电镀污泥基胶凝材料的制备及性质分析

巴 黎 刘志英 徐学骁 康治金 刘 杨 徐炎华#

(1.南京工业大学环境学院，江苏 南京 211800；2.南京工大环境科技有限公司，江苏 南京 210009)

电镀污泥基胶凝材料的制备及性质分析

巴 黎1刘志英1徐学骁2康治金1刘 杨1徐炎华1#

(1.南京工业大学环境学院，江苏 南京 211800；2.南京工大环境科技有限公司，江苏 南京 210009)

将电镀污泥作为混合材料掺到水泥中，取代部分水泥熟料制备电镀污泥基胶凝材料。测定了胶凝材料试样的标准稠度用水量、凝结时间、胶砂流动度、强度等物理性能指标，同时分析胶凝材料试样的微观水化性能与累积孔体积，测定了胶凝材料的重金属浸出浓度。结果表明，在电镀污泥掺量为0.5%(质量分数，下同)时，制备的胶凝材料试样强度达到《通用硅酸盐水泥》(GB175—2007)规定的52.5R级水泥强度标准；在掺量为1.5%、2.5%时，制备的胶凝材料试样强度达到GB175—2007规定的42.5R级水泥强度标准，且重金属浸出浓度满足《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB5085.3—2007)要求。微观测试表明，电镀污泥的掺入使得水化放热总量降低。

电镀污泥 胶凝材料 硅酸盐水泥 强度 掺量

Abstract: Electroplating sludge was added as mixed material into the cement to prepare the electroplating sludge-based complex binder. The water requirement of normal consistency,setting time,fluidity of mortar,strength, and other physical performance indexes of complex binder were detected. The microscopic hydration properties,accumulated pore volume and the leaching concentrations of heavy metals from complex binder were also determined. The results indicated that when the electroplating sludge content was 0.5%(mass ratio),the cement strength could reach 52.5R of “Common Portland cement”(GB 175-2007),when the content was 1.5% and 2.5%,the cement strength could reach 42.5R and the leaching concentrations of heavy metals were lower than the limits of the “Identification standards for hazardous wastes - identification for extraction toxicity”(GB 5085.3-2007). Microscopic tests showed that the incorporation of electroplating sludge reduced the total amount of hydration heat release.

Keywords: electroplating sludge; complex binder; Portland cement; strength;content

电镀业是当今3大污染行业之一。电镀污泥是指电镀企业的废水经过适当处理后所产生的固体废弃物，是典型的危险废物[1]。2014年，江苏省共有产电镀污泥的企业1 532家，电镀污泥产生量从2009年的不到8万t/a增长到2014年的近16万t/a[2]。电镀行业为江苏省经济飞速增长作出了重要贡献，同时也带来了突出的环境问题，如电镀污泥的处置问题。江苏省范围内的电镀企业呈现数量多、分布散、产品杂的特点，监管难度大，存在偷排漏排等问题。同时其产生的污泥重金属含量高，其主要成分为铬、镍、铜等重金属的氢氧化物[3]，对环境易造成巨大危害[4]。毒性较强的电镀污泥，现阶段的处置方法主要为焚烧加填埋对其进行最终处置[5]，资源化利用的案例较少。工业固体废物处置方面的难题一直制约着经济的发展和环境的保护，如何实现电镀污泥的资源化与无害化处置，实现“以废治废”[6]，显得尤为重要。

水泥与电镀污泥进行混合，可以制备出复合型胶凝材料[7]。本研究将电镀污泥作为混合材料掺到水泥中，部分取代水泥熟料制备电镀污泥基胶凝材料，探究电镀污泥对水泥各项性能的影响。水泥可以对电镀污泥中的重金属起到固化作用，在水泥对电镀污泥中重金属起到固化作用的前提下，将电镀污泥与水泥熟料混合制备胶凝材料可以实现电镀污泥的无害化和资源化，虽然电镀污泥的掺量不大，但从长远角度和工业化生产角度分析，具有一定的经济效益和环境效益，实现了污泥的无害化处置和资源化利用，开辟了电镀污泥资源化的新途径。

表1 电镀污泥与水泥成分分析1)

注：1)以质量分数计。

同时，为水泥工业碳减排问题的解决提供新的思路[8]，为解决电镀行业污泥处置难题进行了初步探索。

1 材料与方法

1.1 试验原料

水泥为江南水泥厂提供的Ⅱ型硅酸盐水泥；电镀污泥取自江苏省苏州市某工业园区危废处置中心。电镀污泥与水泥的成分分析见表1。

1.2 胶凝材料制备

将电镀污泥在105 ℃下烘干12 h后粉碎，过100目筛。由前期探索试验得知，当电镀污泥的掺量超过3.0%(质量分数，下同)时，胶凝材料试样成型后不能顺利拆模。所以本试验拟定电镀污泥的掺量为0、0.5%、1.5%、2.5%。按以上的混料方案分别称取水泥与电镀污泥，混合后加入等质量的混料球，在棍磨机上混12 h，保证充分混匀。混合均匀后制成胶凝材料试样，并对4种试样进行物理性能和微观性能测试。

1.3 性能检测方法

1.3.1 物理性能测试

胶凝材料试样的标准稠度用水量、凝结时间测定参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346—2011)进行。

胶凝材料的胶砂强度试验参照《水泥胶砂强度检测方法》(GB/T 17671—1999)进行。

胶砂流动度试验参照《水泥胶砂流动度测定方法》(GB/T 2419—2005)进行。

1.3.2 微观性能测试

水化热测试：使用TAM Air 8通道水泥水化热测定仪测定各试样至少70 h的胶凝材料水化放热行为。

累积孔体积测定：利用PoreMaster GT60压汞仪对胶凝材料试样水化3 d的累积孔体积进行测试。

1.3.3 重金属浸出毒性检测

根据《固体废物 浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》(HJ/T 299—2007)对各胶凝材料进行重金属浸出，采用PE5300DV电感耦合等离子直读光谱仪测定浸出液的重金属浓度。

2 结果与讨论

2.1 胶凝材料的物理性能

各试样的物理性能测试结果如表2所示。由表2可知，掺入电镀污泥增大了胶凝材料的标准稠度用水量。当电镀污泥掺量增加到2.5%时，胶凝材料的标准稠度用水量相比掺量为0时增加了22.29%。电镀污泥的加入，使得混料中的矿物组分变得更复杂，试样的标准稠度用水量变大。胶凝材料的标准稠度用水量与水泥熟料里含有的矿物组成及混料的种类有很大的关系[9]。HASSANI等[10]研究水泥固化含有重金属的土壤时发现，含有重金属的土壤显著降低了水泥的早期强度，水化28 d后的强度仅为45.0 MPa。

电镀污泥的掺入对胶凝材料的凝结时间存在明显影响。由表2可见，试样的初凝、终凝时间随着电镀污泥掺量的增加逐渐增加。当电镀污泥掺量达到2.5%时，其初凝、终凝时间分别为292、365 min，均达到最大值，但此时依然满足《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)中规定的初凝时间不小于45 min，终凝时间不大于390 min的要求。电镀污泥和硅酸盐水泥复配，初凝、终凝时间随着电镀污泥掺量的增加逐渐增加，这说明了电镀污泥的加入使得早期水化相互排斥。

表2 电镀污泥掺量对胶凝材料标准稠度用水量、凝结时间、胶砂流动度的影响

表3 各胶凝材料试样的胶砂强度

GB 175—2007明确指出，对复合硅酸盐水泥的强度而言：水化3 d≥19. 0 MPa，水化28 d≥42.5 MPa时，水泥的强度等级为42.5R级；水化3 d≥23.0 MPa，水化28 d≥52.5 MPa时，水泥的强度等级为52.5R级。本试验中各胶凝材料的胶砂强度如表3所示。

由表3可知，电镀污泥掺量为0.5%时，胶凝材料试样强度符合GB 175—2007 中规定的52.5R级水泥标准；电镀污泥掺量为1.5%、2.5%时，胶凝材料试样强度符合GB 175—2007 中规定的42.5R级水泥标准。从相同龄期的强度来看，随着电镀污泥掺量的不断增加，其强度大体呈降低趋势，但降低后仍可达到42.5R的强度等级。

2.2 胶凝材料的微观分析

2.2.1 水化热分析

图1、图2分别为掺入不同掺量电镀污泥的胶凝材料72 h内的水化放热速率及累积放热量。图1的早期水化溶解峰主要是钙矾石、游离氧化钙、硫酸盐沉淀引起的放热。放热主峰主要是由水泥中硅酸三钙的水化放热引起的。由图2可以看出，掺量为0时72 h内的累积放热量为275.4 J/g，而掺量为2.5%时的放热量则降低到255.7 J/g，体系的累积放热量随着电镀污泥的掺量增加而减小。电镀污泥的加入会降低胶凝材料试样的放热总量。

图1 各胶凝材料试样的水化放热速率Fig.1 Hydration heat release rate of complex binder samples

图2 各胶凝材料试样的累积放热量Fig.2 Cumulative heat release of the complex binder samples

2.2.2 累积孔体积分析

图3为胶凝材料试样的累积孔体积分布曲线。由图3可知，随着电镀污泥掺量的增加，胶凝材料试样的累积孔体积逐渐增加。当电镀污泥掺量为2.5%时，胶凝材料试样的累积孔体积相比掺量为0时增加了86.7%。电镀污泥加入增加了试样内孔体积，而这些孔的存在不利于试样强度的增加，这与强度测试所得的趋势是一致的。

图3 各胶凝材料试样的累积孔体积曲线Fig.3 Accumulated pore volume curve of the complex binder samples

2.3 重金属浸出毒性分析

污泥中的重金属元素能否固化在水泥中是污泥能否用来制备胶凝材料的决定性因素之一，如果污泥中含有的重金属元素不能固化在水泥中，在自然环境下易被浸出，将会对环境产生危害，并且对人类健康带来威胁，这将对利用电镀污泥制备胶凝材料产生极大限制。

对电镀污泥掺量为2.5%的胶凝材料水化28 d后的试样和污泥原样进行浸出分析，重金属浸出结果如表4所示。由表4可知，电镀污泥掺量达到2.5%时的胶凝材料其重金属浸出浓度均满足GB 5085.3—2007的要求。由于电镀污泥掺量较小且胶凝材料对电镀污泥中重金属起到一定固化作用[11]，在掺量相对较低的情况下，此胶凝材料中的重金属在实际应用中不易被浸出。

表4 重金属浸出结果1)

注：1)ND表示未检出；标准限值为《危险废物鉴别标准 浸出毒性鉴别》(GB 5085.3—2007)规定的限值。

3 结 论

(1) 物理测试结果表明，胶凝材料的标准稠度用水量、凝结时间随着电镀污泥掺量的增加而增加。掺量为2.5%时，胶凝材料的标准稠度用水量相比掺量为0时增加了22.29%，凝结时间达到最大，初凝时间为292 min，终凝时间为365 min。强度随着电镀污泥掺量的增加而大致呈降低趋势。掺量为2.5%时，强度达到最小值。

(2) 水化热分析表明，随着电镀污泥掺量的增加，累积放热量降低。累积孔体积测试表明，电镀污泥的掺入增大了胶凝材料试样内孔体积。

(3) 重金属浸出毒性分析表明，电镀污泥掺量达到2.5%时制备的胶凝材料其重金属浸出浓度均满足GB 5085.3—2007要求。

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Preparationandpropertyanalysisofelectroplatingsludge-basedcomplexbinder

BALi1，LIUZhiying1，XUXuexiao2，KANGZhijin1，LIUYang1，XUYanhua1.

(1.SchooloftheEnvironment,NanjingTechUniversity,NanjingJiangsu211800；2.NanjingGongdaEnvironmentalTechnologyCo.，Ltd.,NanjingJiangsu210009)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.017

2016-11-04)

巴 黎，女，1992年生，硕士研究生，研究方向为固体废弃物资源化。#

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