[发明专利]基于钙矾石的重金属污染场地修复的固化剂及使用方法

说明书

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，是一种用于固化、稳定化重金属污染土的新型固化剂。

背景技术

美国超级基金场地修复项目统计表明，固化、稳定化技术是重金属污染场地修复最主要的技术。传统的重金属污染场地的固化、稳定化主要通过水泥等胶结材料、土体和重金属离子之间连续发生的多种复杂物理化学反应作用从而达到降低重金属离子溶出、提高土体强度等目的。土壤修复过程中最常用的固化剂为普通硅酸盐水泥。普通硅酸盐水泥固化、稳定化重金属污染物主要有以下四种机理：①水化产物对污染物的包裹作用；②水泥溶于水后形成的碱性环境促进重金属离子形成不溶性的氢氧化物等而沉淀；③各类水化产物以及土体颗粒表面对污染物的物理吸附作用；④通过水化产物与污染物的相互作用(如离子替换、络合作用等)，对污染物进行化学固定。水泥固化/稳定化重金属污染土易受到周围环境的长期物理和化学侵蚀，如二氧化碳碳化、干湿循环、冻融循环以及外界化学物质侵蚀等。固化物的孔隙率、孔隙分布特征和微观胶结状态变化，PH值和酸中和能力降低，重金属的赋存形态转化和溶解度的改变等，都会引起固化土的物理、力学和化学的稳定性的改变，重金属的浸出浓度高于安全限制。

钙矾石的分子式为3Ca·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O，它可以通过离子置换作用使铅锌等重金属成为钙矾石晶体结构的一部分从而固化稳定化重金属，从化学角度看，三价离子如Fe³⁺、Cr³⁺和Mn³⁺等能取代钙矾石中的Al³⁺离子，二价离子如Mg²⁺、Zn²⁺、Fe²⁺、Co²⁺和Ni²⁺可以取代Ca²⁺，而SO₄^2-能被CO₃^2-、NO₃^-、SeO₄^2-、CrO₄^2-或者B(OH)₄^-所取代。另外，钙矾石的表面负电性可容纳或吸附较较多的外来金属离子。钙矾石具有膨胀性，土是一个松散颗粒的联合体，本身具有孔隙，利用养护条件(温度、湿度、PH值等)的不同，控制并利用钙矾石的膨胀性，可以有效的减小土的孔隙率，降低重金属的浸出浓度。

钙矾石是分步形成的，参与形成钙矾石反应的各离子依次为AlO₂^-、Ca²⁺、SO₄^2-。AlO₂^-含量不仅是形成钙矾石的先决条件，且决定了钙矾石的形成速度。Ca²⁺浓度是影响钙矾石形成的主要因素，且会影响钙矾石的生成形态。仅仅提供硫酸根离子的硫酸盐对钙矾石的形成没有促进作用，但液相中维持一定量的SO₄^2-是钙矾石稳定存在的重要条件。当溶液中SO₄^2-含量不足时，钙矾石将向单硫型硫铝酸钙(3Ca·Al₂O₃·CaSO₄·12H₂O)转化，但钙矾石向单硫型硫铝酸钙转变的速度十分缓慢，因此钙矾石具有较好的长期稳定性。固化剂中铝((铁)相含量是影响钙矾石长期稳定性的重要因素之一，当体系中SO₄^2-与铝(铁)相摩尔比小于0.42时，其稳定性明显下降。

高铝水泥、生石灰和磷石膏可以提供相应离子反应生成钙矾石。其中磷石膏是生产磷肥、磷酸时排放出的固体废弃物，每生产1t磷酸约产生4.5-5t磷石膏。磷石膏主要成分为二水石膏(CaSO₄·2H₂O)，还含少量磷酸、硅、镁、铁、铝、有机杂质等。堆放磷石膏不仅占用了大量土地，而且造成环境污染。因此有必要寻求磷石膏的合理利用途径，以实现磷肥工业的可持续发展和磷石膏的高度利用。

发明内容