的原料主要為偏高嶺土，如云斯寧，馮瓊等[5，6]以偏高嶺土為硅鋁相原料，制備了赤泥偏高嶺土膠凝材料。但偏高嶺土的生產(chǎn)需要煅燒工藝，不合適大規(guī)模使用且不合乎環(huán)保的理念。目前，對(duì)地質(zhì)聚合物的研究更多地集中在利用固體廢棄物，如粉煤灰和礦渣等，其原因在于利用這些原料不但能得到性能較好的地質(zhì)聚合物，還有利于減小環(huán)境負(fù)擔(dān)。如：徐建中、李文娟和郭曉潞等[7-9]以粉煤灰為主要合成材料，分別制備了粉煤灰制革污泥地質(zhì)聚合物、粉煤灰赤泥地質(zhì)聚合物和粉煤灰市政污泥地質(zhì)聚合物。徐子芳、張娟和徐中慧等[10-12]那么分別以高鈣煤系廢物、煤矸石和固硫灰為主合成材料制備了相應(yīng)的污泥地質(zhì)聚合物。

1.2力學(xué)性能

地質(zhì)聚合物的力學(xué)性能與硅鋁相的反饋活性、激發(fā)劑的模數(shù)以及水膠比等有密切的關(guān)系，污泥的摻入對(duì)其也具有非常顯著的影響。云斯寧等[5，6]以偏高嶺土、赤泥為原料，鈉水玻璃為激發(fā)劑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)水玻璃與赤泥共同激發(fā)偏高嶺土膠凝材料的力學(xué)性能較好，其強(qiáng)度的開(kāi)展與水玻璃模數(shù)有關(guān)，在固定赤泥參加量時(shí)，水玻璃模數(shù)為1.0時(shí)強(qiáng)度最好。徐建中等以粉煤灰、制革廢水污泥和偏高嶺土為主要原料，氫氧化鉀為激發(fā)劑制備了一系列地質(zhì)聚合物，發(fā)現(xiàn)污泥摻量為10%的地質(zhì)聚合物的抗壓強(qiáng)度最好;而當(dāng)摻量超過(guò)10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度有一定幅度的下降;當(dāng)摻量到達(dá)50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度仍能高于不摻污泥的對(duì)照試樣。李文娟等[8]以粉煤灰、赤泥為膠凝材料，細(xì)砂為骨料，水玻璃為激發(fā)劑，同時(shí)摻入木質(zhì)素磺酸鈣，制備了赤泥/粉煤灰地質(zhì)聚合物〔見(jiàn)圖2〕，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度隨赤泥摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的變化，當(dāng)赤泥摻量為68%左右時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大，到達(dá)約16MPa，能夠滿足非承重墻磚MU10的要求。郭曉潞等[9]將污泥進(jìn)行熱處理活化，然后摻入高鈣粉煤灰中，并用水玻璃進(jìn)行激發(fā)，制得了熱活化污泥粉煤灰地質(zhì)聚合物材料〔見(jiàn)圖3〕，發(fā)現(xiàn)900℃是污泥最正確的熱活化溫度，制得地質(zhì)聚合物材料強(qiáng)度較高;以10%～30%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的熱活化污泥取代高鈣粉煤灰時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨污泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而急劇降低;其中，以含10wt%污泥〔從以上分析中可以看到污泥對(duì)地質(zhì)聚合物的力學(xué)性能影響非常顯著，在污泥含量較低時(shí)可以一定程度上提高強(qiáng)度，而污泥摻量過(guò)大時(shí)那么會(huì)極大地降低強(qiáng)度。此外，污泥的前處理，如污泥的干化工藝和熱處理工藝等，以及主合成材料的品種對(duì)膠凝材料強(qiáng)度的影響也很大。

1.3固化重金屬

污泥尤其是工業(yè)污泥由于含有較多重金屬離子，在處理處置中成為影響環(huán)境的重要因素。利用水泥處理污泥并固化重金屬的研究較多，如Davodovits、vanJaarsveld等[2，3，13]對(duì)地質(zhì)聚合物材料的結(jié)構(gòu)研究說(shuō)明，這類(lèi)材料的基質(zhì)相化學(xué)組成與沸石類(lèi)似，結(jié)構(gòu)呈非晶質(zhì)或半晶質(zhì)相，重金屬可以有效地被固封在這種類(lèi)沸石的籠型結(jié)構(gòu)中，因此，地質(zhì)聚合物材料具有固化重金屬的潛在能力和優(yōu)良性能。徐建中等[7]人以粉煤灰和制革廢水污泥制備地質(zhì)聚合物材料，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)重金屬主要為Cr、Zn、Pb。該地質(zhì)聚合物材料中的重金屬溶出量合乎環(huán)境規(guī)范規(guī)定的要求，且Pb的溶出量最低，Cr其次，Zn最高，而隨著固化時(shí)間的延長(zhǎng)，重金屬的溶出量逐漸降低。劉斯鳳等[14]將鉻污泥與粉煤灰地質(zhì)聚合物復(fù)合，研究地質(zhì)聚合物對(duì)鉻的封固機(jī)理，發(fā)現(xiàn)Cr3+的摻入使粉煤灰中Si和Al的浸出量明顯減少，尤以Si的浸出量減少幅度更大。劉斯鳳等[15]更進(jìn)一步在粉煤灰地質(zhì)聚合物中摻入鎳污泥，研究了鎳污泥與地質(zhì)聚合物之間的相互影響，發(fā)現(xiàn)：摻鎳污泥使硅、鋁相浸出量高于未摻鎳污泥的情況，且硅、鋁浸出量之比減小，表明硅、鋁在鎳的作用下更加活潑，尤以硅對(duì)鎳的固封更加顯著;當(dāng)鎳摻量為0.25%時(shí)，鎳的浸出量?jī)H為5.01mg/L，固封率到達(dá)99.8%。徐中慧等[12]那么以固硫灰來(lái)制備地質(zhì)聚合物用于封固含鉻污泥，發(fā)現(xiàn)固化體總鉻和Cr〔VI〕浸出質(zhì)量濃度僅為0.37mg/L和5.93×10-3mg/L，與固化前相比濃度大大降低，且遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)規(guī)定的濃度限值，說(shuō)明地質(zhì)聚合物固化體具有優(yōu)良抗浸出性能，能有效避免固化體中的鉻向環(huán)境遷移。

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結(jié)論

①地質(zhì)聚合物具有低碳環(huán)保、力學(xué)性能優(yōu)良、能封固重金屬等特點(diǎn)，在污泥等廢棄物的資源化利用方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。在原料的選擇上，固體廢棄物如粉煤灰、礦渣等因更加環(huán)保而引起重視，能實(shí)現(xiàn)以廢治廢。

②污泥對(duì)地質(zhì)聚合物的力學(xué)性能有較大的影響。當(dāng)污泥含有堿金屬或堿土金屬離子時(shí)