垃圾焚烧飞灰制备硫铝酸盐水泥的安全性研究

由表3可知，原料垃圾焚烧飞灰于1250℃单独煅烧后Pb几乎全部释放，Zn和Cd只有少量残留，Cu的固化率不到10%，Cr的固化率超过80%，Ni只有少部分挥发。而辅以其他原料煅烧制得的硫铝酸盐水泥熟料中，Ni、Cr和Zn的固化效果最好；Cu和Cd大部分挥发，固化效果较差；熟料对Pb的固化效果最差，只有3.9%的Pb固化在熟料中。

焚烧飞灰中含有氯会对重金属的挥发产生影响，如CdCl2和PbCl2分别在960℃和950℃便会挥发[7-8]。此外，除原材料组成外，重金属的挥发特性还受到煅烧制度和窑内环境等因素的共同影响。

表3 煅烧后重金属含量及其固化率

2.4 硬化水泥浆体中重金属的浸出

采用三种浸出试验方法测得硬化水泥浆体中重金属浸出浓度结果见表4，三种方法同时考虑材料不同服役状态（方法一、二为破坏后，方法三为正常状态下），以及环境因素的影响。表4同时给出不同地区关于重金属浓度浸出限值要求。

从表4可以看出，第三组未经破坏的硬化水泥浆体中，其重金属浸出量甚至低于仪器的检出限。由于硫铝酸盐水泥主要水化产物为钙矾石，其晶体结构特征表现为六角棱柱或柱状，这种柱状结构中Ca₂⁺、Al₃⁺、SO₄^2-和OH^－可通过离子取代固结部分有害离子，如Cr等[9-11]。

此外，C₂S水化生成的C-S-H凝胶可通过吸附等方式进一步固化重金属离子。研究发现，硬化硫铝酸盐水泥浆体的pH值在10～11左右，碱度较硅酸盐水泥低，可降低重金属离子的溶解度[12-13]。

比较第一和第二组重金属浸出浓度测试结果发现，采用醋酸作浸出液的第二组试样中重金属浸出浓度较高。醋酸环境一方面使得Cr、Cu、Cd、Zn和Pb等重金属溶解度增加[14]；另一方面对硬化浆体造成腐蚀形成五水乙酸钙，使得钙矾石发生分解生成石膏和铝胶，从而降低体系固结重金属能力[15]。

采用三种浸出方法测得重金属浸出浓度均低于不同标准规定限值。综上可知，采用垃圾焚烧飞灰煅烧硫铝酸盐水泥，可溶性重金属活动态大大降低，其浸出量远远低于浸出毒性鉴别标准，重金属的浸出是一个缓慢浸取、缓慢稀释的过程。但由于水泥基材料应用广泛，使用环境千差万别，还应进一步研究利用垃圾焚烧飞灰烧制硫铝酸盐水泥在不同侵蚀环境下的浸出行为及其长期应用的安全性。

表4 不同方法测得硬化水泥浆中重金属离子浸出浓度 (mg/kg)

注：ND: 低于仪器测试限值 (<0.005mg/L)；

a）中国国标（GB 5085.3-2007，危险废物鉴别标准）；

b）美国标准毒性浸出方法有关重金属浸出浓度最高限值（TCLP-1311）；

c）欧盟关于废弃物无害化填埋要求（2003/33/EC）。

3 结论

1）以垃圾焚烧飞灰做原料，控制碱度Cm=1.05、铝硫比P=2.5和铝硅比n=3条件下，可煅烧制得以C4A3S和C2S为主要矿物的硫铝酸盐水泥熟料。

2）石膏的掺量在很大程度上决定熟料中C₄A₃S的水化程度和钙矾石等水化产物的生成量，对硫铝酸盐水泥早期强度发挥起到至关重要的作用。

3）垃圾焚烧飞灰煅烧硫铝酸盐水泥熟料过程中，Ni、Cr和Zn挥发率最低，而Cu和Cd大部分挥发，而熟料对Pb的固化效果最差，96%的Pb在熟料煅烧过程中挥发。

4）采用醋酸作浸出液相对去离子水，使得重金属浸出浓度较高，但仍低于相关标准关于毒性浸出最高限值。硫铝酸盐水泥主要水化产物钙矾石、C-S-H凝胶可通过离子取代和吸附等方式有效固化重金属离子。但关于垃圾焚烧飞灰烧制硫铝酸盐水泥在不同使用环境中长期应用的安全性还有待进一步研究。

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