铜渣基铁系磷酸盐化学键合材料的制备及其固化重金属机理研究

Heavy metal-bearing wastes, as persistent contaminants, have attracted wide attentions. Cement based solidification of heavy metals is acknowledged as an effective way to deal with the heavy metal-bearing wastes, but it has some shortcomings including low waste loading and poor durability. In this project, chemically bonded iron phosphate ceramics (CBIPCs) with higher strength and more suitable setting behavior are prepared through the acid-based reaction between iron-rich copper slag and acid phosphates and used to enduringly and efficiently solidify/stabilize the heavy metals of Pb, Cd and Cr through chemical incorporation, physical adsorption and immobilization. The influences of the factors such as the physicochemical characteristics of copper slag, phosphate species, copper slag-to-phosphate (CS/P) weight ratio and cuing conditions on the microstructures and mechanical properties of CBIPCs are researched. The preparation mechanism of CBIPCs is investigated by characterizing and analyzing the structures of the products. The leachability of heavy metals for the solidified/stabilized forms with CBIPCs is researched. The micro morphology, structure group and existence of heavy metals in the solidified/stabilized forms are analyzed to reveal the immobilization mechanism of heavy metals in the CBIPCs matrices. The expected achievements will provide the experimental and theoretical foundations for expanding the reutilization approaches of copper slag and treating heavy metal pollution by CBIPCs.

含重金属废渣作为一类持久性污染物受到广泛关注，水泥基胶凝材料固化技术是治理重金属污染的一种行之有效的途径，但其具有污染物包容量小、耐久性差等缺点。本项目提出以富含铁氧化物的冶炼铜渣为原料与酸式磷酸盐/磷酸反应制备高强、凝固速度适中的铁系磷酸盐化学键合材料，并用作基体材料通过化学键合、物理吸附及物理包裹三重作用高效、持久固化Pb、Cd、Cr等重金属离子。研究铜渣的理化特性、酸式磷酸盐的种类和掺量、养护方式等因素对铁系磷酸盐化学键合材料性能的影响，通过产物结构表征分析，探索铜渣基铁系磷酸盐化学键合材料的制备机理；对铁系磷酸盐化学键合材料固化Pb、Cd、Cr所得固化体重金属毒性浸出特性进行研究，分析重金属离子在固化体中的微观形貌、结构基团及赋存状态，揭示铁系磷酸盐化学键合材料固化重金属离子机理。预期研究成果将为拓展冶炼铜渣的综合利用途径及铁系磷酸盐化学键合材料治理重金属污染提供实验及理论依据。

化学键合磷酸盐陶瓷是通过常温下金属氧化物与酸式磷酸盐反应形成的一种具有快凝、高强的新型无机胶凝材料，可用于土木工程、重金属及危险废弃物固化等领域。鉴于传统化学键合材料制备成本高及普通胶凝材料固化重金属污染物包容量小等缺点。本项目提出以富含铁氧化物的冶炼铜渣与酸式磷酸盐反应制备高强、凝固速度适中的铁系磷酸盐化学键合材料（Chemically bonded iron phosphate ceramics, CBIPCs），并用作基体材料固化Pb、Cd、Cr等重金属离子。根据任务书的规定，开展了以下主要研究内容：（1）系统研究了酸式磷酸盐的种类和掺量、养护方式等因素对化学键合材料性能的影响。磷酸二氢铵（ADP）与铜渣反应可制备出性能更优的CBIPCs，当CS/ADP=3、硼砂掺量为2%、W/C为0.12时，化学键合材料初凝时间为11.6min，自然养护3 d、28 d抗压强度分别为39.1 MPa、51.9 MPa，具有快硬、早强的特性。（2）通过XRD、FTIR和SEM等对材料结构进行表征分析，铜渣中的Fe2SiO4和Fe3O4与ADP反应，生成了NH4Fe2(PO4)2OH·2H2O、FePO4·2H2O、FeH2P3O10等物质，作为胶凝相把未反应的铜渣颗粒连接在一起，形成致密结构。（3）CBIPCs用于固化重金属Pb、Cd、Cr，其最大固容量可分别达12%、4.5%、8%，相关性能满足危险废物堆存标准要求限值。固化体中重金属转化成更为稳定的磷酸盐相，固化体致密的结构，对重金属形成物理包裹，实现重金属的高效、持久固化。（4）首次制备出铜渣基铁系草酸盐化学键合材料，当CS/OA=3.6时，材料力学性能最高，3天、7天和28天抗压强度分别达到32.6 MPa、40.8 MPa 和 53.3 MPa，其初凝时间为23.6min。生成了FeC2O4·2H2O作为胶凝相物质。