第六章-固體廢物固化-同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院考研資料——水污染控制工程-固體廢物處理與處置-教學(xué)

,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,第六章 固體廢物固化,本章要點(diǎn)：,固化效果的評(píng)價(jià),各種固化的特點(diǎn),水泥固化,6-1,固化基本理論,固化（Solidification）,定義：利用,添加劑,改變廢物的工程特性（滲透性、可壓縮性和強(qiáng)度），生成,凝聚體,，以減小廢物的毒性和可遷移性，使其穩(wěn)定化的一種過(guò)程。,固化劑,：固化過(guò)程所用的添加劑,固化體,：經(jīng)固化處理后形成的凝聚體,固化方法的應(yīng)用,固化技術(shù)首先是從處理放射性廢物發(fā)展起來(lái)的。今天，固化技術(shù)已應(yīng)用于處理多種有毒有害的危險(xiǎn)廢物（hazardous wastes），如電鍍污泥、砷渣、鉻渣和重金屬飛灰等。,通常被應(yīng)用于以下方面：,對(duì)放射性廢物處理使其無(wú)害化；,對(duì)具有毒性或強(qiáng)反應(yīng)性等危險(xiǎn)廢物進(jìn)行處理，使其滿足填埋等處置的要求；,對(duì)被大量有害污染物所污染土壤進(jìn)行固化降低其可遷移性，或?qū)涃|(zhì)土壤進(jìn)行處理以提高其抗壓強(qiáng)度。,固化機(jī)理,固化具體的處理機(jī)理十分復(fù)雜，按其作用途徑可概分為：,（1）通過(guò)物理混合過(guò)程把污染物直接摻入到惰性基材中去；,（2）將污染物通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)變，引入到某種穩(wěn)定固體物質(zhì)的晶格中去。,有的兼有上述兩種過(guò)程。,固化處理的基本要求,得到的產(chǎn)品應(yīng)該是一種密實(shí)的、強(qiáng)度高和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的固體；,處理過(guò)程必須簡(jiǎn)單，能有效減少有毒有害物質(zhì)的逸出，二次污染?。?固化體的體積盡可能?。?固化劑價(jià)廉易得；,能耗小，處理費(fèi)用低,固化效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)(1),浸出率,浸出率,是指固化體浸于水中或其它溶液中時(shí)，其中有害物質(zhì)的浸出速度。因?yàn)楣袒w中的有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境和水源的污染，主要是由于有害物質(zhì)溶于水所造成的。所以，浸出率是評(píng)價(jià)無(wú)害化程度的指標(biāo)。,固化效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)(2),增容比,增容比,是指所形成的固化體體積與被固化有害廢物體積的比值。由于固化過(guò)程需添加固體劑，固化后體積增加。所以，增容比是評(píng)價(jià)減量化程度的指標(biāo)。,固化效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)(3),抗壓,強(qiáng)度,抗壓強(qiáng)度,是指固化體在靜壓作用下破碎時(shí)的負(fù)荷值。,由于廢物經(jīng)過(guò)固化后，通常都要將得到的固化體進(jìn)行填埋處置或用作填料。為避免出現(xiàn)因破碎和散裂從而增加暴露的表面積和污染環(huán)境的可能性，就要求固化體具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。,對(duì)于最終進(jìn)行填埋處置或裝桶貯存的固化體，抗壓強(qiáng)度要求較低，一般控制在,1-5MPa,；,對(duì)于準(zhǔn)備作建筑基料使用的固化體，抗壓強(qiáng)度要求在,10MPa,以上，浸出率也要盡可能低。,抗壓強(qiáng)度是評(píng)價(jià)無(wú)害化和可資源化程度的指標(biāo)。,水泥固化(Cement Solidification),水泥是建筑用膠凝材料，按化學(xué)組成可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥三大類。硅酸鹽水泥是普遍常用的水泥，又稱波特蘭水泥，鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥是特種用途的水泥。,普通硅酸鹽水泥中硅酸三鈣和硅酸二鈣占水泥熟料礦物含量的76%左右，因此固化體的性質(zhì)很大程度上取決于硅酸鈣的水化及其生成物的性質(zhì)。,膠結(jié)特性：硅酸鈣的水硬性（硅酸鈣水化物的膠凝性）,硅酸鈣的水化反應(yīng),(1)硅酸三鈣的水化,2(3CaOSiO,2,)+6H,2,O,3CaO2SiO,2,3H,2,O+3Ca(OH),2,(2)硅酸二鈣的水化,2(2CaOSiO,2,)+4H,2,O,3CaO2SiO,2,3H,2,O+Ca(OH),2,水化反應(yīng)后所得到的水合硅酸鈣具有膠凝特性。,初凝與終凝,所有水泥礦物成分的水化反應(yīng)均生成水化凝膠和堿性物質(zhì)Ca(OH),2,，并將自由水分子變?yōu)榻Y(jié)晶水。隨著水化反應(yīng)的繼續(xù)，水泥漿中的Ca(OH),2,溶液濃度越來(lái)越大，而自由水分子越來(lái)越少。,當(dāng)自由水分子少到一定程度，包有凝膠體的顆粒逐漸接近并黏結(jié)在一起，泥漿開(kāi)始失去塑性，達(dá)到,初凝,。從加水到開(kāi)始失去塑性所需的時(shí)間稱為初凝時(shí)間。,當(dāng)泥漿完全失去可塑性并開(kāi)始產(chǎn)生強(qiáng)度，達(dá)到,終凝,。從加水到完全失去可塑性所需的時(shí)間稱為終凝時(shí)間。,已經(jīng)終凝的水泥才初步具有強(qiáng)度。為了保證在施工中有足夠的處理時(shí)間，并滿足施工中操作的要求，通常要求水泥的初凝時(shí)間不宜過(guò)早而終凝時(shí)間不宜過(guò)遲。,安定性與水化熱,體積安定性簡(jiǎn)稱,安定性,，是指水泥在硬化過(guò)程中體積變化的均勻性。事實(shí)上，水泥遇水后，在凝結(jié)硬化的過(guò)程中，體積必然要發(fā)生變化，但變化不能太大并應(yīng)保持均勻。水泥中如果含較多的游離氧化鈣、游離氧化鎂或三氧化硫，就能使水泥結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻的體積膨脹，導(dǎo)致膨脹性裂縫，降低質(zhì)量，甚至崩潰。,水泥與水的作用為放熱反應(yīng)，隨著硬化過(guò)程的進(jìn)行，不斷放出熱量，這種熱量稱為,水化熱,。水泥的水化熱對(duì)施工應(yīng)用有很大的影響。對(duì)于小斷面小體積的混凝土構(gòu)件的低溫施工，水化熱可加快其硬化速度。但對(duì)于水壩、大型基礎(chǔ)等大體積混凝土工程、則由于水化熱積聚在內(nèi)部、不易散發(fā)，內(nèi)部溫度上升過(guò)高、致使混凝土產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而開(kāi)裂或破壞。,水泥固化工藝流程,工藝條件控制（1）,水灰比,為滿足水化反應(yīng)條件，一般為1:2。水分少無(wú)法保證水泥的充分水合作用；水分過(guò)大會(huì)出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，影響固化體的強(qiáng)度。,水泥/廢物配比,廢物中可能含有妨礙水泥水化反應(yīng)的化學(xué)物質(zhì)，范圍波動(dòng)大（0.5-10），應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。,PH值,PH值8，以保證重金屬處于化學(xué)穩(wěn)定態(tài)。但PH過(guò)高時(shí)會(huì)形成帶負(fù)電荷的羥基絡(luò)合物，也會(huì)導(dǎo)致重金屬溶出。,工藝條件控制（2）,添加劑,水泥固化過(guò)程中，由于廢物組成的特殊性，常會(huì)遇到混合不均勻、過(guò)早或過(guò)遲凝固、固化體浸出率高和強(qiáng)度較低等問(wèn)題。為改善固化條件，提高固化體的性能，固化過(guò)程中需視廢物的性質(zhì)和對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求摻入適量的添加劑。,常用的有吸附劑（活性氧化鋁、粘土）、緩凝劑（檸檬酸、硼酸鹽）、促凝劑（水玻璃、碳酸鈉）和減水劑（表面活性劑）等。,養(yǎng)護(hù),室溫下需養(yǎng)護(hù)28天以達(dá)到較高的抗壓強(qiáng)度。若用高溫蒸汽，可大大加快養(yǎng)護(hù)歷程。,水泥固化的特點(diǎn)和適用范圍,水泥固化是一種比較成熟的危險(xiǎn)廢物處理方法，具有以下特點(diǎn)：,工藝簡(jiǎn)單成熟，固化劑價(jià)廉易得，設(shè)備及運(yùn)行費(fèi)用亦較低,固化體抗壓強(qiáng)度高,固化后增容比較高，為1.5-2,水泥的孔隙率較高，導(dǎo)致浸出率偏大，為1,10,-4,g/cm,2,d，比瀝青固化大兩個(gè)數(shù)量級(jí),有機(jī)物對(duì)水化過(guò)程有抑制，會(huì)推遲固化時(shí)間，甚至影響最終的硬結(jié)效果,廣泛用于處理含,重金屬,的危險(xiǎn)廢物。,石灰固化的特點(diǎn)和適用范圍,石灰固化具有以下特點(diǎn)：,由于粉煤灰、水泥窯灰等本身就是廢料，以廢制廢，處理成本更低,波索來(lái)反應(yīng)不同于水泥的水合作用，固化體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不如水泥,除有水泥固化的缺點(diǎn)外，易受酸性水溶液的侵蝕，需對(duì)固化體表面進(jìn)行涂覆,主要用于處理油類污泥和重金屬污泥等。,塑料固化(Plastic Solidification),塑料主要成份是樹(shù)脂及相應(yīng)的添加劑。,樹(shù)脂：主要作用是將塑料的其它成份加以粘合，并決定塑料的類型(熱塑性或熱固性)和主要性能，樹(shù)脂在塑料中的比例一般為4065%。,填料：提高塑料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和擴(kuò)大使用范圍。,增塑劑：有些樹(shù)脂的可塑性很小，為了降低樹(shù)脂的熔融粘度和溫度，通常加入能與樹(shù)脂相容的不易揮發(fā)的高沸點(diǎn)的有機(jī)化合物。,著色劑：主要是起美觀和裝飾作用。,穩(wěn)定劑：能減緩塑料變質(zhì)的物質(zhì)，分光穩(wěn)定劑熱穩(wěn)定劑抗氧劑。,膠結(jié)特性：熱塑性或熱固性,熱塑性,熱塑性,是指在加熱和冷卻時(shí)能反復(fù)軟化和硬化的特性，如瀝青固化。,熱塑性塑料的合成樹(shù)脂都是線型或支鏈型高聚物，因而受熱變軟，甚至成為可流動(dòng)的穩(wěn)定粘稠液體，在此狀態(tài)時(shí)具有可塑性，可塑制成一定形狀的塑件，冷卻后保持既得的形狀，如再加熱又可變軟成另一種形狀，如此可以進(jìn)行反復(fù)多次。,這一過(guò)程中只有物理變化，而無(wú)化學(xué)變化，其變化是可逆的，因此可反復(fù)多次成型。,熱固性,熱固性,塑料指的是在加熱時(shí)會(huì)從液體變成固體并硬化的材料，但以后再加熱不會(huì)重新液化或軟化。,這類塑料是體型高聚物，熱成型實(shí)際上是一種從小分子變成大分子的交鏈聚合過(guò)程。,在加熱之初，因分子呈線型構(gòu)具有可熔性和可塑性，可塑制成一定形狀的塑件。,當(dāng)溫度達(dá)到一定程度后，樹(shù)脂變成不溶和不熔的體型結(jié)構(gòu)，使形狀固定下來(lái)，不再變化。,如有加熱也不軟化，不再具有可塑性,。,變化過(guò)程是不可逆的，只能一次成型。,熱固性塑料主要包括環(huán)氧樹(shù)脂（EP）、酚醛塑料（PF，俗稱電木）等。,塑料固化的特點(diǎn)和適用范圍,塑料固化具有以下特點(diǎn)：,固化體致密度高，重金屬浸出率小，有一定抗輻射能力,增容比和固化體密度較小，便于貯運(yùn),塑料固化體耐老化性能較差，增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),處理費(fèi)用較高,固化過(guò)程會(huì)釋放出有害煙霧，易產(chǎn)生二次污染,主要用于處理重金屬?gòu)U物和中低放射性廢物。,瀝青固化工藝流程,瀝青固化的特點(diǎn)和適用范圍,瀝青固化具有以下特點(diǎn)：,瀝青的熱塑性使得固化體致密度高，重金屬浸出率小，為110,-6,g/(cm,2,d),無(wú)需養(yǎng)護(hù)，處理后就能固化,由于瀝青的導(dǎo)熱性不好，加熱蒸發(fā)伴夾帶現(xiàn)象，易產(chǎn)生二次污染,瀝青具有可燃性，摻雜后燃點(diǎn)更低，需采取防火措施,主要用于處理重金屬?gòu)U物和中低放射性廢物。,新材料：乳化瀝青,在瀝青的使用過(guò)程中，為保持瀝青的流動(dòng)性，要消耗大量的燃料加熱，并產(chǎn)生污染等問(wèn)題。因此如何解決瀝青的流動(dòng)性，降低能耗，保護(hù)環(huán)境已引起人們的普遍重視，從而使乳化瀝青在各國(guó)迅速發(fā)展起來(lái)。,乳化瀝青是由水、瀝青和乳化劑構(gòu)成的混合相。,瀝青材料不溶于水也不與水混合，但通過(guò)高速攪動(dòng)或剪切作用，將瀝青破碎成微小顆粒，分散在有乳化劑作用的水溶液中，則可獲得一種均勻分散膠體。,乳化劑的特點(diǎn)是分子中極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)。在瀝青-水體系中，乳化劑分子移動(dòng)于瀝青與水界面間，其分子的非極性基團(tuán)吸附于瀝青的表面，而極性基團(tuán)則進(jìn)入水相。從而將瀝青顆粒與水連結(jié)起來(lái)。,乳化瀝青固化原理破乳,瀝青乳液與廢物物料接觸后，乳液中水分逐漸散失，并使瀝青粒子互相凝聚稱為瀝青乳液的破乳。其主要原因?yàn)樗值恼舭l(fā)、乳液與礦料的接觸以及乳液和礦料的靜電作用等。,瀝青乳液通過(guò)破乳后形成的初始瀝青膜而將物料顆粒間包結(jié)在一起。,乳化瀝青固化設(shè)備-雙螺桿擠壓機(jī),雙螺桿擠壓機(jī)的蒸發(fā)、固化和干燥在同一設(shè)備中進(jìn)行，簡(jiǎn)化流程，占空間較小。,6-3,其它固化方法,除了利用惰性基材的膠結(jié)特性將廢物包封起來(lái)使其穩(wěn)定化（如,包膠固化,）以外，還可將污染物通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)變引入或形成某種穩(wěn)定固體物質(zhì)（如,化學(xué)穩(wěn)定化,）。,或兼有以上兩種過(guò)程（如,熔融固化,）。,某些廢物中本身就含有可固化的物質(zhì)，通過(guò)添加劑和提供反應(yīng)條件即可促使其固化（如,自膠結(jié)固化,）。,熔融固化(Stabilization by Fusion),也可以成為,玻璃化,技術(shù)，是將待處理的危險(xiǎn)廢物與細(xì)小的玻璃質(zhì)經(jīng)混合造粒成型后，在1000-1200高溫熔融下形成玻璃固化體，借助玻璃體的致密結(jié)晶結(jié)構(gòu)，確保固化體的永久穩(wěn)定。,玻璃的種類繁多，普通的鈉鉀玻璃熔點(diǎn)較低，制造容易，但在水中的溶解度較高，因而不能用于高放廢液的固化。硅酸鹽玻璃耐腐蝕能力強(qiáng)，但熔點(diǎn)高，制造困難。通常在高放廢物的玻璃固化中，研究較多的是磷酸鹽和硼酸鹽玻璃固化過(guò)程。,熔融固化含釕廢催化劑工藝流程,熔融固化的特點(diǎn)和適用范圍,熔融固化具有以下特點(diǎn)：,固化體重金屬浸出率很小，為110,-7,g/(cm,2,d),廢物本身減容大，且固化體增容比較小,固化體熱和化學(xué)穩(wěn)定性高，抗輻射能力強(qiáng),高溫中易伴發(fā)重金屬等的揮發(fā)，需嚴(yán)格控制氣態(tài)污染物,能耗高，處理費(fèi)用高,主要用于處理高放射性或劇毒廢物。,自膠結(jié)固化(Self-Stabilization),自膠結(jié)固化是利用廢物自身的膠結(jié)特性來(lái)達(dá)到固化目的的方法。,該技術(shù)最大特點(diǎn)是,以廢治廢,，節(jié)省資源。但其應(yīng)用的前提是廢物中含有具備膠結(jié)特性的物質(zhì)，因此適用范圍較狹窄。,煙道氣脫硫泥渣固化流程圖,固化技術(shù)面臨的問(wèn)題,對(duì)于常規(guī)的固化技術(shù)（如水泥固化），存在一些不可忽視的問(wèn)題，如廢物經(jīng)固化處理后體積都不同程度的增加，有的會(huì)成倍脹大。,另一個(gè)重要問(wèn)題是廢物的,長(zhǎng)期穩(wěn)定性,，很多研究都證明了固化/穩(wěn)定化的主要機(jī)理，是廢物和凝結(jié)劑之間的化學(xué)鍵結(jié)合力、凝結(jié)劑對(duì)廢物的物理包容及凝結(jié)水合產(chǎn)物對(duì)廢物的吸收作用。而確切的包容機(jī)理和固化體,在不同化學(xué)環(huán)境中的長(zhǎng)期行為,的認(rèn)識(shí)還很不夠。,藥劑穩(wěn)定化,藥劑穩(wěn)定化技術(shù)主要包括：,PH值控制技術(shù)：