模擬環(huán)境下的鎳鐵廢渣機(jī)制砂的重金屬溶出研究

陳美嬋 吳春麗

（廣東省建筑材料研究院有限公司)

0 引言

目前，利用工業(yè)廢渣制備機(jī)制砂已成為研究熱點(diǎn)，此舉既減少環(huán)境污染的問題，又能為機(jī)制砂產(chǎn)業(yè)提供新的原材料來源，實(shí)現(xiàn)變廢為寶[1-3]。通過前期的研究及分析，發(fā)現(xiàn)鎳鐵廢渣具有顆粒尺寸較小、壓碎值高、易加工的工藝特性，在使用其制備機(jī)制砂方面具有很大的潛力，有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明鎳鐵廢渣機(jī)制砂性能滿足GB/T 14684-2011《建設(shè)用砂》標(biāo)準(zhǔn)要求，可部分替代河砂應(yīng)用在砂漿和混凝土領(lǐng)域[4]。

許多研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)在鎳鐵廢渣資源化利用的過程中不可避免的會出現(xiàn)重金屬溶出的現(xiàn)象，特別在酸雨環(huán)境和海水環(huán)境下的重金屬溶出問題特別嚴(yán)重[2]。本研究針對這個問題，以廣東某公司排放的鎳鐵廢渣為例，制備機(jī)制砂，探索在資源化利用過程中的重金屬浸出問題，考察時間變化和環(huán)境條件對于鎳鐵廢渣資源化方案重金屬固化能力的影響，評估相應(yīng)技術(shù)方案的長期環(huán)境效應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

廣東某企業(yè)利用鎳鐵廢渣制備的機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；鹽酸（HCl）為37%的濃鹽酸稀釋，硫酸（H2SO4）為98%的濃鹽酸稀釋，去離子水為實(shí)驗(yàn)室自制，模擬海水采用美國材料協(xié)會的ASTMD1141:1998《人造海水標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)配置[5,6]。

1.2 重金屬浸出測試方法

模擬酸雨淋溶實(shí)驗(yàn)裝置如圖1a所示，主要包括淋溶柱、蠕動泵、燒杯等，淋溶柱由高分子聚丙烯材料制成，柱高40cm、內(nèi)徑4cm，底部為中速濾紙和濾網(wǎng)，實(shí)驗(yàn)時將鎳鐵渣機(jī)制砂直接放入淋溶柱內(nèi)。模擬海水浸出實(shí)驗(yàn)裝置如圖1b所示，主要往復(fù)振蕩儀和容器，在容器中添加模擬海水，沒過樣品的三分之二。

圖1 模擬裝置圖

1.3 測試方法

鎳鐵廢渣采用微波消解儀消解然后采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP)測試各種重金屬的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同pH值的酸雨環(huán)境對鎳鐵廢渣機(jī)制砂溶出的影響

采用不同pH值的模擬酸雨溶液對鎳鐵廢渣機(jī)制砂進(jìn)行淋溶實(shí)驗(yàn)，淋溶結(jié)束后pH值變化結(jié)果如表1和圖2所示。

由表1和圖2可知，三個不同的淋溶柱分別對應(yīng)不同pH值的模擬酸雨溶液，初始的的淋溶液pH值較大，這是由于鎳鐵廢渣機(jī)制砂內(nèi)存在弱堿性(Mg,Fe)2SiO4，發(fā)生水解作用釋放了OH-，中和了酸雨的酸性，隨著淋溶天數(shù)的增加，淋溶液的pH值逐漸下降，這說明鎳鐵廢渣機(jī)制砂能被酸雨侵蝕，pH值越小的酸雨侵蝕能力越強(qiáng)。pH=4.6的酸雨呈波浪狀態(tài)上下起伏，這是由于鎳鐵廢渣機(jī)制砂中浸溶出了的OH-起了中和酸性的作用，少量的酸或者堿讓pH值出現(xiàn)波動，當(dāng)pH值下降到6.5以后，就不再出現(xiàn)波動。

表1 不同pH值的模擬酸雨溶液淋溶鎳鐵廢渣機(jī)制砂溶出液的pH值變化

圖2 不同pH值的模擬酸雨溶液淋溶鎳鐵廢渣機(jī)制砂溶出液的pH變化

從圖3可以看出，模擬酸雨溶液的pH值對鎳鐵廢渣重金屬溶出有很大的影響，pH=3.1的酸雨溶液淋溶的鎳鐵廢渣機(jī)制砂溶出量最大，而且溶出速度更快，這說明pH越低，會使鎳鐵廢渣機(jī)制砂中的重金屬更容易被溶出，加大了重金屬離子的溶出程度。在酸性環(huán)境下，鎳鐵廢渣內(nèi)的固熔體和玻璃體會被溶解，更加容易釋放出重金屬離子。pH=4.6的模擬酸雨溶液前三周的淋溶結(jié)束后，所有的重金屬離子溶出量都低于0.02mg/L，這說明，鎳鐵廢渣內(nèi)存在堿性物質(zhì)，酸堿中和反應(yīng)導(dǎo)致溶液幾乎呈中性，所以重金屬離子溶出量較少。在模擬酸雨環(huán)境下，重金屬Zn的溶出量最大，這說明Zn在酸雨環(huán)境下容易被浸出，Mn次之。在pH=3.1時，重金屬Zn浸出量達(dá)到0.3215mg/L。

圖3 不同pH值的模擬酸雨溶液淋溶鎳鐵廢渣機(jī)制砂重金屬溶出量

不同pH值的模擬酸雨溶液淋溶鎳鐵廢渣機(jī)制砂的重金屬溶出量如表所示，由圖4分析可以得到，重金屬Ni幾乎不被溶出，而Mn、Zn被大量的溶出。重金屬Pb、Zn和Mn的浸出出現(xiàn)兩頭大中間小的情況，模擬酸雨溶液的pH=4.6時的浸出量均小于pH=3.1和5.1時，分析其原因，鎳鐵廢渣機(jī)制砂為堿性固體，當(dāng)酸雨淋溶時，鎳鐵廢渣內(nèi)的堿性物質(zhì)和酸雨中和，這時溶液呈中性狀態(tài)，降低了重金屬的浸出量，這和前面pH的變化相對應(yīng)。pH=3.1的模擬酸雨溶液淋溶后，重金屬浸出基本為三種pH值中的最大，這說明，重金屬浸出量的酸雨的pH值正相關(guān)，在酸雨較強(qiáng)的地區(qū)，應(yīng)特別注意鎳鐵廢渣機(jī)制砂的重金屬浸出情況。

圖4 不同pH值的酸雨模擬溶液淋溶鎳鐵廢渣中的重金屬浸出

表2 鎳鐵廢渣機(jī)制砂在不同pH值的模擬酸雨溶液淋溶的重金屬溶出量

2.2 模擬海水環(huán)境對鎳鐵廢渣機(jī)制砂溶出的影響

在模擬海水環(huán)境下進(jìn)行鎳鐵廢渣重金屬的浸出，結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖可知，重金屬Ni、Zn和Mn更容易被浸出，浸出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他重金屬。除了重金屬Cr以外，所有重金屬的浸出都會隨著海水的浸泡時間的增長而增大，呈現(xiàn)一個明顯的上升趨勢。海水存在較多的氯離子，在氯離子的滲透作用下，鎳鐵廢渣內(nèi)的重金屬被緩慢浸出，這一過程是極其緩慢的，所以如圖所示，在初始的7天內(nèi)，重金屬只有Zn和Mn輕微的浸出，其他重金屬較難被海水浸出。然而隨著時間的增長，重金屬Ni開始大量的浸出，在112d時可以達(dá)到0.1059mg/L的浸出量，這說明，長期的模擬海水浸泡可以導(dǎo)致鎳鐵廢渣中的重金屬Ni大量浸出，因此 我們考慮長期環(huán)境效應(yīng)是有必要的。不考慮浸出量來看重金屬的變化趨勢，Cd、Cu和Pb都長期的海水浸泡下出現(xiàn)重金屬浸出量增長的現(xiàn)象，這說明，鎳鐵廢渣在長期的應(yīng)用過程中會出現(xiàn)重金屬浸出的現(xiàn)象，因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中有必要考慮環(huán)境效應(yīng)。

圖5 模擬海水環(huán)境對鎳鐵廢渣機(jī)制砂的重金屬浸出影響

圖6 模擬海水環(huán)境對鎳鐵廢渣機(jī)制砂的重金屬浸出影響（Cd/Cr/Cu/Pb）

表3 模擬海水環(huán)境對鎳鐵廢渣機(jī)制砂的重金屬浸出影響

3 結(jié)論

⑴在模擬酸雨環(huán)境下，重金屬Zn的溶出量最大，這說明Zn在酸雨環(huán)境下容易被浸出，Mn次之。在pH=3.1時，重金屬Zn浸出量達(dá)到0.3215mg/L，pH=4.6的模擬酸雨溶液的浸出量最小是由于酸堿中和后溶液呈中性，降低了重金屬的浸出量；

⑵重金屬浸出量的酸雨的pH正相關(guān)，在酸雨較強(qiáng)的地區(qū)，應(yīng)特別注意鎳鐵廢渣機(jī)制砂的重金屬浸出情況；

⑶長期的模擬海水浸泡可以導(dǎo)致鎳鐵廢渣中的重金屬Ni大量浸出，不考慮浸出量來看重金屬的變化趨勢，Cd、Cu和Pb都長期的海水浸泡下出現(xiàn)重金屬浸出量增長的現(xiàn)象，因此我們考慮長期環(huán)境效應(yīng)是有必要的。