电石渣-稻壳灰固化铜污染土抗压强度及环境特性研究.pdf
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1、第 20 卷 第 8 期2023 年 8 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 8August 2023电石渣-稻壳灰固化铜污染土抗压强度及环境特性研究李丽华1,2,韩琦培1,2,肖衡林1,2,李文涛1,2,周鑫隆1,2,张鑫1,2(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院,湖北 武汉 430068;2.湖北省生态道路工程技术研究中心,湖北 武汉 430068)摘要:为解决铜污染土劣化土体强度及破坏生态环境等问题,提出利用电石渣(CCR)和稻壳灰(RHA)2种固体废弃物对重金属铜污染土进行固化/稳定
2、化。基于无侧限抗压强度试验、毒性浸出试验(TCLP)及微观结构分析,研究不同固化剂配比、龄期及污染物浓度等因素对固化土抗压强度和浸出性影响规律,并分析其微观结构变化。研究结果表明,电石渣稻壳灰可以显著提升污染土强度和降低铜浸出率,固化前期电石渣稻壳灰配比为3 7时固化强度最高,当养护龄期为60 d时,固化剂配比为5 5时提高固化样力学效果最优,且抗压强度随铜含量增加而先略有升高后大幅降低,高铜含量对固化土强度劣化明显。当初始铜含量为10 000 mg/kg以下时,固化后铜浸出浓度低于安全浸出标准。固化剂配比对铜离子固化效果在低初始铜含量下无明显差异,在高初始铜含量下,电石渣和稻壳灰配比为4 6
3、固化效果更优。经固化剂处理后污染土pH值显著增大,且随着pH升高,浸出浓度呈现先减小后增大的趋势,与氢氧化铜理论溶解度曲线趋势大致相同。电石渣稻壳灰固化污染土主要产物呈现为硅酸钙水合矿物,有利于降低铜的浸出率,填充土壤孔隙,提高骨架结构,对铜离子具有吸附和离子置换作用。关键词:电石渣;稻壳灰;固化;铜污染土;抗压强度;浸出浓度;微观机制中图分类号:TU443 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)08-2878-11Compressive strength and leaching characteristics of copper co
4、ntaminated soil solidified by calcium carbide residue-rice husk ashLI Lihua1,2,HAN Qipei1,2,XIAO Henglin1,2,LI Wentao1,2,ZHOU Xinlong1,2,ZHANG Xin1,2(1.School of Civil Engineering,Architecture and Environment,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;2.Hubei Ecological Road Research and Engi
5、neering Center,Wuhan 430068,China)Abstract:To solve the problems of deteriorating soil strength and contaminating environment caused by copper contaminated soil,two solid wastes,including carbide slag(CCR)and rice husk ash(RHA),were proposed to solidify/stabilize the heavy metal copper contaminated
6、soil.Based on the unconfined compressive test,toxicity characteristic leaching procedure(TCLP)and microstructure analysis,the laws of different curing agent ratios,收稿日期:2022-08-29基金项目:国家自然科学基金资助项目(52278347,52108315);湖北省重点研发计划项目(2022BCA059);湖北工业大学杰出人才基金资助项目(XJ2021000501)通信作者:肖衡林(1977),男,湖南衡阳人,教授,博士,从
7、事道路工程和生态岩土等方面的研究;Email:xiaohenglin_DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221672第 8 期李丽华,等:电石渣-稻壳灰固化铜污染土抗压强度及环境特性研究ages and pollutant concentrations governing the compressive strength and leachability of cured soil were investigated and its microstructure changes were analyzed.The results show that calcium ca
8、rbide residue-rice husk ash can significantly improve the strength of contaminated soil and reduce the leaching rate of heavy metal copper.The highest strength occurs when the ratio of calcium carbide residue-rice husk ash is 37 at the pre-curing stage.When the curing age is 60 days,the curing agent
9、 ratio of 5 5 is optimal in improving the mechanical effect of curing sample.The compressive strength increases slightly with copper content and then decreases significantly,high copper content on the strength of cured soil deterioration is obvious.When the initial copper content is below 10 000 mg/
10、kg,the cured copper leaching concentration is lower than the safe leaching standard.There is no significant difference between the curing agent ratio and copper ion fixation effect at low initial copper content,and the fixation effect is better at high initial copper content with a 46 ratio of calci
11、um carbide residue and rice husk ash.The pH of the contaminated soil increases significantly after treatment with the curing agent,and the leaching concentration shows a trend of first decreasing and then increasing with the increase of pH,which is approximately the same as the trend of the theoreti
12、cal solubility curve of copper hydroxide.The main product of calcium silicate hydrated minerals presented by calcium carbide residue-rice husk ash curing contaminated soil is beneficial to reduce the leaching rate of copper,fill soil pores,improve the skeletal structure,and have adsorption and ion r
13、eplacement effects on copper ions.Key words:calcium carbide residue;rice husk ash;solidification;copper contaminated soil;compressive strength;leaching concentration;microscopic mechanism 重金属污染已经成为全球性的重要环境问题。长期以来,土壤污染对人类健康和环境产生巨大危害。研究表明,土壤中过度重金属积累污染会危害人类健康,重金属污染能够导致土壤性质改变,造成土体结构破坏1。调查结果显示,铜作为主要污染物之一
14、,其污染物点位超标率为2.1%2,土壤中铜污染积累对生态环境造成了巨大的危害。因此,需用土壤修复技术进行治理以减少重金属带来的风险和危害。固化/稳定化是最常用的土壤修复方法之一,已被证明是有效、方便、低成本的修复方法3。土壤中的重金属通过胶凝物质被物理和化学方法固化或转化为其他物质,不仅降低土壤中重金属的流动性、生物有效性和毒性,还提升土壤强度及其他工程特性,处理后的土壤可实现公路建设中再利用,具有良好的研究意义及应用前景。土壤稳定的目的是保护土地资源,将污染土地变废为宝,减少对人类和环境的危害。目前,在固化/稳定化技术中,常用的固化剂为水泥、石灰等材料,但其生产过程中表现出能源消耗大、增加氮
15、氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)和一氧化碳等污染物排放量,且水泥厂排放的污染物会导致金属污染土壤等问题4,因此,亟需寻求绿色可持续且稳定性好的固化材料。全世界每年产生近1.5亿吨废稻壳,这些废弃的稻壳造成了严重的环境问题。稻壳灰(RHA)是稻壳在进行能源化利用时产生的固体废弃物,存在大量的生物硅,并表现出良好的火山灰反应活性5,具有用作胶凝材料的潜在价值。火山灰物质本身不能发生凝硬反应,但在水的参与下可以被碱性物质激发6,水泥水化生成的氢氧化钙可以激发火山灰物质生成水化硅酸钙(C-S-H)凝胶,C-S-H 凝胶不仅能填充土壤中孔隙提高土壤密度,还可以有效固化/稳定污染物。电石渣(CCR)是
16、工业废渣的一种,主要用于生产乙炔、PVC、醋酸乙烯、聚乙烯醇等产品7。电石渣堆积会侵蚀土壤,造成土壤和地下水的碱性化,破坏生态环境。但电石渣钙质资源含量丰富,且具有颗粒分散好、比表面积大、孔隙结构大、溶解速度较快和热分解温度低等特点,被认为是潜在的钙基资源,可用于环保治理7。有研究表明电石渣和稻壳灰共同作用可提高土壤强度8。李丽华等910通过三轴试验等室内土工试验研究稻壳灰加筋黏土强度特性,得出在10%15%稻壳灰掺量下2879铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 8月抗剪强度较优;通过无侧限抗压试验和微观试验得到稻壳灰和水泥在固化镉重金属污染土方面表现良好。LIU等8提出稻壳灰和电
17、石渣胶结材料固化膨胀土,研究结果表明加入电石渣和稻壳灰后,固化土样抗压强度、黏聚力和内摩擦角显著提高,并建议电石渣和稻壳灰复合固化剂掺量为 15%。CHIU等11通过动态浸出试验研究稻壳灰和水泥固化铜锌重金属淤泥土浸出特性和孔隙率,研究表明固化剂含量增加对铅的固化作用显著,与仅使用水泥处理的样品相比,加入稻壳灰显著降低了含铅和铜固化土样的扩散系数。OLUWATUYI等12通过淋滤和分批平衡吸附试验研究石灰-稻壳灰为1 2时固化铅或萘污染红土的环境性能,研究表明浸出液中的铅浓度在允许标准限值 5 mg/L 以下。HORPIBULSUK 等13研究电石渣(CCR)和粉煤灰(FA)稳定粉质黏土的强度
18、特性,发现CCR和FA的混合物可以代替普通硅酸盐水泥用于土壤稳定。LI等14研究了电石渣和磨细高炉矿渣代替普通硅酸盐水泥稳定淤泥土,结果表明,最优配比固化剂稳定淤泥土的无侧限抗压强度是相应水泥稳定淤泥土的24倍。陈永贵等15利用电石渣、偏高岭土制备地聚合物,通过毒性浸出试验对铜污染土进行固化/稳定化处理,分析固化剂掺量对淋滤特性的影响规律,结果表明电石渣掺量为2%,偏高岭土掺量为5%时,地聚合物对铜污染土的固化效果最好。目前,结合电石渣和稻壳灰2种固废材料,探讨这种复合固化剂修复重金属污染土方面的研究较少。本文对电石渣-稻壳灰固化重金属铜污染土展开研究,分析固化剂配比、养护龄期和污染物浓度对固
19、化土抗压强度和浸出特性的影响规律,利用微观结构分析(SEM)和物相分析(XRD)探究强度和浸出特性变化机理,揭示电石渣稻壳灰固化铜污染土的工程特性影响规律及其作用机制。1 试验材料与方法1.1试验材料试验所用土取自武汉市江夏区某基坑,取土深度 45 m,呈黄褐色,硬塑状态,pH 值为 4.7(固液比为1 1),试验前将土烘干破碎过2 mm筛。依据土工试验方法(GB/T 501232019)测定土的主要物理性质指标,其基本物理指标如表1所示。试验所用固化剂为电石渣和稻壳灰,稻壳灰由武汉某生物质能发电厂 600650 内低温焚烧而成,外观为黑色粉末状,平均粒径为17.3 m,比重为1.7。电石渣取
20、自巩义市某净水厂废料场,外观为灰色粉末状,有一定刺激性气味,平均粒径为61.9 m,比重为1.9。稻壳灰和电石渣的化学组成及百分含量如表2所示。污染物由硝酸铜Cu(NO3)2和去离子水配制而成,硝酸根离子对所选用固化剂水化反应干扰较小,且硝酸铜溶解度和离子活性较高15。上述试验材料如图1所示。1.2试验方案试样制备:依据土工试验方法标准(GB/T 501232019)对素土和固化土样进行轻型击实试验,数据结果如图2所示。依据击实试验所得最优含水率称取去离子水,将硝酸铜 Cu(NO3)2试验设计量加入去离子水中,用磁力揽拌器进行充分溶解,将搅拌均匀的重金属溶液与过筛土样搅拌均匀密封后静置24 h
21、;根据表3试验方案将固化剂与人工制备污染土称重并混合均匀密封静置4 h;以击实试验所得最大干密度的 95%,采用一次压制表1试验用土基本物理指标Table 1Basic physical property index of soil in tests天然含水率/%21.8塑限/%24.8液限/%50.9塑性指数26.1比重2.7表2 电石渣、稻壳灰的化学成分分析Table 2 Composition and relative percentage of oxide in calcium carbide residue and rice husk ash样品名称CCRRHA质量百分数/%CaO9
22、3.91.3SiO21.691.5Fe2O30.40.1Al2O31.20.2MgO0.20.5SO31.51.0烧失量25.93.8(a)土;(b)稻壳灰;(c)电石渣图1试验材料Fig.1Materials2880第 8 期李丽华,等:电石渣-稻壳灰固化铜污染土抗压强度及环境特性研究成型法制备50 mmH100 mm圆柱形试样,用千斤顶静压成型,成型后用千斤顶将试样从模具内推出,脱模后将试样包裹保鲜膜,密封,在标准养护室(养护温度为 222,相对湿度在 95%以上)中养护至相应龄期。试验方案:参考土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准(GB 366002018),本试验设计重金属铜污染浓
23、度为1 000,5 000,10 000和20 000 mg/kg(重金属掺量与干土质量比值),试样养护龄期为 7,28 和 60 d。具体试验方案如表 3所示。1.3试验方法对固化试样进行无侧限压缩试验(UCST),使用WDW-10E型微机控制电子万能试验机,轴向应变速率为1 mm/min,强度达到峰值停止试验。收集UCST中破碎试样,根据固体废弃物醋酸缓冲溶液法进行毒性浸出试验,对浸出试验中的上清液进行pH测试,用FZ系列翻转式振荡器进行振荡,转速 30 r/min 振荡 18 h,去离子水稀释17.25 mL冰醋酸至1 L作为浸提剂,稀释后的浸提剂 pH 为 2.640.05,振荡结束后
24、静置,0.45 m 滤头过滤上清液,在4 下保存。ICP-OES测定浸出液中铜离子浓度。土壤的pH测试依据美国ASTM D4972-1316规范进行操作。称取固化土样 10 g 和蒸馏水 10 mL(水土比为1 1),用搅拌棒混合均匀后静置1 h,用PHS-3DW型微机型酸度计进行pH测试。剩余样品用真空冷冻干燥机进行干燥,通过X射线衍射(XRD)试验和扫描电子显微镜(SEM)试验对干燥样品进行分析。X射线衍射仪分析线性度0.030,分辨率0.130,重复性0.002 0。扫描角度1080(2),扫描步长0.02,扫描速度5()/min。2 试验结果与分析2.1无侧限抗压强度强度是研究固化土性
25、能的一项重要指标,图3为无污染条件下电石渣稻壳灰固化土的无侧限抗压强度变化规律。从图3可以得到,随着养护龄期增加,固化土强度不断增大,5组固化剂中,固化前期无侧限抗压强度增幅无明显差异,7 d龄期时仅固化剂配比为3 7固化样强度满足规定的强度要求17,在28 d时均达到了350 kPa,说明电石渣和稻壳灰之间发生火山灰反应以及水化反应,导致固化样硬化和强度增长。养护龄期在60 d时强度显著增强,5 5配比时强度增长到了1.5 MPa,表明电石渣提高了固化土的后期强度。此外,养护龄期对强度增长影响较大,固化土强度在不同龄期下均呈持续升高的趋势,从28 d至60 d,涨幅约为9.2%114.8%,
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