銅冶煉污泥固化工藝探究

李彥君

（呂梁市生態環境局柳林分局，山西 呂梁 033300）

0 引言

在銅礦冶煉過程中，不可避免地會產生大量冶煉污泥，這些冶煉污泥中含有大量重金屬離子等污染物，如隨意堆放，則容易導致重金屬離子再溶出，繼而造成嚴重的地下水或土壤污染問題[1]。近年來，基于銅冶煉污泥自身的組分特點，一些研究人員開始嘗試對銅冶煉污泥進行處理，但資源利用率不高和成本居高不下等問題仍然存在。因此，仍需要結合實際情況，對銅冶煉污泥固化工藝做進一步的探索。

1 實驗材料與設備

本次實驗主要材料為銅冶煉污泥，取自某金屬冶煉廠，按照隨機布設采樣點的方式進行采樣獲得。在獲得銅冶煉污泥后，使用X 射線衍射儀對其進行物相分析，結果顯示，該銅冶煉污泥主要物相為硫酸鈣水合物。同時，也檢測到一定量的砷酸鈣、砷酸鉛、二氧化硅以及未反應完全的氫氧化鈣等物質。在此基礎上，使用原子熒光光度計對其元素組分進行分析，結果顯示，污泥中的污染性元素中，主要以As 的含量為最高，w（As）平均達10.2%。而Zn、Pb 等常見的重金屬元素含量則相對較低，w（Zn）、w（Pb）均在1%以下。這表明冶煉廠產生的污泥主要為含高砷的污泥，且污泥中的其他有價元素的含量處于相對較低的水平。

本次實驗使用的其他材料包括：

1）粉煤灰：取自某燃煤電廠煙道，其鋁硅氧化物含量較高，氧化鈣含量較低，主要作用是在降低成本的同時保證固化效果。

2）水泥：采用型號為32.5 的礦渣硅酸鹽水泥。

3）其他外加劑，純度均為分析純，均采購自國藥集團化學試劑有限公司。

本次實驗使用的設備，如表1 所示。

表1 實驗設備表

2 主要實驗流程

參考已有研究文獻并結合冶煉污泥污染治理的實際工作需要，設定本次實驗的主要流程，如圖1 所示。

圖1 實驗流程圖

在本次實驗中，所有材料混合后加入外加劑和水等進行預處理，而后將其注入模具并成型。當混合料成型后，再對其進行脫模，并選擇合適的養護方式進行養護。待混合料達到養護齡期后，使用水泥恒壓壓力機，對試樣的強度性能進行測試。如通過測試，則對試樣進行破碎處理，進行浸出毒性實驗，測試重金屬離子的各項浸出濃度以及試樣的力學性能，對固化效果進行分析[2-3]。

在該流程中，為提升實驗質量，混合料的壓制環節壓力設置為2.4 kN，澆筑過程則控制在120 s 內完成。待混合料符合要求后，首先基于《硫酸硝酸法》（HJ/T 299—2007）中的有關要求進行固化體浸出液測試，并對其力學性能進行檢測。

3 實驗結果與討論

3.1 固化劑對固化強度的影響

本次選用三乙醇胺與無機鹽復合使用的方式作為固化劑。結果顯示，使用三乙醇胺與無機鹽復合固化的方式，能夠有效降低有害元素的毒性浸出結果，As、Hg 和Se的毒性浸出結果分別為ρ（As）=1.6 mg/L、ρ（Hg）=0.01 mg/L 和ρ（Se）=0.06 mg/L，均低于國家標準，表明這種復合固化方式較為有效。在此基礎上，進一步探究三乙醇胺添加量對材料力學性能的影響，結果如圖2 所示。

圖2 不同三乙醇胺添加量下的抗壓壓力變化情況

由圖2 可知，隨著三乙醇胺添加量的增加，材料抗壓壓力呈現出先升后降的特征，當添加量（全文均指所添加物質的質量分數）為0.03%時，材料抗壓壓力達到峰值，約為12.6 kN，該強度值已經相對較高，固化后的污泥可考慮作為建筑材料，實際應用價值較高。因此，三乙醇胺的添加量設定為0.03%。

3.2 污泥摻量對抗壓強度的影響

在本環節中，通過調整水泥和污泥的比例，對固化材料的抗壓強度變化情況進行分析探究，得到實驗結果如圖3 所示。

圖3 不同比例下的污泥材料抗壓結果

由圖3 可知，當污泥比例控制在30%時，固化樣品具有相對較高的強度。當污泥含量在50%以上時，固化材料的強度開始逐步降低，但毒性也相對更低。考慮到后期還需添加一定量的粉煤灰樣品，因此，最終確定水泥和污泥的質量比為1∶1，以兼顧各方面的實際需要。

3.3 氧化鈣摻入量對強度與毒性的影響

從理論角度分析可知，氧化鈣含量偏低將導致污泥與粉煤灰的活性不足，而氧化鈣過高又會導致試樣在養護過程中發生膨脹甚至破裂，對于固化體強度的影響較為突出。因此，將氧化鈣摻入量設置為6 個不同因素水平進行實驗，實驗結果如圖4 所示。

圖4 不同氧化鈣添加量下的試樣強度與毒性變化

由圖4 可知，試樣的強度和毒性兩項指標均在氧化鈣添加量為1%時，達到峰值，而后開始在波動中降低，與理論情況基本相當。初步推斷，其主要原因是過多的氧化鈣導致鈣礬石形成過多，進而造成硬化體的強度下降。同時，隨著堿總量的增加，生產成本也相應增加。因此，最終確定氧化鈣的添加量w（CaO）為1%。

在確定以上較優實驗參數后，基于上述確定的實驗參數，按照上文的實驗步驟重新進行污泥固化，以形成初級工業品粉煤灰磚，參考已有經驗，對粉煤灰磚進行蒸汽養護措施，其主要條件如下：將壓制完成的樣品放入蒸汽養護箱中，控制蒸汽養護箱內部溫度為95 ℃，養護6 h。

在養護完成后，對本次制備完成的試樣進行探索性實驗，以獲取其在澆注成型后的固化數據，最終得到的實驗結果如表2 所示。

表2 試樣澆注成型后的固化數據 單位：MPa

在應用上述實驗參數進行實驗后，試樣的力學強度數據已經相對較優，證明本次實驗方案具有一定的應用價值，預計可用于后續的固化工藝當中。

4 結語

在本次研究工作中，針對銅冶煉污泥固化工藝的現狀，以廢棄物再利用的角度，對銅冶煉污泥進行摻雜混合、壓制等操作，使銅冶煉污泥可轉換為建筑用材料。在實驗過程中，通過對相關實驗參數進行調整后，實現了對實驗質量的優化，使得試樣固化完成后的力學參數得到有效改善。根據相關力學數據判斷，本次試樣可滿足建筑用相關材料的基本需求，對于后續的固化工藝研究，具有一定的理論和現實意義。