沸石改性粉煤灰地聚物水泥及固化Pb(II)的研究

摘 要：類似沸石結構的地聚物水泥，是沸石的前驅物，能很好的固化重金屬廢物的材料。加入天然沸石改性地聚物水泥，通過N2 吸附試驗試驗、靜態(tài)吸附試驗以及浸出試驗來證明沸石對地聚物水泥性能的影響，結果證明：適當?shù)膿郊臃惺梢愿纳频鼐畚锼嗫捉Y構，使地聚物水泥孔隙率和平均孔徑顯著下降，比表面積增大。并且吸附pb2＋能力增強，固化pb2＋的能力增強。

關鍵詞：沸石；粉煤灰；地聚物水泥；鉛

中圖分類號：X705 文章標識碼：A 文章編號：

　　地聚物水泥是堿激發(fā)富含Si、Al 物質而形成三維網狀結構、無定形或半結晶硅鋁酸鹽膠凝材料[1,2]，被看作是某種類似合成沸石的無定形物質[3]，它的基本結構單元是(-Si-O-Al-),(-Si-O-Al-O-Si-O-) 或者(-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O-)。它有很多的優(yōu)良的性質，尤其地聚物水泥沸石骨架具有吸附性[1,4]。許多研究者[5-9]都在研究應用它進行固化含有重金屬離子的廢物。

　　環(huán)境污染是世界性嚴重問題，含重金屬離子的廢物是導致環(huán)境污染的主要因素之一。鉛的工業(yè)污染來自礦山開采、冶煉、橡膠生產、染料、印刷、陶瓷、鉛玻璃、焊錫、電纜及鉛管等生產廢水和廢棄物。鉛并非生命活動所必須的元素，鉛及其化合物對人體有較大毒性，并可在人體內積累，有致癌性，被認為是對人體發(fā)育和生殖有不良影響的化學物質之一。

本文通過改性地聚物水泥，研究改性后的地聚物水泥水化產物對pb2+吸附性能和固化含有pb2+的廢物的能力。

1 實驗

1.1 原料及設備

　　粉煤灰，濕排灰，四川省江油電廠；沸石，產地山東；激發(fā)劑A，市售；水玻璃，工業(yè)級，模數(shù)M＝3.16， w(SiO2)＝33％，濃度ρ=43.8％，產地四川。乙酸鉛（C4H6O4Pb·3H2O），（分析純，成都聯(lián)合化工）；鹽酸（分析純，成都欣海興化工試劑廠）；A(分析純，成都海興化工試劑廠)。粉煤灰和沸石主要化學組成見表1。

　　分析天平（精度為0.0001g，AL104，METTLER TOLEDO），原子吸收分光光度計（GGX—800，北京科創(chuàng)海），恒溫水浴鍋（HH—28s，金壇環(huán)保儀器廠），水浴恒溫振蕩器（HZS-H，哈爾濱市東聯(lián)電子技術開發(fā)有限公司），離心分離機（HERMLE Z323，德國），NOVA3000 N2 吸附法分析儀（美國康塔）。

表1 天然沸石、粉煤灰化學成分及含量（wt%）

Table1 Chemical component and content of zeolite and fly ash

1.2 試驗方法

　　配方如表2，試驗分別用改性后的粉煤灰基地聚物水泥（以下簡稱為改性）、未改性的粉煤灰基地聚物水泥（以下簡稱為未改性），參考《GB1346–2001》[10]，以標準稠度，在 20mm×20 mm×20 mm 的鋼制模具中進行澆注成型，振動以排出微小氣泡，振實后刮平樣品表面，在常溫下（25±1℃）養(yǎng)護至一定齡期。將壓碎試塊用無水乙醇終止水化，然后真空干燥。用N2吸附法分析儀測得粉煤灰地聚物水泥樣品的孔隙率、平均孔徑和比表面積。

表2 地聚物水泥的配方

Table2 Formulas of the geopolymers hydrated paste powder

1.3 靜態(tài)吸附量的測定

　　精確稱取上述水泥0.1000g粉體若干份，分別加入盛有50ml一定濃度的乙酸鉛溶液的錐形瓶中,加橡膠塞密封，將錐形瓶置于振蕩器上振蕩2h后(振蕩頻率為60次/min)，靜置。以后每日早中晚各振蕩30min。按設計時間將固液相離心分離（轉速10000r/min），用移液管取一定體積的離心分離液。用原子吸收分光光度計光譜儀測定。

1.4 固結體中重金屬浸出毒性

　　試驗分別用改性、未改性的粉煤灰基地聚物水泥固化陽離子質量比為1％的乙酸鉛，養(yǎng)護28d。固化體的浸出實驗按照《GB 5086. 2-1997》[11]，取10 g干基于200 mL聚乙烯瓶中，加入100 mL去離子水（液固質量比為10∶1)，蓋緊瓶蓋后固定于水平振蕩器上，室溫下振蕩8 h，取下靜置16 h后用中速濾紙自然過濾，收集全部濾液即浸出液, 按照《GB/T15555.2－1995》[12]用原子吸收分光光度計測定濃度。

2 結果分析及討論

2.1 沸石對地聚物水泥孔結構的影響

　　測得粉煤灰地聚物水泥樣品的孔隙率、平均孔徑和比表面積（見表3），并測出孔徑分布（見圖1）。其中分析了養(yǎng)護28d 以后以添加沸石的改性地聚物水泥和不添加沸石合成的地聚物水泥。

表3 地聚物水泥N2 吸附測試結果

Table 3 Test results of adsorption N2

　　從表1 中可以看出，添加天然沸石確實改善了地聚物水泥的微孔結構?？紫堵屎推骄讖斤@著下降說明了材料結構均一化程度增強，也更加密實。并且比表面積增大。在圖1 中，可以看出添加沸石以后使直徑小于15nm 的孔增多，而較大直徑有害孔減少?？赡苁欠惺艹洚斘⑿〖希龠M地聚物水泥水化，使體系更加密實，水化程度更好，比表面積更大。

圖1 孔徑累積分布圖

Fig.1 Pore volume cumulative distributing

2.2 吸附對比

　　粉體1（未改性地聚物水泥＋6％沸石粉）、粉體2（改性粉煤灰地聚物水泥）兩種不同吸附劑在相同溫度下（298K）、在同一濃度（0.001mol/L）、相同ph值（ph＝6）下，吸附pb2＋吸附平衡曲線分別如圖2所示。

　　對pb2＋吸附達到動態(tài)平衡時，粉體1吸附量分別為0.750mmol·ml-1，粉體2吸附量分別為0.792mmol·ml-1。

　　兩種粉體吸附劑吸附過程比較相似，大體分為三個階段[13]：第一階段為快速吸附階段，主要是外表面吸附；第二階段為緩慢吸附階段,主要是內表面吸附；第三階段為動態(tài)平衡吸附階段，Pb2＋吸附和解吸達到動態(tài)平衡。不同的是粉體2在第二階段吸附時間較長、吸附量也較大，可能因為沸石改性后生成物的比表面積較大。

2.3 固化重金屬實驗

　　由表4可知，兩種地聚物水泥對Pb2+重金屬離子的浸出濃度均小于3ml/L，小于《GB5085.3-1996》[14]中的要求，并且捕集效率均在99%以上。改性后的地聚物水泥固化Pb2＋的浸出濃度更低，捕集效率更高。

表4 28 d 齡期2 種固化體的可浸出毒性

Table 4 Heavy metals leaching toxicity of three solidification bodies on 28 days(mg/L)

3 結論

　?。?）N2吸附試驗分析證明，通過沸石改性后的地聚物水泥孔隙率和平均孔徑顯著下降，并且比表面積增大。

　　（2）通過靜態(tài)吸附試驗證明改性以后的地聚物水泥吸附性能更好。

　?。?）改性后的地聚物水泥水化固化Pb2+能力更強，浸出濃度低、捕集率高。

參考文獻

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(Southwest University of Science and Technology, Mianyang of Sichuan Prov. 621002, China )

Abstract: Geopolymers that is like zeolite in the structure is the precuror of zeolite, and is consider to be a good material of solidification the heavy metal waste. Geopolymers is modified by the Natural Zeolite. The experiment of adsorption of N2, adsorption of lead-ion and leaching toxicity test were analysed. We conclude that adding zeolite to geopolymers can improve the structure of the pores, reduce the pore porosity and average aperture, and reinforce the capability in adsorption and solidification Pb2+.

Keywords: zeolite; fly ash; geopolymers; lead