一种高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料及制备方法技术

本发明专利技术提供一种高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料及制备方法，该材料包括以下重量份的原料：0～33.1份垃圾飞灰，17～44.7份矿粉，4.1～10.3份硅灰，14.5份细砂，16.7份碱激发剂，12.6份水，1.1份PE纤维，1.5份减水剂，该制备方法包括以下步骤：配制碱激发剂备用；称取相应重量份的垃圾飞灰、矿粉、硅灰、细砂以及减水剂加入搅拌锅中搅拌得到混合物一；称取相应重量份的水和碱激发剂加入混合物一中进行搅拌，得到的混合物二；加入1.1份PE纤维至混合物二中，并搅拌对PE纤维进行分散处理，至纤维分散均匀，得到高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料的浆体；将浆体注入模具中，轻轻振捣，用保鲜膜包裹在室温养护后拆模，将试件放入养护箱中养护后取出，在室温下养护成型。

A High Ductility Consolidated Heavy Metal Alkali-activated Slag Matrix Composite and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料及制备方法
本专利技术属于环境保护
，具体涉及一种高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料及制备方法。
技术介绍
随着以人为本理念的深入和发展，加之我国城市垃圾带来的污染问题日益严重，人们生活与环境恶化之间的矛盾日益突出。城市固体废弃物成为环境污染的主要原因之一。固体废弃物产生源头分散、且产量巨大、组成成分、形态与性质复杂多变、甚至含有燃烧、爆炸、放射、腐蚀、传染或致病等有害物质，还可能含有污染物富集的生物。这些因素导致了固体废弃物的处理变得越来越棘手。并且处理的过程仍然会对资源、生态环境、人民身心健康造成危害。城市垃圾焚烧是一种被普遍接受的处理方案，焚烧处理可全天候操作，不易受天气等条件影响。可将垃圾的质量和体积大约分别减少70％和90％，节约大量填埋场占地，并且有效的消灭垃圾中的病原体。由于其成本底、处理工艺简单，目前被各城市广泛应用。然而，焚烧后的焚烧灰即垃圾飞灰(Incinerationflyash,IFA)，仍然需要通过填埋处理。垃圾飞灰含水率非常低，一般呈浅灰色粉末状，飞灰颗粒大小不均匀、结构和性质复杂多变，多以无定型态和多晶聚合体结构的形式存在，飞灰颗粒粒径一般小于100μm，且其表面粗糙，具有较大的比表面和较高的孔隙率。垃圾飞灰的化学组成成分包括Cl、Ca、K、Na、Si、Al、O等元素，主要化学成分为CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3。另外，垃圾飞灰常含有较高浓度的重金属，如Hg、Pb、Cd、Cu、Cr及Zn等，这些重金属主要以气溶胶小颗粒或富集于飞灰颗粒表面的形式存在，同时在垃圾飞灰中还含有少量的二噁英和呋喃，这些污染物容易被水浸出，对飞灰进行填埋处理，很容易对地下水体、土壤进行二次污染，进而危害到动植物以及人体的健康。因此垃圾飞灰具有很强的潜在性危害。目前，垃圾飞灰的安全处置主要是依靠固定化技术或稳定化技术处理后，在危险废物填埋场进行填埋处理；或者进行安全填埋处理，就是将垃圾飞灰在现场进行简单处理后，送入安全填埋场进行安全填埋处理，但是安全填埋场的建设和运行费用极高，使大多垃圾焚烧厂难以承受，因此对该方法使用和推广具有一定的阻碍和局限性。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够解决现有城市垃圾焚烧处理技术中垃圾飞灰填埋和重金属二次污染等问题的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料及制备方法。本专利技术提供了一种高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料，具有这样的特征，包括以下重量份的原料：在本专利技术提供的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，垃圾飞灰的重量份为5.5～22.0份。在本专利技术提供的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，垃圾飞灰中具有Ca2+、Cl-、Pb、Zn、Cu、Cd以及Cr，Ca2+的质量百分比为27.59％，Cl-的质量百分比为16.80％。在本专利技术提供的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，细砂采用细河砂，并采用孔径0.710mm的标准筛筛分处理，细砂的最大粒径小于300μm，且粒径在200μm以下的颗粒超过99％，粒径小于50μm的颗粒超过50％，细砂的体积平均粒径为23.75μm。在本专利技术提供的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，碱激发剂由固体氢氧化钠和硅酸钠溶液组成，固体氢氧化钠和硅酸钠溶液的质量比为3.0:13.7，且硅酸钠溶液的模数为3.3。在本专利技术提供的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，PE纤维的直径为24μm，长度为12-18mm。在本专利技术提供的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料中，还可以具有这样的特征：其中，减水剂采用聚羧酸系152高效减水剂。本专利技术还提供了一种高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：步骤1，按3.0:13.7的质量比将NaOH固体加入预先称量好的硅酸钠液体中，迅速搅拌均匀制成碱激发剂，然后将搅拌均匀的碱激发剂连容器一起放入冷水中进行冷却，待其完全冷却后，备用；步骤2，称取0～33.1份垃圾飞灰、17～44.7份矿粉、4.1～10.3份硅灰、14.5份细砂以及1.5份减水剂加入搅拌锅中，在公转为65r/min，自转为140r/min的速度下干搅3min至原材料充分混合均匀，得到混合物一；步骤3，称取12.6份水和16.7份碱激发剂加入搅拌锅中的混合物一中，在公转为130r/min，自转为300r/min的速度下搅拌，直至搅拌得到的混合物二不结团成块，且具有流动性即可；步骤4，加入1.1份PE纤维至混合物二中，并保持快速搅拌对PE纤维进行分散处理，至纤维分散均匀，即得到高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料的浆体；步骤5，将浆体注入到预先涂好脱模剂的模具中，轻轻振捣一分钟，再用保鲜膜包裹放置在空气中室温养护24h后进行拆模，拆模后将试件放入80℃的养护箱中养护2h后取出，而后放置在空气中在室温下养护28d成型。专利技术的作用与效果根据本专利技术所涉及的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料的制备方法，为垃圾飞灰的处理提供了新的思路和方法，有效的减少了垃圾飞灰的堆放和传统填埋处理时对土地资源的侵占。避免了飞灰因填埋处理时对地下水体、土壤造成二次污染，进而危害到动植物以及人体的健康。另外，该制备方法的制备工艺简单、能耗低、成本低、CO2排放量低、飞灰利用率高，具有显著的环境效益和经济效益。根据本专利技术所涉及的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料，采用上述制备方法制备得到的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料，结合了碱激发矿渣基复合材料的优良性能，消耗了大量废弃廉价的垃圾飞灰和矿粉，一方面利用污染废弃物制备了性能优异的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料，另一方面拓展了碱激发矿渣基复合材料原料的来源，并且高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料是具有三维立体网状牢笼型的结构的无机聚合物，能有效、长期的固定多种重金属离子，对重金属的利用、封存和固化达到了有效的统一。综上，本专利技术的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料的制备方法是一种稳定、长久的重金属废料固结处理方式，能够将城市垃圾焚烧后的焚烧灰即垃圾飞灰进行绿色资源化利用，有效的解决了城市垃圾对土地资源的侵占以及垃圾飞灰空气污染问题，同时开发了一种高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料原料的来源，能更好地促进碱激发矿渣基复合材料在我国工程领域应用的发展。因此，采用本专利技术的制备方法制备得到的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料能应用于废旧垃圾处理工程和重金属废料固结处理工程中，且高效、资源化的利用了生产、生活废料，有力的缓解了环境压力，其次，由于高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料特殊的物理和化学结构，对重金属的利用、封存和固化达到了有效的统一附图说明图1是本专利技术的实施例二到七中高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料在28d龄期时分别与实施例一的空白基体的平均单轴抗拉强度比的关系对比示意图；图2是本专利技术的实施例二到七中高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料在28d龄期时分别与实施例一的空白基体的平均极限应变比的关系示意图。具体实施方式为了使本专利技术实现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：

【技术特征摘要】
1.一种高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料，其特征在于，包括以下重量份的原料：2.根据权利要求1所述的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料，其特征在于：其中，所述垃圾飞灰的重量份为5.5～22.0份。3.根据权利要求1所述的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料，其特征在于：其中，所述垃圾飞灰中具有Ca2+、Cl-、Pb、Zn、Cu、Cd以及Cr，所述Ca2+的质量百分比为27.59％，所述Cl-的质量百分比为16.80％。4.根据权利要求1所述的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料，其特征在于：其中，所述细砂采用细河砂，并采用孔径0.710mm的标准筛进行筛分处理，所述细砂的最大粒径小于300μm，且粒径在200μm以下的颗粒超过99％，粒径小于50μm的颗粒超过50％，所述细砂的体积平均粒径为23.75μm。5.根据权利要求1所述的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料，其特征在于：其中，所述碱激发剂由质量比为3.0:13.7的固体氢氧化钠和硅酸钠溶液组成，且所述硅酸钠溶液的模数为3.3。6.根据权利要求1所述的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料，其特征在于：其中，所述PE纤维的直径为24μm，长度为12-18mm。7.根据权利要求1所述的高延性固结重金属碱激发矿渣基复合材料，其特征在于：其中，所述减水剂采...

【专利技术属性】
技术研发人员：阚黎黎，吕计委，章志，王飞，庞成凯，朱嘉伦，史若昕，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31