钢渣及其沥青混凝土中重金属污染风险评估

宋贵才,胡 锐,谢 君,牛昌昌,候 伟,刘华琦

(1.内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司,呼和浩特010050；2.武汉理工大学,武汉430070)

随着中国公路建设的发展,天然原料已经被大量的消耗,面临着枯竭。根据国家十三五节能减排、废物利用规划,大量的固体废弃物被作为原料应用到了建筑行业中。钢渣是炼钢过程中的副产品,已经被广泛用于道路建设[1]。钢渣碱性高,力学性能优异和棱角丰富等特点使其可以替代混凝土中的集料[1,2]；钢渣中存在的活性物质(如C2S、C3S),可以生产钢渣水泥[3,4]；此外还有钢渣砂可替代天然河砂,制备建筑材料[5]。

但钢渣中存在大量的重金属元素(如Cu、Zn、Pb等),存在着潜在环境安全问题。钢渣需要经历陈化堆积,以降低钢渣中的游离氧化钙(f-CaO)。在自然风化作用和雨水浸泡作用下,钢渣中的重金属可能释放到环境中,污染土壤和水资源,最终可能释放到环境中威胁人类生存安全和生态平衡[6,7]。此外使用钢渣作为原料所形成的沥青路面,由于交通荷载,动水损害等作用,路面中的重金属可能也会释放到环境中。

该文对不同粒径钢渣原料中重金属的浸出能力进行了评价,以评估它在堆放时的污染风险。此外,还对钢渣沥青混凝土进行了浸提,来评估其在道路应用时的污染风险。

1 实 验

1.1 原材料

钢渣:内蒙古包钢有限责任公司提供的转炉钢渣(简称内蒙钢渣)。沥青:湖北鄂州70号基质沥青。

1.2 方法

1.2.1 钢渣沥青混凝土的制备

实验利用钢渣全组分替代天然集料制备钢渣沥青混合料。设计合理级配,确定最佳油石比为6.0%。在沥青与钢渣充分拌合后,取粒径在9.5以下的松散的沥青混合料,将其分散开来,降低至室温,进行浸出实验。

1.2.2 全量试验

将样品烘干后研磨并称取0.2 g,0.075 mm 筛下样品置于聚四氟乙烯消解罐中；滴加2～3滴去离子水润湿,再依次加入6 m L硝酸、6 m L氢氟酸和2 m L 盐酸；在电热板上加热1～1.5 h左右；至罐内溶液蒸发至近干,冷却至室温；加入1%的硝酸定容至50 m L,装入4 m L试样管后在5 ℃下保存待测；采用原子吸收光谱中的石墨炉单元素测试方法定量测量样品中的重金属浓度。

1.2.3 浸出实验

浸提液的制备:将5.7 m L醋酸加入去离子水中,定容至1 L,保持溶液p H 值在2.88±0.05范围；将待测样品烘干至恒重,称取50 g样品置于提取瓶中,加入1 L 的浸提剂,盖紧瓶盖后固定在翻转式振荡装置上,调节转速为(30±2)r/min,于(23±2)℃下震荡(18±2)h；震荡结束后将瓶内溶液过滤后装入4 m L试样管中,采用原子吸收光谱中的石墨炉单元素定量测试法进行测试。

2 结果与分析

2.1 全量实验

表1显示了内蒙钢渣和渣堆处土壤中各重金属的总量。内蒙钢渣中含有较丰富的重金属种类,其含量也较多。Pb和Cr6+的含量最多,其次是Zn,Cd和Cu,最后是As和Ni。由于长期堆存钢渣,钢渣厂区内的土壤中各种金属的总量都超过了环境标准,造成了严重的污染。其中Cd的污染最为严重,超过了土壤二级环境标准48倍,As、Cu、Pb、Cr6+、Zn和Ni是二级土壤环境标准的1～3倍。说明钢渣在堆放陈化时,在经过表面风化和雨水淋滤下钢渣中的重金属会释放到环境中。

表1 原料的重金属总量 /(mg·kg-1)

2.2 浸出实验结果

2.2.1 不同钢渣粒径的重金属浸出量

图1表示不同钢渣粒径中重金属释放的浸出结果。钢渣中重金属的浸出量与粒径呈现明显的负相关关系,即随着钢渣粒径的增加,钢渣中浸出的重金属离子浓度减少。这可能是因为随着钢渣粒径的增加,钢渣与浸提液的接触面积减少,导致钢渣中重金属释放量降低。此外,钢渣浸出液中的重金属都满足Ⅴ类水环境标准。这说明钢渣中虽然含有大量的重金属,但其浸出能力很低。这也说明钢渣中重金属的释放是一个长期的过程,会持续对环境产生影响。在浸出的元素中,Cu的浸出量是最大的,其次是As、Pb和Zn,最后是Cd、Cr6+和Ni。这可能与元素在钢渣中的总含量和浸出能力有关。

2.2.2 钢渣沥青混合料的重金属浸出量

表2显示不同钢渣试样的浸出实验结果。数据表明了沥青混凝土中的各重金属浸出量较于钢渣都有减少。表1 中说明了沥青中基本不含重金属元素,浸提液中的重金属均来源于钢渣。表2的结果说明沥青胶粘剂包裹在钢渣集料的表面对钢渣有一定的固封作用,降低了钢渣与提取液接触的机会,使得浸出的重金属的含量降低了。此外沥青对钢渣中各重金属的固封能力也不同。Cd和Ni浸出量降低最多,分别是75%和63%；其次是As(58%),Cr6+(50%)和Zn(59%)；最后是Cu(24%)和Pb(35%)。同时也说明了将钢渣作为集料应用到路面建设中是可以降低钢渣的重金属污染风险的,也避免了因钢渣堆积而带来的更多的经济和资源浪费问题。

表2 不同钢渣试件的重金属浸出量 /(mg·L-1)

3 结 论

内蒙钢渣含有大量不同种类的重金属离子。在渣厂堆积陈化时受到风化和雨水浸蚀作用,钢渣中的重金属会释放到环境中对周围的土壤和水资源造成影响。利用浸出实验对钢渣的浸出能力进行了检测,结果表明钢渣中的重金属的浸出能力都十分有限,且随着粒径的增大而减小。将钢渣作为原料应用到沥青路面建设中,可以有效的缓解对天然集料的依赖,同时沥青包裹在钢渣表面会对重金属有一定的固封作用,能够有效的减少钢渣中重金属的释放,降低对环境的污染。