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c-s-h对重金属离子的固化及稳定性比较
1间化学置换控制c-s-h的浓度
随着我国工业和经济的发展,从城市和工业生产中排放的固体废废物(pb、cr、cu、zn、as、hg、cd等)对人们的生活环境有重大威胁。水泥窑协同处理技术是有效解决固体废弃物重要途径,研究掌握水泥基胶凝材料对重金属离子吸附固化能力及其变化规律,具有重要理论指导意义。
水化硅酸盐钙(以下简称C-S-H)是CaO-SiO2-H2O系统中存在三元化合物统称,是水泥基胶凝材料主要水化产物,具有极高比表面能和离子交换能力,可通过物理吸附、共生和层间化学置换控制AL、Fe、S及少量K、Na等多种金属阳离子移动,同时对Cd、Pb、Ni、Zn、As等重金属离子有重要的吸附固化作用。其中,C-S-H对Cd2+捕集存在两种形式,即以共沉淀方式形成无定形水化硅酸镉/钙,或与C-S-H发生离子交换;Zn2+在水化过程中与OH-形成Zn(OH)2无定型层,附着在水化颗粒表面,同时也可取代C-S-H中的Ca或其表面Ca反应形成钙、锌的结晶水合物Ca[Zn(OH)3H2O]3,并可进入CSH(I)夹层中;Ni2+可直接进入C-S-H内部,同步辐射X射线吸收光谱(XAS)证明,其可固化在双层氢氧化物层中,与Al结合生成一种化合物;Nd2+在一天内即可在C-S-H内层表面形成反应复合物,且Nd-Ca键和Nd-Si键结合间距随时间延长而增大;Pb2+在水化碱性溶液中溶解度不降反而升高,且Pb(OH)2形成会在水泥颗粒表面形成一层不透水层,阻止水泥进一步水化,很难对Pb2+进行有效固化;但也有研究认为Pb可以取代C-S-H中Ca,并可进入C-S-H结构中与Ca、Si发生键接,能稳定固化在水化产物中;其可以改变C-S-H密度和纳米结构,增强水泥28d抗压强度。
然而,目前人们在C-S-H对重金属离子吸附机制研究方面,多数集中于C-S-H对单一某种离子的固化,而在水化液相中多种重金属离子共存及其离子价态转变时,C-S-H对其俘获能力及稳定性的研究关注较少。本文通过溶液法人工合成C-S-H方法,分析比较了不同钙硅比C-S-H同时对多种重金属离子俘获作用差异及其固化稳定性,以供商榷。
2材料和方法
2.1重金属离子检测
溶液法合成C-S-H所用的硅质原料为化学分析纯Na2SiO3·9H2O,钙质原料为化学纯Ca(NO3)2·4H2O;重金属离子分别为含Cr3+(Cr6+)、Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+化学纯重金属盐试剂;试验用水为去离子水,制备过程中控制其电导率为0.01μs/cm以下,使用前沸煮30min去除溶解性CO2。
2.2样品制备
2.2.1凝胶的对比试验
C-S-H组成和结构具有多样性,钙硅比不同其组成形态存在较大差异。为此,本文通过溶液法化学合成钙硅比不同的两种(C/S=0.8和C/S=1.8)C-S-H凝胶样品进行对比试验。具体方法是,称取一定量Na2SiO3·9H2O溶于去离子水中,分别按一定钙硅比加入适量Ca(NO3)2·4H2O,水固比=10∶1,加入适量NaOH控制溶液pH=13.0,将混合物充分搅拌后在60℃下养护7d,抽滤后用去离子水反复冲洗,洗去未反应的Na+、NO-3,然后用无水乙醇(分析纯)反复冲洗,并在真空干燥箱中烘干,制得C-S-H凝胶空白样品。
2.2.2c-s-h样品的制备
称取等量称取五种化学纯重金属盐试剂共同溶于去离子水中,然后按比例滴入硅酸钠溶液中,并按以上方法制成含的C-S-H样品;重金属盐在C-S-H凝胶中总掺量分别为2%和4%。
2.3微镜和tem
XRD分析采用D/MAX-ⅢA型X射线衍射仪对样品进行测试,扫描角度5°~60°,扫描速度2°/min;SEM采用S4800冷场发射扫描电子显微镜,电流为75mA,电压为15kV,制样采用真空喷金镀膜;TEM采用EMJ2100型透射电镜观测,即将C-S-H样品细磨至200目以下,并将其与无水乙醇均匀混合20min使其充分分散到溶液中,然后将涂有碳膜的超细铜网浸入混合液中15s,让分散后的C-S-H颗粒粘附在铜网上。然后将铜网取出在红外灯下烘干至无水乙醇完全挥发,制样完成进行观测;重金属离子的检测(ICP),利用PLASMASPEC-1型电感耦合等离子发射光谱仪进行。
3测试与分析
3.1重金属离子检测c-s-h晶
C-S-H结晶度较差,多半属于无定形状态,在XRD衍射图中只在0.182nm和0.28~0.32nm处出现一弥散的衍射峰。下图1为掺杂重金属离子前后不同钙硅比C-S-H的XRD衍射分析比较。
由图1可见,Cr3+、Pb2+、Cu2+、Zn2+、Cd2+等多种重金属离子共存时,无论其含量高低,低钙硅比(C/S
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