（材料物理与化学专业论文）钙矾石对重金属的固化及稳定性研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 沙- j 、谚 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 僦引矧：欺翩湓谚镧嘲旷蜡 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 市政生活垃圾通过高温焚烧后产生的垃圾焚烧飞灰，一般富集有重金属， 需要通过处置才能填埋。水泥固化是成本最低，最实用的处理技术之一。市政 垃圾焚烧飞灰中含有大量的硅铝质，可以作为水泥生产工业的原材料提供硅和 铝，同时，高温焚烧的飞灰也具有一定的胶凝活性，通过预处理后可以做为混 合材使用。水泥特别是硫铝酸盐水泥固化重金属主要以钙矾石形成过程中的化 学吸附或离子替代为主。因此，研究重金属对钙矾石形成的影响以及钙矾石对 重金属的固化效果及稳定性，对硫铝酸盐水泥工业资源化利用垃圾焚烧飞灰或 硫铝酸盐水泥处理垃圾焚烧飞灰都具有重要的意义。 本文采用4 c a o - 3 砧2 0 3 s 0 3 水化法来合成钙矾石，在4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 水化 过程中引入重金属，研究钙矾石对重金属的固化机理和固化阈值。在此基础上， 系统地研究重金属钙矾石固化体系的稳定性，包括碳化稳定性，p h 稳定性和温 度稳定性。采用硫铝酸盐水泥来对重金属进行固化，研究含重金属硫酸盐水泥 水化特性和固化体对环境的影响，探讨钙矾石固化重金属的实际应用。 研究结果表明，c a f 2 可以显著降低4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 的烧成温度。c a f 2 掺 量为0 3 时，4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 烧成温度降低约1 0 0 ，c a f 2 掺量为0 5 时， 其烧成温度降低约2 0 0 。但是c 砒掺量继续增加，4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 晶粒边缘 会出现蚀熔现象，并且烧成产物中会出现1 2 c a o 7 a 1 2 0 3 c a f 2 。c a f 2 不影响 4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 的水化性能，掺有矿化剂的4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 ，其2 4 h 水化放 热总量会显著增加，钙矾石形成量区别不大。 钙矾石对z n 的固化阈值会受到阴离子的影响，掺入的锌盐是硝酸锌 ( z n ( n 0 3 ) 2 6 h 2 0 ) 和氯化锌( z 1 1 c 1 2 ) 时，钙矾石对z n 的固化阈值在1 3 2 2 2 之间。若为硫酸锌( z n s 0 4 7 h 2 0 ) ，钙矾石对z n 的固化阈值不超过1 3 2 。钙 矾石体系对c u ，p b ，c r 的固化阈值分别是1 3 2 2 2 之间，6 和0 2 2 。 在干燥空气环境下，重金属钙矾石体系很稳定，不会发生碳化分解。水固 比为0 2 5 ，0 5 和0 7 5 的水溶液环境下，不论水溶液是纯水还是氯化镁溶液，经 过4 5 d 加速碳化，钙矾石均全部分解。水固比为o 7 5 ，水环境是氯化镁溶液， 在空气中正常碳化4 5 d 后，钙矾石只有部分分解。浸出毒性特性测试显示，碳 化后的固化体系中重金属浸出浓度未超过国家规定的标准。从p h 稳定性试验可 以得知，在p h 为9 1 8 的环境中，重金属钙矾石会发生缓慢地分解反应，而在 武汉理工大学硕士学位论文 其它试验所涉及的p h 环境下很稳定。浸出毒性特性测试显示，在这3 种p h 环 境下重金属钙矾石体系均能稳定存在，固化体系中重金属的浓度低于国家规定 的浓度限值。固化体系在1 2 0 c 下烘干2 4 h 后，其中的钙矾石组分已经全部分解。 重金属的浸出浓度并未超过国家规定的浓度限值。钙矾石分解有可能生成含有 1 0 1 3 个水分子的单硫型硫铝酸钙，该矿物是无定形态，并无衍射特征峰，有 可能这种新产生的矿物起到固化稳定化重金属离子的作用。 从凝结时间的测试数据可以发现，硫铝酸盐水泥的初凝和终凝时间都会随 着重金属掺量的增加而遵循先减小后增大的变化规律，其中z n 造成的影响最明 显。凝结时间最小时，初凝和终凝间隔时间最短。此时，z n ，c u 和p b 对应的 掺量分别为0 2 2 ，0 8 8 ，1 3 2 。含有此掺量z n 或p b 的硫铝酸盐水泥的初 凝时间和终凝时间相对于空白样下降约5 0 ，而掺c u 的下降约2 5 。 硫铝酸盐水泥3 d 和2 8 d 的抗压强度随重金属掺量增加而变化的规律一致， 随着z n 和p b 的掺量先增加后减少，抗压强度最大时，对应勐和p b 的掺量均 为1 3 2 ；掺有1 3 2 z n 的硫铝酸盐水泥，其3 d 和2 8 d 抗压强度相对于空白样 分别提高约5 5 和7 0 ，p b 在此掺量时，3 d 和2 8 d 抗压强度分别提高约9 5 和 4 0 ；掺有c u 的硫铝酸盐水泥的3 d 和2 8 d 抗压强度均随着c u 掺量的增加而增 大，c u 掺量为2 2 时，3 d 和2 8 d 抗压强度相对于空白样分别提高约1 5 0 和8 5 。 固化体系的毒性浸出特性测试结果显示，固化体系水化时间超过2 h 时，其 重金属浸出浓度才会都低于国家规定的限制。 关键词：4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 ，c a f 2 ，钙矾石，重金属，固化阈值，稳定性 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u n i c i p a ls o l i dw a s t ei n c i n e r a t i o n ( m s w i ) f l ya s hg e n e r a t e db ym u n i c i p a ls o l i d w a s t eu n d e rh i s ht e m p e r a t u r ei n c i n e r a t i o n , w h i c hc o n t a i n sh i g l l - l e v e lh e a v ym e t a l s ，i s n e e d e dt ob ed i s p o s e db e f o r el a n d f i l l c e m e n tc u r i n gi so n eo ft h el o w e s tc o s ta n d m o s tp r a c t i c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g y m s w i f l ya s hc o n t a i n sl a r g ea m o u n t so fs i l i c o n a n da l u m i n u ma n dc a nb eu s e da sl a wm a t e r i a l si nc e m e n ti n d u s t r yt op r o v i d es i l i c o n a n da l u m i n u m ；w h i l et h eh i g ht e m p e r a t u r ei n c i n e r a t i o n f l y a s ha l s oh a ss o m e c e m e n t i t i o u sa c t i v i t y , w h i c hc a nb eu s e da sa d m i x t u r ea f t e rp r e t r e a t m e n t t h e s o l i d i f i c a t i o no fh e a v ym e t a l si nc e m e n t ( e s p e c i a l l ys u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t ) i s m a i n l yc h e m i c a la d s o r p t i o no ri o ns u b s t i t u t i o nd u r i n ge t t r i n g i t ef o r m a t i o n r e s e a r c h a b o u tt h ee f f e c to fh e a v ym e t a l so nt h ee t t r i n g i t ef o r m a t i o n , c u r i n ge f f e c ta n ds t a b i l i t y o fh e a v ym e t a l si ne t t r i n g i t e ，i sm i n g f u lf o rt h eu t i l i z a t i o no fm s w i - f l ya s hi n s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n ti n d u s t r yo rt h ed i p o s a lo fm s w i - f l ya s hb ys u l p h o a l u m i n a t e c e m e n t t h ee t t r i n g t ew a ss y n t h e s i z e db yt h eh y d r a t i o no f4 c a o 3 砧2 0 3 s 0 3i nt h i sp a p e r d u r i n gt h eh y d r a t i o n , h e a v ym e t a l sw e r ei n t r o d u c t e di nt os t u d yt h es o l i d i f i c a t i o n m e c h a n i s ma n dt h r e s h o l do fh e a v ym e t a l si ne t t r i n g i t e b a s e do nt h i s ，t h es t a b i l i t yo f h e a v ym e t a l s e t t r i n g i t ec u r i n gs y s t e mw a ss y s t e m a t i ce x p l o r e d ，i n c l u d i n gc a r b o n a t i o n , p ha n dt e m p e r a t u r es t a b i l i t y t h eh y d r a t i o nc h a l a c t e r i s t c e so fs u l p h o a l u m i n a t e c e m e n t d o p e dw i t l lh e a v ym e t a l sa n di t si m p a c to nt h ee n v i r o n m e n tw e r es t u d i e db y s o l i d i f i e dh e a v ym e t a l si ns u l p h o a l u m i n a t ec e m e n t ，i n o r d e rt or e s e a r c ht h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fe t t r i n g i t ei nc u r i n gh e a v ym e t a l s t h er e s u l t ss h o wt h a t , s i n t e r i n gt e m p e r a t u r eo f4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3c o u l db e s i n g n i f i c a n t l yr e d u c e db yc 砒。a p p r o x i m a t e l yi0 0 * ca n d2 0 0 。cr e d u c t i o nw h e nt h e c o n t e n to fc a f 2w a so 3 a n d0 5 r e s p e c t i v e l y h o w e v e r , w h e nt h ec o n t e n t c o n t i n u e dt o i n c r e a s e ，t h e 嘶le d g e o f 4 c a o 3 舢2 0 3 s 0 3m e l t e da n d 12 c a o 7 a 1 2 0 3 c a f 2a p p e a r e d t h eh y d r a t i o np r o p e r t i e sc o u l db em e r e l ya f f e c t e db y c a f 2 t h et o t a lh e a to f4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3m i x e dw i t hm i n e r a la g e n t sd u r i n g2 4 h h y d r a t i o ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d b u tt h ea m o u n to fe t t r i n g i t ef o r m e dh a dn o d i f f e r e n c e t h es o l i d i f i c a t i o nt h r e s h o l do fz ni ne t t r i n g i t ew a sd i f f e r e n ta f f e c t e db ya n i o n si n z i n cs a l t i ft h es a l tw a sz i n cn i t r a t e ( z n ( n 0 3 ) 2 6 h 2 0 ) o rz i n cc h l o r i d e ( z n c h ) ，t h e i r l 武汉理工大学硕士学位论文 s o l i d i f i c a t i o nt h r e s h o l do fz nw a sb e t w e e n1 3 2a n d2 2 f o rz m cs u l f a t e ( z n s 0 4 7 h 2 0 ) ，t h es o l i d i f i c a t i o nt h r e s h o l do fz ni ne t t r i n g i t ed i dn o te x c e e d1 3 2 t h es o l i d i f i c a t i o nt h r e s h o l do fc u , p ba n dc ri ne t t r i n g i t ec u r i n gs y s t e mw a s a p p r o x i m a t e l yb e t w e e n1 3 2t o2 2 ，6 ，0 2 2 r e s p e c t i v e l y h e a v ym e t a l s e t t r i n g i t es y s t e mw a sv e r ys t a b l ei nt h ed r ya i re n v i r o n m e n t ，埘m n oc a r b o n a t i o nd e c o m p o s i t i o n w h e ni na q u e o u se n v i r o n m e n t ( w s 2 0 2 5 ，0 50 7 5 ) ， e i t h e rw a t e ro rm a g n e s i u mc h l o r i d es o l u t i o n , e t t r i n g i t ew a sc o m p l e t e l yd e c o m p o s e d a f t e r4 5 d sa c c e l e r a t e dc a r b o n a t i o n w h e ni nm a g n e s i u mc h l o r i d es o l u t i o n ( w s = 0 7 5 ) ， t h e r ew a so n l yap a r t i a ld e c o m p o s i t i o no fe t t r i n g i t ea f t e r4 5 dn o r m a lc a r b o n a t i o ni n t h ea i r t o x i c i t yc h a r a c t e r i s t i cl e a c h i n gt e s t ss h o w e dt h a tl e a c h i n gc o n c e n t r a t i o n so f h e a v ym e t a l si nt h es o l i d i f i c a t i o ns y s t e ma f t e rc a r b o n a t i o nd i dn o te x c e e dt h en a t i o n a l s t a n d a r d s f r o mt h ep hs t a b i l i t yt e s t , t h ed e c o m p o s i t i o no fh e a v ym e t a l s e t t r i n g i t e o c c u r r e ds l o w l yw h e nt h ee n v i r o n m e n tp hw a s9 18 ；b u tw a sv e r ys t a b l ei no t h e r i n v o l v i n gp h t o x i c i t y c h a r a c t e r i s t i c l e a c h i n g t e s t ss h o w e dt h a tt h e h e a v y m e t a l s - e t t r i n g i t ew a ss t a b l es y s t e mu n d e rt h e s et h r e ed i f f e r e n tp he n v i r o n m e n t , t h e l e a c h i n gc o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l sw e r ea l lb e l o wt h e n a t i o n a ls t a n d a r d ， l i m i t s m o s to fe t t r i n g i t ei nt h es o l i d i f i c a t i o ns y s t e mw a sd e c o m p o s e da f t e rd r i e da t 1 2 0 f o r2 4 h b u tl e a c h i n gc o n c e n t r a t i o no fh e a v ym e t a l sd i dn o te x c e e dt h e c o n c e n t r a t i o nl i m i t ss e t t e db yt h es t a t e m o n o p h a s ew i t h10t o13w a t e rm o l e c u l e s m i g h tg e n e r a t e a f t e re t t r i n g i t e d e c o m p o s i t i o n , w h i c hw a sa m o r p h o u s w i t hn o d i f f r a c t i o nf e a t u r e s ；t h i sn e wp r o d u c tm i g h tp l a ys o l i d i f i c a t i o nr o l ei nt h es t a b i l i z a t i o n o fh e a v ym e t a l s f r o mt h es e t t i n gt i m et e s t , i n c r e a s e df i r s t l y , t h e nd e c r e a s e dw i t ht h eh e a v ym e t a l s d o s a g ei n c r e a s i n g ；z np l a y e dt h em o s to b v i o u si m p a c t t h ei n t e r v a lb e t w e e nt h e i n i t i a la n df i n a ls e t t i n gt i m ew a sa l s o t h es h o r t e s ta tt h el o w e s tp o i n to fs e t t i n g t i m e t h ec o n t e n to fz n ，c ua n dp b ，w e r e0 2 2 ，0 8 8 a n d1 3 2 r e s p e c t i v e l y , w h e nt h ec e m e n th a st h em i n i n l u i ns e t t i n gt i m e t h ei n i t i a la n df i n a ls e t t i n gt i m eo f s u l p h o a l u m i n a t ec e m e n tw i t ht h i sz no rp bd o s a g ew e r ea p p r o x i m a t e l y5 0 l o w e r t h a nt h eb l a n ks a m p l e ，w h i l ed o p e d 谢n lc uw a sa p p r o x i m a t e l y2 5 l o w e r t h e3 da n d2 8 dc o m p r e s s i v es t r e n g t ho fs u l p h o a l u m i n a t ec e m e n th a dt h es a m e v a r i a t i o nw i t ht h ei n c r e a s i n gc o n t e n to fh e a v ym e t a l s d u r i n gt h er e l a t e dd o s a g er a n g e i nt h ee x p e r i m e n t , t h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hd o p e dw i 也z no rp bf i r s t l yi n c r e a s e da n d i v 武汉理工大学硕士学位论文 t h e nd e c r e a s e d ；t h ed o s a g eo fz na n dp bb o t hw e r e1 3 2 w h e nt h ec o m p r e s s i v e s t r e n g t h r e a c h e da tt h em a x i m u m t h e3 da n d2 8 d c o m p r e s s i v es t r e n g t h o f s u l p h o a l u m i n a t ec e m e mm i x e dw i t h1 3 2 z ni n c r e a s e da p p r o x i m a t e l y5 5 a n d 7 0 ，c o m p a r e dt ot h eb l a n k w h i l ed o p e d 埘t l lp bi nt h i sc o n t e n t ，t h ei n c r e a s e sw e r e a b o u t9 5 a n d4 0 r e s p e c t i v e l y t h e3 da n d2 8 dc o m p r e s s i v es t r e n g t hi n c r e a s e d w i t ht h ec uc o n t e n t , w h i c hw e r ea p p r o x i m a t e l y15 0 a n d8 5 h i g h e rt h a nt h eb l a n k s a m p l ew h e n t h ec u d o s a g ew a s2 2 t o x i c i t yc h a r a c t e r i s t i cl e a c h i n gt e s tr e s u l t ss h o w e dt h el e a c h i n gc o n c e n t r a t i o no f h e a v ym e t a lw o u l db el e s st h a nt h en a t i o n a ll i m i to n l yi ft h es o l i d i f i c a t i o ns y s t e m h y d r a t e dm o r et h a n2 h k e yw o r d ：4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 ，c a f 2 ，e t t r i n g i t e ，h e a v ym e t a l ，s o l i d i f i c a t i o nt h r e s h o l d ， s t a b i l i t y v 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 概j 遣1 1 2 钙矾石的基本性质。2 1 3 钙矾石的合成研究4 1 3 1 钙矾石的合成方法4 1 3 2 无水硫铝酸钙的研究5 1 4 钙矾石的稳定性研究6 1 4 1p h 稳定性。6 1 4 1 温度稳定性6 1 4 1 碳化分解特性7 1 5 钙矾石固化重金属的研究7 1 6 研究思路及研究内容9 1 6 1 研究思路。9 1 6 2 研究主要内容9 1 6 3 试验设计。1o 第2 章原材料与试验方法1 1 2 1 主要原材料及性质“ 2 1 1 合成钙矾石l l 2 1 2 重金属盐1 1 2 1 4 硫铝酸盐水泥1 2 2 2 实验方法1 2 2 2 14 c a o 3 a 1 2 0 a s 0 3 的烧成特性测定1 2 2 2 24 c a o - 3 a 1 2 0 3 s 0 3 的水化特性1 3 2 2 3 微观测试方法1 3 2 2 4 水泥水化产物的物理性能测试1 4 2 2 5 固化体毒性浸出试验方法1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章钙矾石的合成研究。1 7 3 1 实验研究内容1 7 3 24c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 的烧成1 7 3 2 1 烧成温度对4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 形成的影响1 8 3 2 2 矿化剂对4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 形成的影响1 9 3 2 3 矿化剂对4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 水化的影响2 4 3 3 钙矾石的合成2 8 3 3 1 摩尔比对钙矾石形成的影响2 8 3 3 2 水固比对钙矾石形成的影响2 8 3 4 本章小结2 9 第4 章钙矾石对重金属固化阈值和机理的实验研究3 1 4 1 实验研究内容31 4 2 钙矾石对z n 的固化阈值研究3 1 4 2 1z n 对钙矾石形成影响的微观性能分析3 1 4 2 2z n 钙矾石体系的浸出毒性特性3 5 4 3 钙矾石对c u 的固化阈值研究3 5 4 2 1c u 对钙矾石形成影响的微观性能分析3 5 4 2 2c u - 钙矾石体系的浸出毒性特性3 7 4 4 钙矾石对p b 的固化阈值研究3 8 4 2 1p b 对钙矾石形成影响的微观性能分析3 8 4 2 2p b 钙矾石体系的浸出毒性特性4 0 4 5 钙矾石对c r 的固化阈值研究4 1 4 2 1c r 对钙矾石形成影响的微观性能分析4 l 4 2 2c r - 钙矾石体系的浸出毒性特性4 3 4 6 本章小结。4 3 第5 章重金属钙矾石体系稳定性研究4 5 5 1 重金属钙矾石体系的碳化稳定性研究。4 5 5 1 1 实验内容4 5 5 1 2 加速碳化对重金属钙矾石体系稳定性影响的x r d 研究4 6 5 1 3 加速碳化对重金属钙矾石体系稳定性影响的热分析研究4 7 5 1 4 碳化后重金属钙矾石体系的浸出毒性特性研究4 8 武汉理工大学硕士学位论文 5 1 4 加速碳化对重金属钙矾石体系稳定性影响的s e m 研究4 9 5 2 重金属钙矾石体系的p h 稳定性研究5 0 5 2 1 实验介绍5 0 5 2 2 环境p h 值对重金属钙矾石体系稳定性影响的x r d 研究5 0 5 2 3 环境p h 值对重金属钙矾石体系浸出毒性特性的影响5 1 5 3 重金属钙矾石体系的温度稳定性研究5 2 5 4 本章小结5 2 第6 章钙矾石固化重金属离子的应用研究5 4 6 1 实验介绍：5 4 6 2 重金属离子对硫铝酸盐水泥水化性能的影响5 4 6 2 1 凝结时间和标准稠度用水量5 4 6 2 2 物理力学性能5 7 6 3 含重金属的硫铝酸盐水泥水化性能的微观分析5 8 6 4 固化体系的毒性浸出特性6 0 6 5 本章小结6 1 第7 章结论6 3 7 1 本论文主要的试验结论6 3 7 2 进一步展望6 5 参考文献6 7 附录一：攻读硕士期间发表论文和专利7 2 附录- - 1 硕士期间参加科研项目7 2 致谢7 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 固体废弃物是指在社会生产、生活、消费以及其它活动中产生的一般不具 有使用价值而被丢弃的以固态半固态赋存的物质。市政固体废弃物是固体废弃 物的一种，包括生活垃圾、医疗垃圾、建筑垃圾等，常用的处置方式包括卫生 填埋、堆肥和焚烧，其中焚烧法是将市政固体废弃物放在高温炉中焚烧，使其 中的有机成分和可燃成分完全分解。与其它处理方法相比，焚烧法有处理速度 快、减容大、就地处置和回收能量等优点。 由于我国对垃圾分类存放的制度执行不够，因而一般的市政固体废弃物中 常有害的重金属物质。这些市政垃圾经过焚烧处理后，其中的重金属元素会在 底灰及飞灰中富集，有些甚至通过焚烧烟气排放到大气中，将对人体健康及环 境生态造成严重危害【l 】，如z n 、c u 、p b 、c d 、c r 、h g 、n i 、s e 、a s 等。市政 垃圾焚烧飞灰因富集高毒性的重金属物质和二嗯英类有机污染物，被国家列入 危险废弃物名录【刁( 编号为h w l 8 ) ，需进行固化稳定化后才准予安全填埋。市政 固体废弃物焚烧灰渣的主要成分是金属或非金属的氧化物，其中a 1 2 0 3 约占 1 0 也o ，s i 0 2 约占3 5 0 o - 4 0 ，f e 2 0 3 约占5 一1 0 ，c a o 约占1 0 之0 ， m g o 、n a 2 0 、k 2 0 各占1 5 以及少量的z n 、c u 、p b 、c r 等金属及盐。市政 垃圾焚烧飞灰中含有有毒的重金属，需要进行固化稳定化处置后才能填埋，其 中水泥固化技术是成本最低，最实用的处理技术之一，曾被美国环保局称为处 理有毒有害废物的最佳技术【3 】。另外，市政垃圾焚烧飞灰中含有大量的硅铝质， 可以作为水泥生产工业的原材料用来提供硅和铝，同时，高温焚烧的飞灰也具 有一定的胶凝活性，通过预处理后可以做为部分混合材使用。水泥特别是硫铝 酸盐水泥固化重金属主要以钙矾石形成过程中的化学吸附或离子替代作用为 主。研究重金属对钙矾石形成的影响以及钙矾石对重金属的固化效果及稳定性， 对硫铝酸盐水泥工业资源化利用垃圾焚烧飞灰或硫铝酸盐水泥处理垃圾焚烧飞 灰都具有重要的意义。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 钙矾石的基本性质 钙矾石( 3 c a o a 1 2 0 3 3 c a s 0 4 3 2 h 2 0 ) 是普通硅酸盐水泥水化产物之一，是 硫铝酸盐水泥水化主要产物。在普通硅酸盐水泥中，c 3 a 在石膏和氢氧化钙存在 的情况下，会水化生产钙矾石 4 1 ；在硫铝酸盐水泥中，无水硫铝酸钙 ( 4 c a o 3 a 1 2 0 3 s 0 3 ) 在石膏存在的情况下，通过水化也会形成钙矾石【5 】，是硫 铝酸盐水泥强度的主要来源。钙矾石属于六方晶系，一般呈针状晶体，折射率 n g 为1 4 2 4 ，n p 为1 4 5 8 ，密度是1 7 3 k g m 3 。x 射线衍射图谱上的主要特征谱线 为0 9 7 2 ，0 8 8 6 ，0 5 6 0 ，0 4 9 8 ，0 3 8 7 ，0 3 2 4 ，0 2 7 7 n m ，差热分析图谱上在1 2 0 上有个吸热峰，钙矾石脱水形成低硫型硫铝酸钙，在2 7 0 也有个吸热峰，为 低硫型硫铝酸钙脱水，红外光谱上的特征波数是3 6 3 5 ，3 4 2 0 ，1 6 4 0 ，1 1 2 0 ，8 7 0 ， 5 5 0 ，4 2 0 c m l 6 1 。 钙矾石结构最初是t a y l o r t 7 】发现的，其结构分为柱状结构和通道两部分。 其中，柱状结构：由a l ( o h 0 6 八面体和c a 0 8 多面体通过共边交互连接而成，c a 0 8 多面体中的o 来自与a i ( o h ) 6 共享的4 个o 和与通道中h 2 0 共享的4 个o ；通 道中h 2 0 分子的h 形成柱状体的面。通道：每个柱状结构单元所形成的通道 中有4 个位点，s 0 42 占用其中的3 个，2 个h 2 0 占用1 个。钙矾石的结构示意 图见图1 1l 引。 on , o c a oo h 朋 图1 - 1 钙矾石的基本结构 2 武汉理工大学硕士学位论文 其中，a ：平行于c 轴方向的柱状结构，( c = 2 1 5 埃) ，由d a y 修正； b ： a - b 面上投影，圆圈表示柱状部分( a l = a 2 = 11 2 3 埃) ，由d a y 9 l 在t a y l o r 1 0 】之后修 正；c ：柱状结构原子结构图，a - b 面上投影。p ，胛+ ，坐标为z = 0 和l 2 ( 与坐 标轴重叠) ；q 和，均为c a 2 + ，坐标分别为z = l 4 和3 4 ；未标注的圆圈是o h ( 连 接时+ 和c a ) ，或h 2 0 ( 只与柱体内部c a 2 + 相连) 。坐标z 1 2 的c a - o 用实线 表示，反正用虚线表示。以上所有坐标，基于z = 1 0 7 2 埃。 从钙矾石被发现至今，关于它的基本性质的研究从未间断过。主要是因为 钙矾石形成的来源很多，包括水泥水化产物，化学合成等，同样是水化过程中 产生的钙矾石，水化环境不同，所获得的测试数据就会有区别。l e o nb l a c k 1 1 】 等采用r a m a n 光谱研究c 3 a 在石膏存在时的水化特性发现：水化3 m i n 后在拉 曼光谱图上会出现钙矾石中的v i s o d 振动峰( 9 9 8 c m 1 ) 【1 2 】，并在水化过程中不 断增强，同时伴随做石膏中的v 1 s 0 4 峰的( 1 0 0 9 c m l ) 的减弱；水化4 周后， 钙矾石会出现分解部分分解，拉曼光谱测试结果图上会出现石膏和单硫型硫铝 酸钙( a f m ) 和的v i s 0 4 振动峰，分别为1 0 0 6 和9 8 0 c m 。s j b 锄1 e e t t 【1 3 】等用 x r d ，e d x 和瓜光谱研究钙矾石和硅灰石膏的固溶特性时发现，钙矾石结构中 一半的砧原子可以被s i 取代。s y t l em a n t a o 等用d t a ，t g 和x r d 研究 s t u r m a n i t e 矿和钙矾石，研究结果表明钙矾石在1 4 9 失水，在7 5 3 失掉s 0 3 ， 晶胞参数是a = 1 1 2 2 3 埃，c - = 2 1 4 7 4 埃，体积是2 3 4 2 2 埃3 1 4 1 。m & h a r t m a n 和 r b e r l i n e r 采用飞秒中子粉末衍射法研究钙矾石的晶体结构，确定了h 原子的位 置。s k d e b 等采用r a m a n 光谱法和x r d 研究钙矾石的分解特性，表明钙矾 石在大约5 5 时开始分解，伴随着水分子的流失，稳定上升到1 7 5 时，分解 完毕，钙矾石晶体结构完全被毁，留下无定形态矿物【1 2 1 。 关于钙矾石的形貌，既有针状，也有棒状，与其形成的环境有关。吴宗道【1 5 】 采用