一种铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料及其用图
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料及其用途，具体涉及一种利用铬铁合金冶炼废渣制备钙系磷酸盐化学键合材料的方法及该材料在作为浇注材料或重金属固化方面的用途，属固废和重金属污染治理技术领域。
【背景技术】
[0002]重金属(如含镉、铅、汞、铜、铬)已经成为对环境污染最严重和人类最大的危害之一，重金属污染可以采用多种不同的技术进行处理，而固化/稳定化技术是国际上处理有毒污染物的主要方法之一，固化/稳定化技术采用固化基材将重金属废物固定或包覆起来以降低其对环境的危害。目前，磷酸盐化学键合材料为最常见的重金属固化基材。
[0003]磷酸盐化学键合材料，由金属氧化物与酸式磷酸盐通过酸碱中和反应形成以磷酸盐为黏结相的无机胶凝材料，研究较为成熟的是镁系磷酸盐化学键合材料，通常由磷酸及磷酸二氢铵、磷酸二氢钾等一种或两种以上的酸式磷酸盐、氧化镁粉、缓凝剂及掺合料等制备而成，在水相介质下可以快速发生反应形成具有类似陶瓷体结构，具有高强、快凝、抗盐抗冻性、耐磨性及而酸腐蚀性等优良性能。磷酸盐化学键合材料最大的优点是体系内的磷酸盐可作为稳定剂与很多重金属反应形成稳定的重金属磷酸盐，再由于材料的内部结构发展相对致密，对重金属浸出的机械阻滞能力较强，因此在治理重金属方面表现出潜在的利用价值。
[0004]镁系磷酸盐化学键合材料的主要原料为氧化镁，而氧化镁成本较高，另外为了减慢凝固速度，通常采用1700°C重烧氧化镁来控制氧化镁的反应活性，能耗非常高。磷酸镁水泥的制备成本严重制约了此类胶凝材料的推广应用。如果能够找到一种价格低廉的富含金属氧化物的原料替代氧化镁，降低此类材料的制备成本，实现工业固体废弃物资源化，同时在重金属污染治理方面提供了新思路，具有一定的环境效益和社会效益，此类技术的开发，将很大程度地拓宽磷酸盐体系胶凝材料的市场及应用前景。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料，其原料组成及重量份为铬铁合金冶炼废渣400?600份、酸式磷酸盐100份、调凝材料4?12份、其它工业废渣10?30份;该材料利用富含钙氧化物的铬铁合金冶炼废渣为原料，与酸式磷酸盐反应制备具有凝固速度适中、高强、后期强度稳定等特性的铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料，相对于镁系磷酸盐化学键合材料，其原料成本大大降低，施工操作性更强。
[0006]所述的铬铁合金冶炼废渣(含钙氧化物不低于40%)，是冶炼铬铁合金过程中排放的富含钙铝氧化物的工业废渣，含质量百分比40?50%的CaO，其主要矿物相为镁蔷薇辉石、钙铝黄长石;铬铁合金冶炼废渣粉磨至粒度小于80μπι。
[0007]所述的酸式磷酸盐为磷酸二氢钾、磷酸二氢铵或磷酸二氢钠中的一种或几种的任意比混合物。
[0008]所述的调凝材料为硼酸或硼砂中的一种或两种的任意比混合物。
[0009]所述的其它工业废渣为粉煤灰或矿渣等富铝、钙质工业废渣(铝氧化物和钙氧化物总含量不低于20%)，是用来改善浇注过程中材料的可塑性以及起到一定的缓凝作用；其它工业废渣粉磨至粒度小于80μπι。
本发明另一目的是将上述铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料应用在替代水泥作为浇注材料中。
[0010]本发明另一目的是将上述铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料应用在重金属固化中，使用时，按铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料与待固化重金属的质量比为1:0.05?0.2的比例，在铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料中添加重金属或含重金属废渣，混匀，然后按铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料与水的质量比为1:0.2-0.4的比例，在混合物中添加水，常温下搅拌混匀后浇注成型、脱模后养护。
[0011]具体过程为先将铬铁合金冶炼废渣及其它工业废渣烘干、破碎、粉磨至小于80μπι，再称取酸式磷酸盐、调凝材料，将以上几种原料混合均匀后，直接将重金属或含重金属的废渣加入到混合料中，充分混合后按计量加入水，在胶砂搅拌机中搅拌均匀后浇注成型，完全凝固后脱模，养护至一定龄期即可。
[0012]通过添加调凝材料和其它工业废渣的量来调节其凝固速度，适宜的凝结时间既可满足施工要求，也能保证材料的早期强度，对其后期强度无显著影响。
[0013]本发明制备铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料的反应体系中的磷酸盐可以和重金属离子反应，形成难溶的磷酸盐，如Pb3(P04)2、Cd3(P04)2等，同时磷酸盐还与铬铁渣反应形成一定量的羟基磷灰石(Ca1Q(PO4)6(OH)2),重金属离子很容易被羟基磷灰石吸附并在表面发生离子交换作用形成重金属羟基磷灰石，如Pb5(P04)30H、Cd5(P04)30H等，进一步将重金属沉淀于晶格中，从而降低重金属的毒性浸出。
[0014]本发明的优点和积极效果:
(1)本发明为钙系磷酸盐化学键合材料的制备提供了一种新方法，与镁系磷酸盐化学键合材料相比，钙系磷酸盐化学键合材料的制备反应过程更为温和，施工性更强；
(2)本发明采用的铬铁渣富含CaO，与酸式磷酸盐反应过程中会生成羟基磷灰石的水化产物，而羟基磷灰石对重金属具有很强的吸附、离子交换等能力，因此该磷酸盐化学键合材料在重金属污染治理上具有很广泛的应用前景；
(3)本发明采用的主要原料为铬铁渣等工业废渣，大大降低了生产成本，另外，铬铁合金冶炼废渣中含有一定量的Cr重金属离子，且大部分的铬铁渣露天堆存，经雨水冲刷，Cr(VI)不断浸出，严重污染厂区周边土壤及水源，而利用铬铁渣制备磷酸盐化学键合材料不仅能解决Cr重金属污染问题，同时还能有效地固化/稳定化其他重金属，如Pb、Cd、Cu、As等，既能实现固体废渣的综合利用，也能实现以废治污。利用铬铁渣制备的基体材料固化/稳定化重金属的效果更好，这意味着不仅实现了固体废渣的综合利用，还实现了“利废治污”环保理念。
[0015](4)铬铁渣基磷酸盐化学键合材料是利用铬铁渣以及其他工业废渣中有效成分与酸式磷酸盐通过化学结合反应使该材料达到硬化，从而产生强度，拓展了工业废渣在磷酸盐水泥工业中的综合利用。与镁系磷酸盐化学键合材料相比，作为浇注材料使用，其具有凝固速度适中、操作性强、早强快硬、粘结力强、体积稳定性好、耐久性好等特性。此外，该浇注材料大量地利用了铬铁渣，降低材料的成本，实现了铬铁渣的综合利用。
【附图说明】
[0016]图1是实施例1铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料XRD图；
图2是实施例1铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料SEM图。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图和实施例，对本发明作进一步的阐述，但本发明的技术内容不限于所述范围。
[0018]实施例1:本铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料的原料组成为铬铁合金冶炼废渣400 g、磷酸二氢钾100 g、硼砂8 g、粉煤灰12 g，其中粉煤灰主要成分的含量为48.96%S12,30.13% Al2O3,4.81% CaO;铬铁合金冶炼废渣粉磨至粒度小于80 μπι，粉煤灰粉磨至粒度小于80 μπι；
将上述铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料用于浇注材料使用，将铬铁渣基钙系磷酸盐化学键合材料600 g与120 g水在常温下搅拌均匀后浇注成型，脱模后在常温下、空气环境中养护，测试其力学性能:凝固时间为45 min时，3d、7d、28d抗压强度分别为18.8 Mpa,30.9Mpa,46.9 Mpa；对该材料进行XRD物相分析，结果见图1，从图中可以看出该材料含有硅酸二钙、镁