一種氧化鎂基固化劑及其應用方法與流程

2023-04-24 09:38:41 1

本發明是涉及一種氧化鎂基固化劑及其應用方法，屬於土壤修復領域。

背景技術：

由於人們的各種工業行為，導致全世界大量的場地被有機物或者無機物汙染。在2009年，大約1300個場地被美國超級基金定性為最嚴重的不受控制的或被廢棄的危險廢棄物場地。在中國，土壤總的超標率為16.1％。汙染類型以無機型為主，有機型次之，複合型汙染比重較少。重金屬和一些種類的有機物能長期殘留在土體中，對人體的健康造成了巨大的威脅。在上述背景下，很多汙染土修復技術得到發展和應用。其中，高效、低成本的固化穩定化技術被歐美國家廣泛地應用於汙染場地修復中。但是，該技術在我國的研究、發展和應用還相當滯後。

該技術中使用的傳統固化劑如水泥、生石灰等，在生產過程中會釋放大量的大氣汙染物，不符合當下我國《節能減排「十二五」規化》的相關政策。粉煤灰和鍋爐灰(GGBS)作為工業副產品，因其資源化再利用的價值而受到越來越多的關注，但是水泥和粉煤灰的組合固化劑對有些重金屬的固定效果並不理想，針對我國國情，啟用新型氧化鎂基固化劑並優化其配比達到非常好的固定效果，了解其異於水泥固化汙染土的固化機理，並將該固化劑應用於修復重金屬為主的無機汙染土，是當前我國城市可持續發展和建設面臨的重大問題。

技術實現要素：

技術問題：本發明的目的是提供一種氧化鎂基固化劑，該固化劑由氧化鎂、鍋爐灰和煅燒白雲石組成，其中鍋爐灰被激發、與其他材料相互作用，能夠有效地固化重金屬汙染土，具有高強度、低浸出、成本低廉、環境友好等優勢；

本發明的另一個目的是提供一種氧化鎂基固化劑應用方法，應用於固化重金屬汙染土。

技術方案：

本發明提供了一種氧化鎂基固化劑，該固化劑由氧化鎂、鍋爐灰和煅燒白雲石組成，各組分按質量比為氧化鎂：煅燒白雲石：鍋爐灰＝9:1:90～19:1:180，該固化劑固化28天後的重金屬汙染土體的強度≥1000kPa，其相應的重金屬的浸出達到《生活飲用水衛生標準》-GB5749-2006。

其中：

所述氧化鎂基固化劑由氧化鎂、煅燒白雲石、生石灰和鍋爐灰按照質量比9:1:1:90～19:1:1:180組成。

所述的鍋爐灰為粉狀或者顆粒狀，當鍋爐灰為顆粒狀時，其粒徑為1～3mm。

所述的煅燒白雲石為粉狀,所述的生石灰為粉狀。

所述的氧化鎂為活性氧化鎂。

本發明還提供了一種氧化鎂基固化劑的應用方法，該方法包括以下步驟：

1)初期準備：按質量比稱取氧化鎂、煅燒白雲石和鍋爐灰，混合攪拌均勻得到氧化鎂基固化劑；

2)、攪拌施工：將中空式多螺旋鑽裝置的中空螺旋鑽插入重金屬汙染土體中，以0.7～1.5m/min的下沉攪拌速度順向攪拌，在中空螺旋鑽下沉攪拌過程中，通過中空螺旋鑽的中空管同步將所需的氧化鎂基固化劑和水注入，與重金屬汙染土體混合攪拌；達到指定深度後，維持原速度繼續攪拌1-10min，之後中空螺旋鑽以1.0～1.5m/min的提升攪拌速度逆向攪拌，直至中空螺旋鑽脫離重金屬汙染土體，攪拌結束，得到重金屬汙染土體、氧化鎂基固化劑和水組成的固化樣；

3)、初期養護：攪拌結束後，在固化樣表層覆蓋塑料防滲布，在溫度為0～45℃、相對溼度50～95％的條件下靜置養護。

其中：

步驟2)所述的所需的氧化鎂基固化劑和水的用量與重金屬汙染土體有關，即在攪拌結束時，得到的固化樣中水含量達到13～18wt％、氧化鎂基固化劑的含量達到7.5～15wt％。

步驟2)所述的指定深度即重金屬汙染土體中重金屬汙染的深度。

步驟2)所述的攪拌施工的溫度為0～45℃。

步驟3)所述的靜置養護的時間≥7d。

有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優點：

本發明以工業副產品鍋爐灰為汙染黏土固化劑，可為鍋爐灰的處理提供新的方法，並可解決或減輕鍋爐灰對環境造成的負荷，具有高強度、低浸出、成本低廉、成本低廉、環境友好等優點。

工業副產品的有效利用，既節約了汙染土壤處理的成本，又為鍋爐灰的回收利用提供新的途徑。

本發明提出的氧化鎂基固化汙染黏土的應用方法可為新型固化劑的現場應用提供指導作用。

具體實施方式

現代工業等的發展導致土體受到不同程度的汙染，這些汙染嚴重危害著動物和人體的健康，也威脅著生態的可持續性發展。在這種背景下催生出了固化穩定化技術，用以修復汙染土。然而，該技術使用的傳統固化劑在生產過程會釋放大量的二氧化碳，不符合當下我國《節能減排「十二五」規化》的相關政策。因此，需要尋找能解決減排問題的固化劑。

研究中發現，鍋爐灰這種工業副產品如得不到合理的回收利用將會造成資源的浪費和環境汙染，其本身能被激發、與其他材料相互作用，達到不錯的固定效果。近年來氧化鎂等新型材料也開始被重視和研究。氧化鎂與其他材料的組合即氧化鎂基新型固化劑(如MgO-GGBS)，因其低成本、高處理效益、高環境效益等優勢被認為可以推廣應用於汙染土修復中。前人研究表明，MgO-GGBS材料能夠提高非汙染土的強度、孔隙溶液的pH和礦渣的水化程度，但是，關於其在固化汙染土上的相關研究還較少。

本發明提供的氧化鎂基固化劑中鍋爐灰含量高達90％，實現了鍋爐灰這種工業副產品的資源再利用，提供一種成本低廉、環境友好、且能夠有效地固化重金屬汙染土的方法。

實施例1

1)、初期準備：按質量比19:1:180分別稱取氧化鎂、煅燒白雲石和鍋爐灰，混合攪拌均勻得到氧化鎂基固化劑；

2)、攪拌施工：在45℃條件下，將中空式多螺旋鑽裝置的中空螺旋鑽插入重金屬汙染土體(鉛2500mg/kg，鎘5.0mg/kg和鋅2500mg/kg)中，以0.7m/min的下沉攪拌速度順向攪拌，在中空螺旋鑽下沉攪拌過程中，通過中空螺旋鑽的中空管同步將所需的氧化鎂基固化劑和水注入，與重金屬汙染土體混合攪拌；達到指定深度後，維持原速度繼續攪拌1min，之後中空螺旋鑽以1.0m/min的提升攪拌速度逆向攪拌，直至中空螺旋鑽脫離重金屬汙染土體，攪拌結束，此時重金屬汙染土體、氧化鎂基固化劑和水固化樣中水含量為18wt％、氧化鎂基固化劑的含量為15wt％。

4)、初期養護：攪拌結束後，在固化樣表層覆蓋塑料防滲布，在溫度為45℃、相對溼度95％的條件下靜置養護28d。

5)、對養護後的固化重金屬汙染土進行無側限抗壓強度試驗和浸出試驗，得到的結果如下：強度為1000～2500kPa，重金屬的浸出結果為：鎘≤0.005mg/L，鉛≤0.01mg/L，鋅≤1mg/L，達到飲用水標準，達到《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)的。

實施例2

1)、初期準備：按質量比12:1:120分別稱取氧化鎂、煅燒白雲石和鍋爐灰，混合攪拌均勻得到氧化鎂基固化劑；

2)、攪拌施工：在10℃條件下，將中空式多螺旋鑽裝置的中空螺旋鑽插入重金屬汙染土體(鉛2500mg/kg，鎘5.0mg/kg和鋅2500mg/kg)中，以0.8m/min的下沉攪拌速度順向攪拌，在中空螺旋鑽下沉攪拌過程中，通過中空螺旋鑽的中空管同步將所需的氧化鎂基固化劑和水注入，與重金屬汙染土體混合攪拌；達到指定深度後，維持原速度繼續攪拌3min，之後中空螺旋鑽以1.1m/min的提升攪拌速度逆向攪拌，直至中空螺旋鑽脫離重金屬汙染土體，攪拌結束，此時重金屬汙染土體、氧化鎂基固化劑和水固化樣中水含量為15wt％、氧化鎂基固化劑的含量為9wt％；

3)、初期養護：攪拌結束後，在固化樣表層覆蓋塑料防滲布，在溫度為10℃、相對溼度85％的條件下靜置養護14d。

4)、對養護後的固化重金屬汙染土進行無側限抗壓強度試驗和浸出試驗，得到的結果如下：強度為1000～2500kPa，重金屬的浸出結果為：鎘≤0.005mg/L，鉛≤0.01mg/L，鋅≤1mg/L，達到飲用水標準，達到《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)的。

實施例3

1)、初期準備：按質量比14:1:140分別稱取氧化鎂、煅燒白雲石和鍋爐灰，混合攪拌均勻得到氧化鎂基固化劑；

2)、攪拌施工：在20℃條件下，將中空式多螺旋鑽裝置的中空螺旋鑽插入重金屬汙染土體(鉛2500mg/kg，鎘5.0mg/kg和鋅2500mg/kg)中，以0.9m/min的下沉攪拌速度順向攪拌，在中空螺旋鑽下沉攪拌過程中，通過中空螺旋鑽的中空管同步將所需的氧化鎂基固化劑和水注入，與重金屬汙染土體混合攪拌；達到指定深度後，維持原速度繼續攪拌5min，之後中空螺旋鑽以1.2m/min的提升攪拌速度逆向攪拌，直至中空螺旋鑽脫離重金屬汙染土體，攪拌結束，此時重金屬汙染土體、氧化鎂基固化劑和水固化樣中水含量為13wt％、氧化鎂基固化劑的含量為11wt％；

3)、初期養護：攪拌結束後，在固化樣表層覆蓋塑料防滲布，在溫度為20℃、相對溼度75％的條件下靜置養護21d。

4)、對養護後的固化重金屬汙染土進行無側限抗壓強度試驗和浸出試驗，得到的結果如下：強度為1000～2500kPa，重金屬的浸出結果為：鎘≤0.005mg/L，鉛≤0.01mg/L，鋅≤1mg/L，達到飲用水標準，達到《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)的。

實施例4

1)、初期準備：按質量比17:1:170分別稱取氧化鎂、煅燒白雲石和鍋爐灰，混合攪拌均勻得到氧化鎂基固化劑；

2)、攪拌施工：在30℃條件下，將中空式多螺旋鑽裝置的中空螺旋鑽插入重金屬汙染土體(鉛2500mg/kg，鎘5.0mg/kg和鋅2500mg/kg)中，以1.1m/min的下沉攪拌速度順向攪拌，在中空螺旋鑽下沉攪拌過程中，通過中空螺旋鑽的中空管同步將所需的氧化鎂基固化劑和水注入，與重金屬汙染土體混合攪拌；達到指定深度後，維持原速度繼續攪拌7min，之後中空螺旋鑽以1.3m/min的提升攪拌速度逆向攪拌，直至中空螺旋鑽脫離重金屬汙染土體，攪拌結束，此時重金屬汙染土體、氧化鎂基固化劑和水固化樣中水含量為17wt％、氧化鎂基固化劑的含量為13wt％；

3)、初期養護：攪拌結束後，在固化樣表層覆蓋塑料防滲布，在溫度為30℃、相對溼度75％的條件下靜置養護28d。

4)、對養護後的固化重金屬汙染土進行無側限抗壓強度試驗和浸出試驗，得到的結果如下：強度為1000～2500kPa，重金屬的浸出結果為：鎘≤0.005mg/L，鉛≤0.01mg/L，鋅≤1mg/L，達到飲用水標準，達到《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)的。

實施例5

1)、初期準備：按質量比9:1:90分別稱取氧化鎂、煅燒白雲石和鍋爐灰，混合攪拌均勻得到氧化鎂基固化劑；

2)、攪拌施工：在0℃條件下，將中空式多螺旋鑽裝置的中空螺旋鑽插入重金屬汙染土體(鉛2500mg/kg，鎘5.0mg/kg和鋅2500mg/kg)中，以1.3m/min的下沉攪拌速度順向攪拌，在中空螺旋鑽下沉攪拌過程中，通過中空螺旋鑽的中空管同步將所需的氧化鎂基固化劑和水注入，與重金屬汙染土體混合攪拌；達到指定深度後，維持原速度繼續攪拌9min，之後中空螺旋鑽以1.4m/min的提升攪拌速度逆向攪拌，直至中空螺旋鑽脫離重金屬汙染土體，攪拌結束，此時重金屬汙染土體、氧化鎂基固化劑和水固化樣中水含量為17wt％、氧化鎂基固化劑的含量為7.5wt％；

3)、初期養護：攪拌結束後，在固化樣表層覆蓋塑料防滲布，在溫度為0℃、相對溼度65％的條件下靜置養護35d。

4)、對養護後的固化重金屬汙染土進行無側限抗壓強度試驗和浸出試驗，得到的結果如下：強度為1000～2500kPa，重金屬的浸出結果為：鎘≤0.005mg/L，鉛≤0.01mg/L，鋅≤1mg/L，達到飲用水標準，達到《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)的。

實施例6

1)、初期準備：按質量比18:1:170分別稱取氧化鎂、煅燒白雲石和鍋爐灰，混合攪拌均勻得到氧化鎂基固化劑；

2)、攪拌施工：在40℃條件下，將中空式多螺旋鑽裝置的中空螺旋鑽插入重金屬汙染土體(鉛2500mg/kg，鎘5.0mg/kg和鋅2500mg/kg)中，以1.5m/min的下沉攪拌速度順向攪拌，在中空螺旋鑽下沉攪拌過程中，通過中空螺旋鑽的中空管同步將所需的氧化鎂基固化劑和水注入，與重金屬汙染土體混合攪拌；達到指定深度後，維持原速度繼續攪拌10min，之後中空螺旋鑽以1.5m/min的提升攪拌速度逆向攪拌，直至中空螺旋鑽脫離重金屬汙染土體，攪拌結束，此時重金屬汙染土體、氧化鎂基固化劑和水固化樣中水含量為16wt％、氧化鎂基固化劑的含量為8wt％；

3)、初期養護：攪拌結束後，在固化樣表層覆蓋塑料防滲布，在溫度為40℃、相對溼度50％的條件下靜置養護35d。

4)、對養護後的固化重金屬汙染土進行無側限抗壓強度試驗和浸出試驗，得到的結果如下：強度為1000～2500kPa，重金屬的浸出結果為：鎘≤0.005mg/L，鉛≤0.01mg/L，鋅≤1mg/L，達到飲用水標準，達到《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)的。

實施例7

1)、初期準備：按質量比19:1:1:180分別稱取氧化鎂、煅燒白雲石、生石灰和鍋爐灰，混合攪拌均勻得到氧化鎂基固化劑；

2)、攪拌施工：在45℃條件下，將中空式多螺旋鑽裝置的中空螺旋鑽插入重金屬汙染土體(鉛2500mg/kg，鎘5.0mg/kg和鋅2500mg/kg)中，以0.7m/min的下沉攪拌速度順向攪拌，在中空螺旋鑽下沉攪拌過程中，通過中空螺旋鑽的中空管同步將所需的氧化鎂基固化劑和水注入，與重金屬汙染土體混合攪拌；達到指定深度後，維持原速度繼續攪拌1min，之後中空螺旋鑽以1.0m/min的提升攪拌速度逆向攪拌，直至中空螺旋鑽脫離重金屬汙染土體，攪拌結束，此時重金屬汙染土體、氧化鎂基固化劑和水固化樣中水含量為18wt％、氧化鎂基固化劑的含量為15wt％。

4)、初期養護：攪拌結束後，在固化樣表層覆蓋塑料防滲布，在溫度為45℃、相對溼度95％的條件下靜置養護28d。

5)、對養護後的固化重金屬汙染土進行無側限抗壓強度試驗和浸出試驗，得到的結果如下：強度為1000～2500kPa，重金屬的浸出結果為：鎘≤0.005mg/L，鉛≤0.01mg/L，鋅≤1mg/L，達到飲用水標準，達到《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)的。

實施例8

1)、初期準備：按質量比9:1:1:90分別稱取氧化鎂、煅燒白雲石、生灰石和鍋爐灰，混合攪拌均勻得到氧化鎂基固化劑；

2)、攪拌施工：在0℃條件下，將中空式多螺旋鑽裝置的中空螺旋鑽插入重金屬汙染土體(鉛2500mg/kg，鎘5.0mg/kg和鋅2500mg/kg)中，以1.3m/min的下沉攪拌速度順向攪拌，在中空螺旋鑽下沉攪拌過程中，通過中空螺旋鑽的中空管同步將所需的氧化鎂基固化劑和水注入，與重金屬汙染土體混合攪拌；達到指定深度後，維持原速度繼續攪拌9min，之後中空螺旋鑽以1.4m/min的提升攪拌速度逆向攪拌，直至中空螺旋鑽脫離重金屬汙染土體，攪拌結束，此時重金屬汙染土體、氧化鎂基固化劑和水固化樣中水含量為17wt％、氧化鎂基固化劑的含量為7.5wt％；

3)、初期養護：攪拌結束後，在固化樣表層覆蓋塑料防滲布，在溫度為0℃、相對溼度65％的條件下靜置養護35d。

4)、對養護後的固化重金屬汙染土進行無側限抗壓強度試驗和浸出試驗，得到的結果如下：強度為1000～2500kPa，重金屬的浸出結果為：鎘≤0.005mg/L，鉛≤0.01mg/L，鋅≤1mg/L，達到飲用水標準，達到《生活飲用水衛生標準》(GB5749-2006)的。