新型磷酸盐固化剂固化高浓度锌铅污染土的机理及长期稳定性试验研究

发布时间：2019-03-14 16:29

【摘要】：高浓度复合重金属污染场地的固化稳定化修复技术,是当今环境岩土工程界研究的热点、重点、难点内容之一。水泥作为常用固化剂,较难满足高浓度复合重金属污染土的固化稳定要求,并且冻融循环、碳化、酸雨浸泡等复杂环境会影响水泥固化污染土的长期稳定性。本文以国家自然科学基金重点项目子课题(No.41330641)、国家高技术研究发展计划(863计划)课题专项子课题(No.2013AA06A206)、国家自然科学基金项目(No.41472258)、江苏省基础研究计划重点项目(No.BK2010060)、江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(No.CXZZ__0159)和东南大学优秀博士学位论文基金项目(No.YBJJ1241)资助为依托,以工业污染场地典型污染物锌(Zn)、铅(Pb)为研究对象,研发新型磷酸盐固化剂(型号KMP)。探讨KMP与Zn、Pb污染物的相互作用机理;阐明冻融循环、碳化、酸雨浸泡等复杂环境作用下KMP固化Zn、Pb污染土的控制机理;明确KMP固化Zn、Pb污染土在冻融和碳化作用下的溶出、强度、生物毒性等变化规律;定量评价酸雨浸泡对KMP固化污染土 Zn、Pb运移特性的影响。主要研究内容和成果如下:(1)系统回顾了国内外固化稳定化技术的应用及研究现状;归纳了传统固化剂的应用现状及局限性;阐明了磷酸盐固化剂固定重金属污染物的性状及控制机理;总结了固化重金属污染土的长期稳定性和评价方法;探讨了降雨作用下固化污染土重金属运移特性研究现状;指出了上述研究中存在和需要解决的问题。(2)介绍了试验材料的基本物理化学性质;提供了磷矿粉酸化方法;给出了 KMP固化剂、污染土、KMP和PC固化污染土,以及人工酸雨溶液的制备方法;列举了微观、溶出、强度以及发光细菌生物毒性等相关试验的内容与方案。(3)明确KMP与Zn、Pb污染物的相互作用机理。针对KMP固化Zn、Pb污染物的X射线衍射结果,采用绝热K值法定量分析主要生成产物的相对含量,并探讨其与KMP固化污染土溶出和强度等变化关系;结合扫描电镜/能谱分析(SEM/EDS),确定主要生成产物在不同初始Zn、Pb浓度时的微观特征和典型区域化学元素质量比。结果表明:含 Zn、Pb 磷酸盐如 Zn3(PO4)2·4H2O、CaZn2(PO4)2·2H2O、和 Pb5(PO4)3F 为 KMP固定Zn、Pb污染物的主要形式,磷酸镁系列产物如Mg3(PO4)2、Mg3(PO4)2·8H2O和MgHPO4·7H2O等为提供固化土体强度的主要来源。(4)阐明复杂环境下KMP固化Zn、Pb污染土的溶出控制机理。通过酸缓冲能力试验、pH-dependent试验以及三步提取溶出试验,分析复杂环境下KMP和PC固化污染土酸缓能力随初始Zn、Pb浓度的变化规律;建立了 KMP和PC固化污染土浸出液Zn、Pb和Ca、Mg相互关系;明确了复杂环境和与浸提液反应后土体Zn、Pb化学赋存形态。结果表明:与PC相比,KMP固化污染土酸缓冲能力β值较高,Zn和Pb在浸出液pH值8～10.5和4～10.5之间溶出稳定且低2～3个数量级,其残渣态含量高约2～3倍。(5)提出复杂环境下KMP固化Zn、Pb污染土的微观机理。通过X射线衍射、电镜/能谱-元素面扫描,以及压汞等微观测试,定量分析复杂环境下KMP和PC固化污染土累积进汞量、高斯函数拟合参数(ai和μi)、孔隙分布特征随初始Zn、Pb浓度的变化规律;探讨碳化作用对固化污染土的主要水化产物及含Zn、Pb化合物的影响;阐述了KMP和PC固化污染土微观形态转变和典型区域化学元素质量比的变化规律。结果表明:冻融循环对固化污染土累积进汞量、孔隙分布影响较大,与PC相比,KMP固化污染土微观机构受复杂环境影响较小。(6)评价复杂环境下KMP固化Zn、Pb污染土的长期稳定性。探讨复杂环境、初始Zn、Pb浓度对KMP和PC固化污染土溶出、强度和生物毒性的变化影响;建立浸出液Zn、Pb溶出浓度与电导率EC值、土体pH值的相互关系;建立强度与干密度、土体pH值的相互关系;明确了冻融循环下土体质量和体积损失率的变化,以及碳化深度演化特征;探明了相对发光强度(I0)及半效应最大浓度(EC50)的变化规律;给出了复杂环境下固化污染土的服役寿命预测方法。结果表明:冻融循环导致固化污染土的Zn、Pb溶出量增加、强度降低、发光细菌毒性升高;碳化作用固化稳定效果相反。与PC相比,KMP固化污染土的抗冻融和碳化能力更强;KMP和PC固化Zn1.5Pb2污染土的服役寿命分别为50年和0.4年,碳化深度分别为0.17 m和0.03 m。(7)明确了复杂环境下KMP和PC固化污染土的Zn、Pb运移特性。通过半动态浸出试验,明确了不同pH值硝酸/硫酸浸提液作用下,经历标准养护、冻融循环及碳化作用的KMP和PC固化污染土 Zn、Pb有效扩散系数(D*)的变化规律;对比浸泡前后固化污染土孔隙分布规律、微观结构形态、以及典型区域化学元素质量比变化规律。结果表明:浸出液pH=5和7的D*值接近,浸出液pH值降低到2时,D*值增高约1到3个数量级,冻融循环可小幅度提高D*值,碳化作用效果相反;与PC相比,KMP固化污染土的D*值低约3到4个数量级,重金属固定效果高。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X53
，

本文编号：2440155