固体废弃物在页岩烧结砖中的应用研究

2021-07-23邓加曦李文乐

绿色环保建材 2021年7期

邓加曦李文乐

惠州瑞涛环保科技有限公司

1 引言

花生壳、棉秆、秸秆、稻草等农业废料的生产中，将部分固体废料用作墙体材料，生产出大量的轻质材料；在制砖、制水泥中，可使用炉渣煤矸石和粉煤灰等，大力发展新技术，高水平的产品开发，大力开发绿色墙体材料，降低能耗，降低用地成本，与环境协调发展，充分利用固体废物，解决废物处理问题，节约资源，以低成本获得丰富多样的墙体材料，具有较高的经济效益。

2 固体废弃物的简介

固体废弃物的来源包括石料资源燃烧后产生的固废，灰烬和固体废物，以及生产过程中产生的固废。废水通过降水和渗漏进入污染水体，污染了水源。比如流入湖泊、河流和海洋的水污染更为严重。土壤真菌是微生物与环境共同作用下，细菌与其他生物聚集的主要场所。氮肥和碳肥在自然条件下循环，但是固体废物中释放出的重金属元素会进入土壤，也就是说，它们可以杀死微生物而不会破坏土壤。户外的垃圾会污染空气，风吹时，它会飘到别的地方，一旦被吸入，就会生病。

2.1 钛矿渣

钛合金渣系无机材料，具有强度高、化学稳定性好等特点，在炼铁工艺中采用水冷或自然冷却工艺生产，攀枝花钢铁有限责任公司生产的钛合金渣产率高，利用率低，年渣量可达300万吨。钛矿渣无处存放，攀枝花市砂石消耗量大，开发活动对自然和水土流失的影响很大。为节省资源、降低成本、保护环境，应充分利用钛渣，防止其对社会经济发展造成影响。

2.2 固硫灰

固硫煤灰是含硫煤粉高温燃烧后所产生的固体废物，具有较好的化学反应活性，比空气灰高，可用于环保和建材领域，陈雪梅在国内用固硫灰配制硫铝酸盐钙熟料，掺加30%固硫灰，3天强度为34MPa，28天强度为80MPa。

2.3 铬渣

铬废渣是指在铁铬合金生产过程中产生的固态铬废渣，其主要成分是CrO3，还有少量的酸溶铬酸钙，以及铝（Al）、镁（Mg）、铁（Fe）、钙（Ca）等水溶性铬酸钠。这是一种危险的固体废物，其危害主要来自六价铬，其毒性比三价铬大，而且大多数铬渣是露天堆放，未经处理会造成可溶性铬渣的流失，对雨、水、河、土等造成污染。六价铬作为一种有害离子，在土壤中大量存在，可促进耕地和植物的生长，对环境造成危害。六价铬的可溶性有利于植物吸收，可先在根中，后在茎中，影响其生长和产量。

3 固体废弃物的热学性质

采用SDT-q600同步热分析仪定量粉碎了钛渣、铬渣和固硫灰，并研磨成粉末，利用电热恒温负载式干燥床，恒温烘干至恒重，同时对固硫灰、钛渣和铬渣进行了热学性能分析。

3.1 钛矿渣的热分析

图1是钛矿渣的热分析曲线。由钛矿渣的热重曲线可以看出，钛矿渣在空气中的反应明显受高温影响。在0℃～669.16℃和DSC 曲线上分别为399.86℃和2.286%，表明吸附水在此温度范围内蒸发，结晶水损失较大。研究发现，在669.16℃～985.02℃之间，TG曲线上升1.641%，DSC曲线在797.53℃附近出现一个小的吸热峰，这可能是由于某些成分与空气中的氧发生了吸热反应。

图1 钛矿渣的热分析曲线

3.2 固硫灰的热分析

图2为固硫灰的热分析曲线。固硫灰热重曲线的TG曲线和DSC曲线有明显变化。DSC曲线在620.40℃时有明显的放热峰。在这一温度附近，矿物会发生强烈的反应，即分解硫酸钙，产生氧化钙，二氧化硫和氧气，或使非晶物质变成晶体。曲面可分为两步。筛分的质量损失为1.266%，水分损失为4.998%。矿物反应产生二氧化硫、三氧化硫、氧气、氢气等气体。

图2 固硫灰的热分析曲线

3.3 铬渣的热分析

图3为铬渣的热分析曲线。TG和DSC存在明显的吸热峰和质量损失。这一温度范围内存在两个吸热峰，分别为201.09℃和394.49℃，其中包括蒸发后的吸附水、不失水和设备水。在463.31℃～490.27℃之间，TG 曲线有 11.29% 的质量损失，在484.49℃时有较小的吸热峰；铬氧化物与空气的氧化还原反应或矿物组分的化学反应，生成三氧化铬和氧气。从TG曲线可以看出，在500.46℃以后，生成的铬氧化物与氧相比比较稳定，质量基本不变。DSC 曲线上没有放热峰和吸热峰，说明在此温度之前材料发生了剧烈的化学反应，500.46℃条件下，材料中会产生不稳定相碱。

图3 铬渣的热分析曲线

4 页岩烧结制品重金属浸出毒性研究

添加固体废物，可为烧结砖的生产提供大量资源，还可固定有害物质，回收利用，但在使用过程中易产生沉淀。从雨水中释放出来的重金属向地下水、湖泊、河流等注入，会对人类健康和环境造成影响。在评价烧制砖瓦对环境的影响时，有些重金属可以在生物体内富集生长，通过高温烧结可以使有机物完全分解，因此必须考虑重金属的释放。因此，对重金属的洗涤性能进行研究很重要，对烧砖中重金属的浸出毒性进行研究很有必要。

4.1 钛矿渣一页岩砖的重金属浸出毒性

钛渣是钒钛磁铁在高炉内熔化，在空气中或冷却水箱中自然冷却后产生的废料。钛渣中的主要化学成分是氧化物，如SiO2，AlO3，FeO3，Cao，MgO，TiO，其中TiO2结构稳定，固体状态稳定，钛渣中主要含有过氧化物和二氧化钛透辉石。

钛页岩中重金属元素（Ba，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn，As，CD，CO）的实际含量应符合《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007）的要求。在含15%钛渣的烧结品中，仅含铜和镍，即0.001mg∕kg。当钛渣含量为5%～20%时，烧结砖中CD、CO 含量变化不大；从研究过程中可以看出，钛渣中的重金属含量很低，对环境无任何危害。

4.2 固硫灰一页岩砖的重金属浸出毒性

炭化是流化床燃烧过程中硫的转化过程。采用提升管（以碳酸钙为主）进行煤壳氧化燃烧，释放二氧化硫气体。多数情况下主要使用CaSO4转换。这一过程也大大减少了向大气中排放的气体，并产生了以煤为动力的固硫灰固体废物。

用5%、7%、10%、15%、20%三种固硫灰处理的小样中，Ba、Cr、As 浓度均低于1mg-L’；用Cu、Ni、Pb、Zn 三种固硫灰处理的小样中，未检测出CD 和CO，说明固硫灰内重金属元素含量较低，高温化学变化对重金属的固定效果较好。

4.3 铬渣一页岩砖的重金属浸出毒性

烧成后熟料浸入水中，铬渣颗粒形状因粒径不同而有不同程度的变化，固体经水快速凝固，固体呈碱性，结晶良好，有多种玻璃相。铬系合金主要为氧化铬和镁质合金。含有六价铬，毒性大于钛渣和固硫灰。可使六价铬、三价铁还原CO，同时砖表面覆有Cr、O3薄膜，与MgO、AlO3反应生成稳定的骨质，Na、O 形成稳定的硅酸盐，形成玻璃或晶体，表明铬渣砖烧结后有良好的解毒作用，在自然条件下长期稳定，不影响环境和人体健康。

铬金属板框中重金属元素（Ba，Cr，Cu，Ni，Pb，Zn，Like，CD，CO）的测定浓度应符合《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》（GB 5085.3—2007）的要求，其中 Cr 为 21.176mg∕L，25.560mg∕L 和31.480mg∕L，但Cr 在国标中的浓度不超过15mg∕L，超过临界值。因此，用10%，15%，20%的铬制备烧结矿是不合适的。在这些物质中，5%的铬渣添加到了板岩中，即产品清洁剂中的Ba，Cr，As，分别是0007mg∕L，6200mg∕L，0005mg∕L;7%的铬渣添加到了产品清洁剂中，Ba，Cr，As，0008mg∕L，6371mg∕L。与国标临界值相比，铬渣中5%和7%的重金属释放量明显低于国标要求，浸出液中基本不含铜、镍、铅、锌、镉、钴。两种添加剂生产的页岩砖比较环保，符合国家标准。