铜冶炼污泥固化工艺探究

李彦君

（吕梁市生态环境局柳林分局，山西 吕梁 033300）

0 引言

在铜矿冶炼过程中，不可避免地会产生大量冶炼污泥，这些冶炼污泥中含有大量重金属离子等污染物，如随意堆放，则容易导致重金属离子再溶出，继而造成严重的地下水或土壤污染问题[1]。近年来，基于铜冶炼污泥自身的组分特点，一些研究人员开始尝试对铜冶炼污泥进行处理，但资源利用率不高和成本居高不下等问题仍然存在。因此，仍需要结合实际情况，对铜冶炼污泥固化工艺做进一步的探索。

1 实验材料与设备

本次实验主要材料为铜冶炼污泥，取自某金属冶炼厂，按照随机布设采样点的方式进行采样获得。在获得铜冶炼污泥后，使用X 射线衍射仪对其进行物相分析，结果显示，该铜冶炼污泥主要物相为硫酸钙水合物。同时，也检测到一定量的砷酸钙、砷酸铅、二氧化硅以及未反应完全的氢氧化钙等物质。在此基础上，使用原子荧光光度计对其元素组分进行分析，结果显示，污泥中的污染性元素中，主要以As 的含量为最高，w（As）平均达10.2%。而Zn、Pb 等常见的重金属元素含量则相对较低，w（Zn）、w（Pb）均在1%以下。这表明冶炼厂产生的污泥主要为含高砷的污泥，且污泥中的其他有价元素的含量处于相对较低的水平。

本次实验使用的其他材料包括：

1）粉煤灰：取自某燃煤电厂烟道，其铝硅氧化物含量较高，氧化钙含量较低，主要作用是在降低成本的同时保证固化效果。

2）水泥：采用型号为32.5 的矿渣硅酸盐水泥。

3）其他外加剂，纯度均为分析纯，均采购自国药集团化学试剂有限公司。

本次实验使用的设备，如表1 所示。

表1 实验设备表

2 主要实验流程

参考已有研究文献并结合冶炼污泥污染治理的实际工作需要，设定本次实验的主要流程，如图1 所示。

图1 实验流程图

在本次实验中，所有材料混合后加入外加剂和水等进行预处理，而后将其注入模具并成型。当混合料成型后，再对其进行脱模，并选择合适的养护方式进行养护。待混合料达到养护龄期后，使用水泥恒压压力机，对试样的强度性能进行测试。如通过测试，则对试样进行破碎处理，进行浸出毒性实验，测试重金属离子的各项浸出浓度以及试样的力学性能，对固化效果进行分析[2-3]。

在该流程中，为提升实验质量，混合料的压制环节压力设置为2.4 kN，浇筑过程则控制在120 s 内完成。待混合料符合要求后，首先基于《硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）中的有关要求进行固化体浸出液测试，并对其力学性能进行检测。

3 实验结果与讨论

3.1 固化剂对固化强度的影响

本次选用三乙醇胺与无机盐复合使用的方式作为固化剂。结果显示，使用三乙醇胺与无机盐复合固化的方式，能够有效降低有害元素的毒性浸出结果，As、Hg 和Se的毒性浸出结果分别为ρ（As）=1.6 mg/L、ρ（Hg）=0.01 mg/L 和ρ（Se）=0.06 mg/L，均低于国家标准，表明这种复合固化方式较为有效。在此基础上，进一步探究三乙醇胺添加量对材料力学性能的影响，结果如图2 所示。

图2 不同三乙醇胺添加量下的抗压压力变化情况

由图2 可知，随着三乙醇胺添加量的增加，材料抗压压力呈现出先升后降的特征，当添加量（全文均指所添加物质的质量分数）为0.03%时，材料抗压压力达到峰值，约为12.6 kN，该强度值已经相对较高，固化后的污泥可考虑作为建筑材料，实际应用价值较高。因此，三乙醇胺的添加量设定为0.03%。

3.2 污泥掺量对抗压强度的影响

在本环节中，通过调整水泥和污泥的比例，对固化材料的抗压强度变化情况进行分析探究，得到实验结果如图3 所示。

图3 不同比例下的污泥材料抗压结果

由图3 可知，当污泥比例控制在30%时，固化样品具有相对较高的强度。当污泥含量在50%以上时，固化材料的强度开始逐步降低，但毒性也相对更低。考虑到后期还需添加一定量的粉煤灰样品，因此，最终确定水泥和污泥的质量比为1∶1，以兼顾各方面的实际需要。

3.3 氧化钙掺入量对强度与毒性的影响

从理论角度分析可知，氧化钙含量偏低将导致污泥与粉煤灰的活性不足，而氧化钙过高又会导致试样在养护过程中发生膨胀甚至破裂，对于固化体强度的影响较为突出。因此，将氧化钙掺入量设置为6 个不同因素水平进行实验，实验结果如图4 所示。

图4 不同氧化钙添加量下的试样强度与毒性变化

由图4 可知，试样的强度和毒性两项指标均在氧化钙添加量为1%时，达到峰值，而后开始在波动中降低，与理论情况基本相当。初步推断，其主要原因是过多的氧化钙导致钙矾石形成过多，进而造成硬化体的强度下降。同时，随着碱总量的增加，生产成本也相应增加。因此，最终确定氧化钙的添加量w（CaO）为1%。

在确定以上较优实验参数后，基于上述确定的实验参数，按照上文的实验步骤重新进行污泥固化，以形成初级工业品粉煤灰砖，参考已有经验，对粉煤灰砖进行蒸汽养护措施，其主要条件如下：将压制完成的样品放入蒸汽养护箱中，控制蒸汽养护箱内部温度为95 ℃，养护6 h。

在养护完成后，对本次制备完成的试样进行探索性实验，以获取其在浇注成型后的固化数据，最终得到的实验结果如表2 所示。

表2 试样浇注成型后的固化数据 单位：MPa

在应用上述实验参数进行实验后，试样的力学强度数据已经相对较优，证明本次实验方案具有一定的应用价值，预计可用于后续的固化工艺当中。

4 结语

在本次研究工作中，针对铜冶炼污泥固化工艺的现状，以废弃物再利用的角度，对铜冶炼污泥进行掺杂混合、压制等操作，使铜冶炼污泥可转换为建筑用材料。在实验过程中，通过对相关实验参数进行调整后，实现了对实验质量的优化，使得试样固化完成后的力学参数得到有效改善。根据相关力学数据判断，本次试样可满足建筑用相关材料的基本需求，对于后续的固化工艺研究，具有一定的理论和现实意义。