高砷石膏渣协同钢渣固化机理及砷解毒机制研究

Solidification/stabilization (S/S) of high-arsenic gypsum sludge which is a kind of large hazardous waste and the main heavy metal poluttion in the metallurgical industry of heavy non-ferrous metal, has an important meaning to the environmental protection. To solve the problems of high running cost and low durability involed in the traditional S/S process of this sludge, a novel technology of solidification/stabilization of high-arsenic gypsum sludge using steel slag is proposed to enhance the S/S efficiency and durability of matrix on the basis of insight into the key role of CaO and FeOx in the efficient S/S of heavy metals. Disintoxication mechanism of arsenic and S/S mechanism in the S/S of high-arsenic gypsum sludge using steel slag will be revealed in this project. To explore the new method and mode for the disintoxication mechanism of arsenic, steel slag-based binding material design, S/S mechanism of heavy metals in steel slag, influence of steel slag on the arseinc migration, stability of arsenic in matrix and interface reactions of arsenic will be studied in the project by feedback between reaction condition, chemical composition and S/S performance as well as technologies based on theoretical analysis and in situ characterization. Not only the treatment of high-arsenic gypsum sludge but also the treament of other heavy metal waste will be benefited from the successful implementation of this project.

高砷石膏渣是有色重金属冶金中的大宗危险废弃物和主要重金属污染源，对其固化/稳定化处置具有重要环境保护意义。项目针对高砷石膏渣传统固化工艺中存在运行成本高和固化体耐久性差等问题，基于氧化钙和铁氧化物在重金属高效固化中关键作用，提出了钢渣固化高砷石膏渣新思路，以提高高砷石膏渣中重金属的固化效率和长期稳定性。项目拟以钢渣协同固化机理和砷解毒机制为主旨，围绕钢渣基胶凝材料设计、钢渣协同固化重金属机理、钢渣对砷的迁移转化作用规律、砷在固化体中稳定性调控机制、砷的界面化学反应行为等关键科学问题，通过反应条件、物质组成与性能分析之间的相互反馈，结合理论分析和原位表征技术，探索钢渣固化/稳定化高砷石膏渣中砷解毒新方法和新模式。项目的实施不仅对于高砷石膏渣无害化处安全置具有重要意义，而且对于一般重金属固体废弃物的固化/稳定化也具有一定的普适性。

高砷石膏渣是有色重金属冶金中的大宗危险废弃物和主要重金属污染源，在自然界中具有很强的迁移性，极易对环境、资源、人体造成很大的危害。对迁移性较强的高砷石膏渣进行固化/稳定化处置是降低砷污染危害的重要手段。钢渣主要由钙的氧化物和铁的氧化物组成，铁的氧化物可为As、Cr、P等阴离子提供吸附位点，钙的氧化物可以溶解于水体中，从而增加溶液的pH，促进重金属离子形成沉淀去除。为此，本项目重点研究了钢渣协同固化过程中砷的迁移转化规律、高砷石膏渣中重金属的固化效率以及固化体环境稳定性。项目首先通过对高砷石膏渣物相分布和形态分布研究，借助于分子动力学和经典热力学，获得了高砷石膏渣在不同条件下砷的去除效果、砷的迁移转化规律以及水化反应特征。其次，项目通过研究钢渣基胶凝材料制备方法中的钢渣预处理、胶凝组分配比和激发活化方式对固化体强度和砷浸出毒性的影响规律，获得了固化过程中水化产物及微观结构、砷物相组成、砷价态形态、钢渣中物相迁移、重金属吸附、界面化学反应等演变规律。最后，通过开展钢渣胶凝材料协同固化研究，探究钢渣、赤泥、水泥以及高砷石膏渣各组分的掺入比对物理抗压强度和固砷性能的影响效果，最终获得了钢渣协同高砷石膏渣固化机理及砷的解毒机制。在此基础上又开展了石膏渣预处理、胶凝材料优化、加速养护和固化体稳定性研究，获得了钢渣固化/稳定化高砷石膏渣基础理论和技术体系。通过本项目的研究，实现了高砷石膏渣无害化和稳定化的安全处置。钢渣协同固化显示出的优越性能，也揭示出钢渣不仅对于高砷石膏渣具有无害化处置，而且对于一般重金属固体废弃物的固化/稳定化也具有一定的普适性。