銅冶煉污泥固化工藝探究

李彥君

（呂梁市生態(tài)環(huán)境局柳林分局，山西 呂梁 033300）

0 引言

在銅礦冶煉過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量冶煉污泥，這些冶煉污泥中含有大量重金屬離子等污染物，如隨意堆放，則容易導(dǎo)致重金屬離子再溶出，繼而造成嚴(yán)重的地下水或土壤污染問(wèn)題[1]。近年來(lái)，基于銅冶煉污泥自身的組分特點(diǎn)，一些研究人員開始嘗試對(duì)銅冶煉污泥進(jìn)行處理，但資源利用率不高和成本居高不下等問(wèn)題仍然存在。因此，仍需要結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)銅冶煉污泥固化工藝做進(jìn)一步的探索。

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)主要材料為銅冶煉污泥，取自某金屬冶煉廠，按照隨機(jī)布設(shè)采樣點(diǎn)的方式進(jìn)行采樣獲得。在獲得銅冶煉污泥后，使用X 射線衍射儀對(duì)其進(jìn)行物相分析，結(jié)果顯示，該銅冶煉污泥主要物相為硫酸鈣水合物。同時(shí)，也檢測(cè)到一定量的砷酸鈣、砷酸鉛、二氧化硅以及未反應(yīng)完全的氫氧化鈣等物質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，使用原子熒光光度計(jì)對(duì)其元素組分進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，污泥中的污染性元素中，主要以As 的含量為最高，w（As）平均達(dá)10.2%。而Zn、Pb 等常見的重金屬元素含量則相對(duì)較低，w（Zn）、w（Pb）均在1%以下。這表明冶煉廠產(chǎn)生的污泥主要為含高砷的污泥，且污泥中的其他有價(jià)元素的含量處于相對(duì)較低的水平。

本次實(shí)驗(yàn)使用的其他材料包括：

1）粉煤灰：取自某燃煤電廠煙道，其鋁硅氧化物含量較高，氧化鈣含量較低，主要作用是在降低成本的同時(shí)保證固化效果。

2）水泥：采用型號(hào)為32.5 的礦渣硅酸鹽水泥。

3）其他外加劑，純度均為分析純，均采購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

本次實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備，如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備表

2 主要實(shí)驗(yàn)流程

參考已有研究文獻(xiàn)并結(jié)合冶煉污泥污染治理的實(shí)際工作需要，設(shè)定本次實(shí)驗(yàn)的主要流程，如圖1 所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

在本次實(shí)驗(yàn)中，所有材料混合后加入外加劑和水等進(jìn)行預(yù)處理，而后將其注入模具并成型。當(dāng)混合料成型后，再對(duì)其進(jìn)行脫模，并選擇合適的養(yǎng)護(hù)方式進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。待混合料達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，使用水泥恒壓壓力機(jī)，對(duì)試樣的強(qiáng)度性能進(jìn)行測(cè)試。如通過(guò)測(cè)試，則對(duì)試樣進(jìn)行破碎處理，進(jìn)行浸出毒性實(shí)驗(yàn)，測(cè)試重金屬離子的各項(xiàng)浸出濃度以及試樣的力學(xué)性能，對(duì)固化效果進(jìn)行分析[2-3]。

在該流程中，為提升實(shí)驗(yàn)質(zhì)量，混合料的壓制環(huán)節(jié)壓力設(shè)置為2.4 kN，澆筑過(guò)程則控制在120 s 內(nèi)完成。待混合料符合要求后，首先基于《硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）中的有關(guān)要求進(jìn)行固化體浸出液測(cè)試，并對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 固化劑對(duì)固化強(qiáng)度的影響

本次選用三乙醇胺與無(wú)機(jī)鹽復(fù)合使用的方式作為固化劑。結(jié)果顯示，使用三乙醇胺與無(wú)機(jī)鹽復(fù)合固化的方式，能夠有效降低有害元素的毒性浸出結(jié)果，As、Hg 和Se的毒性浸出結(jié)果分別為ρ（As）=1.6 mg/L、ρ（Hg）=0.01 mg/L 和ρ（Se）=0.06 mg/L，均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，表明這種復(fù)合固化方式較為有效。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探究三乙醇胺添加量對(duì)材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同三乙醇胺添加量下的抗壓壓力變化情況

由圖2 可知，隨著三乙醇胺添加量的增加，材料抗壓壓力呈現(xiàn)出先升后降的特征，當(dāng)添加量（全文均指所添加物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.03%時(shí)，材料抗壓壓力達(dá)到峰值，約為12.6 kN，該強(qiáng)度值已經(jīng)相對(duì)較高，固化后的污泥可考慮作為建筑材料，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較高。因此，三乙醇胺的添加量設(shè)定為0.03%。

3.2 污泥摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

在本環(huán)節(jié)中，通過(guò)調(diào)整水泥和污泥的比例，對(duì)固化材料的抗壓強(qiáng)度變化情況進(jìn)行分析探究，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同比例下的污泥材料抗壓結(jié)果

由圖3 可知，當(dāng)污泥比例控制在30%時(shí)，固化樣品具有相對(duì)較高的強(qiáng)度。當(dāng)污泥含量在50%以上時(shí)，固化材料的強(qiáng)度開始逐步降低，但毒性也相對(duì)更低?？紤]到后期還需添加一定量的粉煤灰樣品，因此，最終確定水泥和污泥的質(zhì)量比為1∶1，以兼顧各方面的實(shí)際需要。

3.3 氧化鈣摻入量對(duì)強(qiáng)度與毒性的影響

從理論角度分析可知，氧化鈣含量偏低將導(dǎo)致污泥與粉煤灰的活性不足，而氧化鈣過(guò)高又會(huì)導(dǎo)致試樣在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中發(fā)生膨脹甚至破裂，對(duì)于固化體強(qiáng)度的影響較為突出。因此，將氧化鈣摻入量設(shè)置為6 個(gè)不同因素水平進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同氧化鈣添加量下的試樣強(qiáng)度與毒性變化

由圖4 可知，試樣的強(qiáng)度和毒性兩項(xiàng)指標(biāo)均在氧化鈣添加量為1%時(shí)，達(dá)到峰值，而后開始在波動(dòng)中降低，與理論情況基本相當(dāng)。初步推斷，其主要原因是過(guò)多的氧化鈣導(dǎo)致鈣礬石形成過(guò)多，進(jìn)而造成硬化體的強(qiáng)度下降。同時(shí)，隨著堿總量的增加，生產(chǎn)成本也相應(yīng)增加。因此，最終確定氧化鈣的添加量w（CaO）為1%。

在確定以上較優(yōu)實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，基于上述確定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，按照上文的實(shí)驗(yàn)步驟重新進(jìn)行污泥固化，以形成初級(jí)工業(yè)品粉煤灰磚，參考已有經(jīng)驗(yàn)，對(duì)粉煤灰磚進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)措施，其主要條件如下：將壓制完成的樣品放入蒸汽養(yǎng)護(hù)箱中，控制蒸汽養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)部溫度為95 ℃，養(yǎng)護(hù)6 h。

在養(yǎng)護(hù)完成后，對(duì)本次制備完成的試樣進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)，以獲取其在澆注成型后的固化數(shù)據(jù)，最終得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 試樣澆注成型后的固化數(shù)據(jù) 單位：MPa

在應(yīng)用上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，試樣的力學(xué)強(qiáng)度數(shù)據(jù)已經(jīng)相對(duì)較優(yōu)，證明本次實(shí)驗(yàn)方案具有一定的應(yīng)用價(jià)值，預(yù)計(jì)可用于后續(xù)的固化工藝當(dāng)中。

4 結(jié)語(yǔ)

在本次研究工作中，針對(duì)銅冶煉污泥固化工藝的現(xiàn)狀，以廢棄物再利用的角度，對(duì)銅冶煉污泥進(jìn)行摻雜混合、壓制等操作，使銅冶煉污泥可轉(zhuǎn)換為建筑用材料。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的優(yōu)化，使得試樣固化完成后的力學(xué)參數(shù)得到有效改善。根據(jù)相關(guān)力學(xué)數(shù)據(jù)判斷，本次試樣可滿足建筑用相關(guān)材料的基本需求，對(duì)于后續(xù)的固化工藝研究，具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。