一種鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料及其用圖
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料及其用途，具體涉及一種利用鉻鐵合金冶煉廢渣制備鈣系磷酸鹽化學鍵合材料的方法及該材料在作為澆注材料或重金屬固化方面的用途，屬固廢和重金屬污染治理技術領域。
【背景技術】
[0002]重金屬(如含鎘、鉛、汞、銅、鉻)已經成為對環境污染最嚴重和人類最大的危害之一，重金屬污染可以采用多種不同的技術進行處理，而固化/穩定化技術是國際上處理有毒污染物的主要方法之一，固化/穩定化技術采用固化基材將重金屬廢物固定或包覆起來以降低其對環境的危害。目前，磷酸鹽化學鍵合材料為最常見的重金屬固化基材。
[0003]磷酸鹽化學鍵合材料，由金屬氧化物與酸式磷酸鹽通過酸堿中和反應形成以磷酸鹽為黏結相的無機膠凝材料，研究較為成熟的是鎂系磷酸鹽化學鍵合材料，通常由磷酸及磷酸二氫銨、磷酸二氫鉀等一種或兩種以上的酸式磷酸鹽、氧化鎂粉、緩凝劑及摻合料等制備而成，在水相介質下可以快速發生反應形成具有類似陶瓷體結構，具有高強、快凝、抗鹽抗凍性、耐磨性及而酸腐蝕性等優良性能。磷酸鹽化學鍵合材料最大的優點是體系內的磷酸鹽可作為穩定劑與很多重金屬反應形成穩定的重金屬磷酸鹽，再由于材料的內部結構發展相對致密，對重金屬浸出的機械阻滯能力較強，因此在治理重金屬方面表現出潛在的利用價值。
[0004]鎂系磷酸鹽化學鍵合材料的主要原料為氧化鎂，而氧化鎂成本較高，另外為了減慢凝固速度，通常采用1700°C重燒氧化鎂來控制氧化鎂的反應活性，能耗非常高。磷酸鎂水泥的制備成本嚴重制約了此類膠凝材料的推廣應用。如果能夠找到一種價格低廉的富含金屬氧化物的原料替代氧化鎂，降低此類材料的制備成本，實現工業固體廢棄物資源化，同時在重金屬污染治理方面提供了新思路，具有一定的環境效益和社會效益，此類技術的開發，將很大程度地拓寬磷酸鹽體系膠凝材料的市場及應用前景。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料，其原料組成及重量份為鉻鐵合金冶煉廢渣400?600份、酸式磷酸鹽100份、調凝材料4?12份、其它工業廢渣10?30份;該材料利用富含鈣氧化物的鉻鐵合金冶煉廢渣為原料，與酸式磷酸鹽反應制備具有凝固速度適中、高強、后期強度穩定等特性的鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料，相對于鎂系磷酸鹽化學鍵合材料，其原料成本大大降低，施工操作性更強。
[0006]所述的鉻鐵合金冶煉廢渣(含鈣氧化物不低于40%)，是冶煉鉻鐵合金過程中排放的富含鈣鋁氧化物的工業廢渣，含質量百分比40?50%的CaO，其主要礦物相為鎂薔薇輝石、鈣鋁黃長石;鉻鐵合金冶煉廢渣粉磨至粒度小于80μπι。
[0007]所述的酸式磷酸鹽為磷酸二氫鉀、磷酸二氫銨或磷酸二氫鈉中的一種或幾種的任意比混合物。
[0008]所述的調凝材料為硼酸或硼砂中的一種或兩種的任意比混合物。
[0009]所述的其它工業廢渣為粉煤灰或礦渣等富鋁、鈣質工業廢渣(鋁氧化物和鈣氧化物總含量不低于20%)，是用來改善澆注過程中材料的可塑性以及起到一定的緩凝作用；其它工業廢渣粉磨至粒度小于80μπι。
本發明另一目的是將上述鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料應用在替代水泥作為澆注材料中。
[0010]本發明另一目的是將上述鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料應用在重金屬固化中，使用時，按鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料與待固化重金屬的質量比為1:0.05?0.2的比例，在鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料中添加重金屬或含重金屬廢渣，混勻，然后按鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料與水的質量比為1:0.2-0.4的比例，在混合物中添加水，常溫下攪拌混勻后澆注成型、脫模后養護。
[0011]具體過程為先將鉻鐵合金冶煉廢渣及其它工業廢渣烘干、破碎、粉磨至小于80μπι，再稱取酸式磷酸鹽、調凝材料，將以上幾種原料混合均勻后，直接將重金屬或含重金屬的廢渣加入到混合料中，充分混合后按計量加入水，在膠砂攪拌機中攪拌均勻后澆注成型，完全凝固后脫模，養護至一定齡期即可。
[0012]通過添加調凝材料和其它工業廢渣的量來調節其凝固速度，適宜的凝結時間既可滿足施工要求，也能保證材料的早期強度，對其后期強度無顯著影響。
[0013]本發明制備鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料的反應體系中的磷酸鹽可以和重金屬離子反應，形成難溶的磷酸鹽，如Pb3(P04)2、Cd3(P04)2等，同時磷酸鹽還與鉻鐵渣反應形成一定量的羥基磷灰石(Ca1Q(PO4)6(OH)2),重金屬離子很容易被羥基磷灰石吸附并在表面發生離子交換作用形成重金屬羥基磷灰石，如Pb5(P04)30H、Cd5(P04)30H等，進一步將重金屬沉淀于晶格中，從而降低重金屬的毒性浸出。
[0014]本發明的優點和積極效果:
(1)本發明為鈣系磷酸鹽化學鍵合材料的制備提供了一種新方法，與鎂系磷酸鹽化學鍵合材料相比，鈣系磷酸鹽化學鍵合材料的制備反應過程更為溫和，施工性更強；
(2)本發明采用的鉻鐵渣富含CaO，與酸式磷酸鹽反應過程中會生成羥基磷灰石的水化產物，而羥基磷灰石對重金屬具有很強的吸附、離子交換等能力，因此該磷酸鹽化學鍵合材料在重金屬污染治理上具有很廣泛的應用前景；
(3)本發明采用的主要原料為鉻鐵渣等工業廢渣，大大降低了生產成本，另外，鉻鐵合金冶煉廢渣中含有一定量的Cr重金屬離子，且大部分的鉻鐵渣露天堆存，經雨水沖刷，Cr(VI)不斷浸出，嚴重污染廠區周邊土壤及水源，而利用鉻鐵渣制備磷酸鹽化學鍵合材料不僅能解決Cr重金屬污染問題，同時還能有效地固化/穩定化其他重金屬，如Pb、Cd、Cu、As等，既能實現固體廢渣的綜合利用，也能實現以廢治污。利用鉻鐵渣制備的基體材料固化/穩定化重金屬的效果更好，這意味著不僅實現了固體廢渣的綜合利用，還實現了“利廢治污”環保理念。
[0015](4)鉻鐵渣基磷酸鹽化學鍵合材料是利用鉻鐵渣以及其他工業廢渣中有效成分與酸式磷酸鹽通過化學結合反應使該材料達到硬化，從而產生強度，拓展了工業廢渣在磷酸鹽水泥工業中的綜合利用。與鎂系磷酸鹽化學鍵合材料相比，作為澆注材料使用，其具有凝固速度適中、操作性強、早強快硬、粘結力強、體積穩定性好、耐久性好等特性。此外，該澆注材料大量地利用了鉻鐵渣，降低材料的成本，實現了鉻鐵渣的綜合利用。
【附圖說明】
[0016]圖1是實施例1鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料XRD圖；
圖2是實施例1鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料SEM圖。
【具體實施方式】
[0017]以下結合附圖和實施例，對本發明作進一步的闡述，但本發明的技術內容不限于所述范圍。
[0018]實施例1:本鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料的原料組成為鉻鐵合金冶煉廢渣400 g、磷酸二氫鉀100 g、硼砂8 g、粉煤灰12 g，其中粉煤灰主要成分的含量為48.96%S12,30.13% Al2O3,4.81% CaO;鉻鐵合金冶煉廢渣粉磨至粒度小于80 μπι，粉煤灰粉磨至粒度小于80 μπι；
將上述鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料用于澆注材料使用，將鉻鐵渣基鈣系磷酸鹽化學鍵合材料600 g與120 g水在常溫下攪拌均勻后澆注成型，脫模后在常溫下、空氣環境中養護，測試其力學性能:凝固時間為45 min時，3d、7d、28d抗壓強度分別為18.8 Mpa,30.9Mpa,46.9 Mpa；對該材料進行XRD物相分析，結果見圖1，從圖中可以看出該材料含有硅酸二鈣、鎂