第六章-固体废物固化-同济大学环境科学与工程学院考研资料——水污染控制工程-固体废物处理与处置-教学

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1、,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 固体废物固化,本章要点：,固化效果的评价,各种固化的特点,水泥固化,6-1,固化基本理论,固化（Solidification）,定义：利用,添加剂,改变废物的工程特性（渗透性、可压缩性和强度），生成,凝聚体,，以减小废物的毒性和可迁移性，使其稳定化的一种过程。,固化剂,：固化过程所用的添加剂,固化体,：经固化处理后形成的凝聚体,固化方法的应用,固化技术首先是从处理放射性废物发展起来的。今天，固化技术已应用于处理多种有毒有害的危险废物（hazardous wastes），如电镀污泥、砷渣、铬渣和重金

2、属飞灰等。,通常被应用于以下方面：,对放射性废物处理使其无害化；,对具有毒性或强反应性等危险废物进行处理，使其满足填埋等处置的要求；,对被大量有害污染物所污染土壤进行固化降低其可迁移性，或对软质土壤进行处理以提高其抗压强度。,固化机理,固化具体的处理机理十分复杂，按其作用途径可概分为：,（1）通过物理混合过程把污染物直接掺入到惰性基材中去；,（2）将污染物通过化学转变，引入到某种稳定固体物质的晶格中去。,有的兼有上述两种过程。,固化处理的基本要求,得到的产品应该是一种密实的、强度高和化学性质稳定的固体；,处理过程必须简单，能有效减少有毒有害物质的逸出，二次污染小；,固化体的体积尽可能小；,固化

3、剂价廉易得；,能耗小，处理费用低,固化效果的评价指标(1),浸出率,浸出率,是指固化体浸于水中或其它溶液中时，其中有害物质的浸出速度。因为固化体中的有害物质对环境和水源的污染，主要是由于有害物质溶于水所造成的。所以，浸出率是评价无害化程度的指标。,固化效果的评价指标(2),增容比,增容比,是指所形成的固化体体积与被固化有害废物体积的比值。由于固化过程需添加固体剂，固化后体积增加。所以，增容比是评价减量化程度的指标。,固化效果的评价指标(3),抗压,强度,抗压强度,是指固化体在静压作用下破碎时的负荷值。,由于废物经过固化后，通常都要将得到的固化体进行填埋处置或用作填料。为避免出现因破碎和散裂从而

4、增加暴露的表面积和污染环境的可能性，就要求固化体具有一定的结构强度。,对于最终进行填埋处置或装桶贮存的固化体，抗压强度要求较低，一般控制在,1-5MPa,；,对于准备作建筑基料使用的固化体，抗压强度要求在,10MPa,以上，浸出率也要尽可能低。,抗压强度是评价无害化和可资源化程度的指标。,水泥固化(Cement Solidification),水泥是建筑用胶凝材料，按化学组成可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥三大类。硅酸盐水泥是普遍常用的水泥，又称波特兰水泥，铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥是特种用途的水泥。,普通硅酸盐水泥中硅酸三钙和硅酸二钙占水泥熟料矿物含量的76%左右，因此固化体的性质很

5、大程度上取决于硅酸钙的水化及其生成物的性质。,胶结特性：硅酸钙的水硬性（硅酸钙水化物的胶凝性）,硅酸钙的水化反应,(1)硅酸三钙的水化,2(3CaOSiO,2,)+6H,2,O,3CaO2SiO,2,3H,2,O+3Ca(OH),2,(2)硅酸二钙的水化,2(2CaOSiO,2,)+4H,2,O,3CaO2SiO,2,3H,2,O+Ca(OH),2,水化反应后所得到的水合硅酸钙具有胶凝特性。,初凝与终凝,所有水泥矿物成分的水化反应均生成水化凝胶和碱性物质Ca(OH),2,，并将自由水分子变为结晶水。随着水化反应的继续，水泥浆中的Ca(OH),2,溶液浓度越来越大，而自由水分子越来越少。,当自由

6、水分子少到一定程度，包有凝胶体的颗粒逐渐接近并黏结在一起，泥浆开始失去塑性，达到,初凝,。从加水到开始失去塑性所需的时间称为初凝时间。,当泥浆完全失去可塑性并开始产生强度，达到,终凝,。从加水到完全失去可塑性所需的时间称为终凝时间。,已经终凝的水泥才初步具有强度。为了保证在施工中有足够的处理时间，并满足施工中操作的要求，通常要求水泥的初凝时间不宜过早而终凝时间不宜过迟。,安定性与水化热,体积安定性简称,安定性,，是指水泥在硬化过程中体积变化的均匀性。事实上，水泥遇水后，在凝结硬化的过程中，体积必然要发生变化，但变化不能太大并应保持均匀。水泥中如果含较多的游离氧化钙、游离氧化镁或三氧化硫，就能使

7、水泥结构产生不均匀的体积膨胀，导致膨胀性裂缝，降低质量，甚至崩溃。,水泥与水的作用为放热反应，随着硬化过程的进行，不断放出热量，这种热量称为,水化热,。水泥的水化热对施工应用有很大的影响。对于小断面小体积的混凝土构件的低温施工，水化热可加快其硬化速度。但对于水坝、大型基础等大体积混凝土工程、则由于水化热积聚在内部、不易散发，内部温度上升过高、致使混凝土产生内应力而开裂或破坏。,水泥固化工艺流程,工艺条件控制（1）,水灰比,为满足水化反应条件，一般为1:2。水分少无法保证水泥的充分水合作用；水分过大会出现泌水现象，影响固化体的强度。,水泥/废物配比,废物中可能含有妨碍水泥水化反应的化学物质，范围

8、波动大（0.5-10），应通过试验确定。,PH值,PH值8，以保证重金属处于化学稳定态。但PH过高时会形成带负电荷的羟基络合物，也会导致重金属溶出。,工艺条件控制（2）,添加剂,水泥固化过程中，由于废物组成的特殊性，常会遇到混合不均匀、过早或过迟凝固、固化体浸出率高和强度较低等问题。为改善固化条件，提高固化体的性能，固化过程中需视废物的性质和对产品的质量要求掺入适量的添加剂。,常用的有吸附剂（活性氧化铝、粘土）、缓凝剂（柠檬酸、硼酸盐）、促凝剂（水玻璃、碳酸钠）和减水剂（表面活性剂）等。,养护,室温下需养护28天以达到较高的抗压强度。若用高温蒸汽，可大大加快养护历程。,水泥固化的特点和适用范围

9、,水泥固化是一种比较成熟的危险废物处理方法，具有以下特点：,工艺简单成熟，固化剂价廉易得，设备及运行费用亦较低,固化体抗压强度高,固化后增容比较高，为1.5-2,水泥的孔隙率较高，导致浸出率偏大，为1,10,-4,g/cm,2,d，比沥青固化大两个数量级,有机物对水化过程有抑制，会推迟固化时间，甚至影响最终的硬结效果,广泛用于处理含,重金属,的危险废物。,石灰固化的特点和适用范围,石灰固化具有以下特点：,由于粉煤灰、水泥窑灰等本身就是废料，以废制废，处理成本更低,波索来反应不同于水泥的水合作用，固化体结构强度不如水泥,除有水泥固化的缺点外，易受酸性水溶液的侵蚀，需对固化体表面进行涂覆,主要用于

10、处理油类污泥和重金属污泥等。,塑料固化(Plastic Solidification),塑料主要成份是树脂及相应的添加剂。,树脂：主要作用是将塑料的其它成份加以粘合，并决定塑料的类型(热塑性或热固性)和主要性能，树脂在塑料中的比例一般为4065%。,填料：提高塑料的结构强度和扩大使用范围。,增塑剂：有些树脂的可塑性很小，为了降低树脂的熔融粘度和温度，通常加入能与树脂相容的不易挥发的高沸点的有机化合物。,着色剂：主要是起美观和装饰作用。,稳定剂：能减缓塑料变质的物质，分光稳定剂热稳定剂抗氧剂。,胶结特性：热塑性或热固性,热塑性,热塑性,是指在加热和冷却时能反复软化和硬化的特性，如沥青固化。,热塑

11、性塑料的合成树脂都是线型或支链型高聚物，因而受热变软，甚至成为可流动的稳定粘稠液体，在此状态时具有可塑性，可塑制成一定形状的塑件，冷却后保持既得的形状，如再加热又可变软成另一种形状，如此可以进行反复多次。,这一过程中只有物理变化，而无化学变化，其变化是可逆的，因此可反复多次成型。,热固性,热固性,塑料指的是在加热时会从液体变成固体并硬化的材料，但以后再加热不会重新液化或软化。,这类塑料是体型高聚物，热成型实际上是一种从小分子变成大分子的交链聚合过程。,在加热之初，因分子呈线型构具有可熔性和可塑性，可塑制成一定形状的塑件。,当温度达到一定程度后，树脂变成不溶和不熔的体型结构，使形状固定下来，不再

12、变化。,如有加热也不软化，不再具有可塑性,。,变化过程是不可逆的，只能一次成型。,热固性塑料主要包括环氧树脂（EP）、酚醛塑料（PF，俗称电木）等。,塑料固化的特点和适用范围,塑料固化具有以下特点：,固化体致密度高，重金属浸出率小，有一定抗辐射能力,增容比和固化体密度较小，便于贮运,塑料固化体耐老化性能较差，增加环境风险,处理费用较高,固化过程会释放出有害烟雾，易产生二次污染,主要用于处理重金属废物和中低放射性废物。,沥青固化工艺流程,沥青固化的特点和适用范围,沥青固化具有以下特点：,沥青的热塑性使得固化体致密度高，重金属浸出率小，为110,-6,g/(cm,2,d),无需养护，处理后就能固化

13、,由于沥青的导热性不好，加热蒸发伴夹带现象，易产生二次污染,沥青具有可燃性，掺杂后燃点更低，需采取防火措施,主要用于处理重金属废物和中低放射性废物。,新材料：乳化沥青,在沥青的使用过程中，为保持沥青的流动性，要消耗大量的燃料加热，并产生污染等问题。因此如何解决沥青的流动性，降低能耗，保护环境已引起人们的普遍重视，从而使乳化沥青在各国迅速发展起来。,乳化沥青是由水、沥青和乳化剂构成的混合相。,沥青材料不溶于水也不与水混合，但通过高速搅动或剪切作用，将沥青破碎成微小颗粒，分散在有乳化剂作用的水溶液中，则可获得一种均匀分散胶体。,乳化剂的特点是分子中极性基团和非极性基团。在沥青-水体系中，乳化剂分子

14、移动于沥青与水界面间，其分子的非极性基团吸附于沥青的表面，而极性基团则进入水相。从而将沥青颗粒与水连结起来。,乳化沥青固化原理破乳,沥青乳液与废物物料接触后，乳液中水分逐渐散失，并使沥青粒子互相凝聚称为沥青乳液的破乳。其主要原因为水分的蒸发、乳液与矿料的接触以及乳液和矿料的静电作用等。,沥青乳液通过破乳后形成的初始沥青膜而将物料颗粒间包结在一起。,乳化沥青固化设备-双螺杆挤压机,双螺杆挤压机的蒸发、固化和干燥在同一设备中进行，简化流程，占空间较小。,6-3,其它固化方法,除了利用惰性基材的胶结特性将废物包封起来使其稳定化（如,包胶固化,）以外，还可将污染物通过化学转变引入或形成某种稳定固体物质

15、（如,化学稳定化,）。,或兼有以上两种过程（如,熔融固化,）。,某些废物中本身就含有可固化的物质，通过添加剂和提供反应条件即可促使其固化（如,自胶结固化,）。,熔融固化(Stabilization by Fusion),也可以成为,玻璃化,技术，是将待处理的危险废物与细小的玻璃质经混合造粒成型后，在1000-1200高温熔融下形成玻璃固化体，借助玻璃体的致密结晶结构，确保固化体的永久稳定。,玻璃的种类繁多，普通的钠钾玻璃熔点较低，制造容易，但在水中的溶解度较高，因而不能用于高放废液的固化。硅酸盐玻璃耐腐蚀能力强，但熔点高，制造困难。通常在高放废物的玻璃固化中，研究较多的是磷酸盐和硼酸盐玻璃固化

16、过程。,熔融固化含钌废催化剂工艺流程,熔融固化的特点和适用范围,熔融固化具有以下特点：,固化体重金属浸出率很小，为110,-7,g/(cm,2,d),废物本身减容大，且固化体增容比较小,固化体热和化学稳定性高，抗辐射能力强,高温中易伴发重金属等的挥发，需严格控制气态污染物,能耗高，处理费用高,主要用于处理高放射性或剧毒废物。,自胶结固化(Self-Stabilization),自胶结固化是利用废物自身的胶结特性来达到固化目的的方法。,该技术最大特点是,以废治废,，节省资源。但其应用的前提是废物中含有具备胶结特性的物质，因此适用范围较狭窄。,烟道气脱硫泥渣固化流程图,固化技术面临的问题,对于常规的固化技术（如水泥固化），存在一些不可忽视的问题，如废物经固化处理后体积都不同程度的增加，有的会成倍胀大。,另一个重要问题是废物的,长期稳定性,，很多研究都证明了固化/稳定化的主要机理，是废物和凝结剂之间的化学键结合力、凝结剂对废物的物理包容及凝结水合产物对废物的吸收作用。而确切的包容机理和固化体,在不同化学环境中的长期行为,的认识还很不够。,药剂稳定化,药剂稳定化技术主要包括：,PH值控制技术：