工程科技與教育學刊 第七卷 第二期 民國九十九年四月 第 354～357 頁
摻燒城市垃圾殘渣矽酸鹽水泥性能及重金屬浸出行為研究
楊力遠、馬軍濤 鄭州大學 材料科學與工程學院 E-mail: yangly@zzu.edu.cn摘 要
通過生料易燒性試驗、熟料礦物岩相分析、XRD、SEM、水泥膠砂強度試驗、重金屬離子浸出試驗等， 對利用城市垃圾分揀殘渣配料煆燒矽酸鹽水泥熟料及其水化反應的特徵進行了研究。結果表明：城市垃圾 分揀殘渣配料製成的水泥熟料，其礦物結構與常規的矽酸鹽水泥熟料相同；其燒成溫度有降低的趨勢；其 水化產物和凝結硬化過程與常規矽酸鹽水泥相同；熟料煆燒和凝結硬化過程對城市垃圾中重金屬離子的固 化有一定的輔助作用。 關鍵詞：城市垃圾、熟料、水化、重金屬、固化1. 前 言
利用新型幹法窯協同處理城市垃圾是近年來被廣泛探索的資源化利用城市垃圾的一個新途徑[1]，關於摻 燒城市垃圾的水泥性能和二次污染問題需要進行深入研究。分析證明，在垃圾分揀站經過分揀處理後剩餘 的城市生活垃圾殘渣，化學成分與粘土類似[2][3]，經過適當的處理之後，可以不經過複雜的垃圾焚燒爐或者 資源化窯處理而直接替代部分粘土原料燒制水泥。而摻燒城市垃圾的水泥性能是否能夠達到使用要求，以 及城市垃圾中的重金屬元素在配料煆燒製造水泥的過程中能否得到有效的固化，是水泥窯協同處理城市垃 圾的關鍵問題[4][5]。2. 實 驗
2.1 實驗材料 本實驗所採用的城市垃圾來自河南省許昌市垃圾分揀站垃圾分揀後的殘渣，其化學成分如表 1 所示： 表 1 垃圾分揀殘渣化學成分（%）名稱 Loss SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO R2O Cl- 其他
垃圾分揀殘渣 20.20 47.29 12.85 3.95 8.00 1.27 0.66 0.25 5.53 將垃圾分揀殘渣乾燥至恒重，在實驗球磨機中磨至完全通過 0.080mm 方孔篩。
實驗所用其他工業原料由水泥廠直接取得。將城市垃圾分揀殘渣按照 20%的摻量與其他原料配製成摻 加樣生料，與不摻城市垃圾殘渣的空白樣生料同時進行實驗。生料按照嘗試誤差法配製，空白樣和摻加樣 生料的三率值均為 KH=0.90，SM=2.51，IM=1.55。
楊力遠、馬軍濤 355 2.2 實驗方案 將混合好的生料加入適量的水攪拌均勻，稱取 70g 在 20MPa 的軸向壓力下壓制成直徑為 36mm 的試塊， 置於烘箱中在 105～120℃下烘乾。將 SG-8-16 坩堝升降電阻爐升溫至 800℃左右，將烘乾後試塊入爐，待 爐內溫度平衡約 5min 後開始升溫，至設定煆燒溫度，保溫 30min 後出爐。熟料出爐後採用風扇加速冷卻至 室溫。 將燒制後的熟料破碎後各取 1000g 加入 5%的工業石膏後，在 GJ-2 密封式化驗制樣粉碎機中進行細碎， 細度控制為 0.080mm 方孔篩篩餘不超過 4%。 用乙醇－乙二醇法測定 1250℃ 、1300℃、1350℃、1400℃、1450℃下空白樣和摻加樣熟料的 f-CaO 含 量。 利用 4XCE 金相顯微鏡對 1350℃和 1450℃下空白樣和摻加樣熟料試樣的岩相結構進行觀測分析。 按照 JC/T853-1999 和 GB/T17671-1999 的規定方法，取工廠 P.I 42.5 矽酸鹽水泥作為參比水泥與實驗室 1450℃下煆燒的空白樣和摻加樣水泥同時進行膠砂強度對比試驗。 利用 JSM-5610LV 型掃描電子顯微鏡對工廠 P.I 42.5 矽酸鹽水泥和實驗室製成摻加樣水泥的 28d 水化產 物顯微結構進行 SEM 分析。 根據 GB 5086.3-1997 的規定方法，對垃圾分揀殘渣、實驗水泥生料和實驗水泥 28d 水化產物做微量重 金屬元素浸出實驗。分別稱取試樣 30g，加入浸取容器中，加入 300ml 去離子水，蓋緊瓶蓋後垂直固定於 HY-4 往復式水準振盪機上，在室溫下振盪浸取 8h，並靜置 16h 後取下，通過過濾裝置過濾後取其上清液， 利用 IRIS Advantage ER/S 等離子體原子發射光譜儀測定其重金屬濃度。
3. 結果與討論
3.1 熟料 f-CaO 測試 空白樣和摻加樣在不同溫度下 f-CaO 含量測試結果如圖 1 所示： 1250 1300 1350 1400 1450 0 1 2 3 4 5 6 7 8 f-C aO 含量 (% ) 煅 烧 温 度 ( ℃ ) 空 白 样 掺 烧 样 圖 1 熟料中 f-CaO 含量曲線 可以看出，摻燒城市垃圾分揀殘渣的熟料 f-CaO 含量低於不摻燒垃圾分揀殘渣的空白樣熟料，摻加樣 的 f-CaO 含量在 1350℃時即可降低到 1.5%以下，摻燒城市垃圾對水泥生料的易燒性有一定的改善作用。 3.2 熟料礦物岩相結構分析 空白樣和摻加樣在 1450℃下實驗室燒成熟料的岩相結構如圖 2 所示：摻燒城市垃圾殘渣矽酸鹽水泥性能及重金屬浸出行為研究 356
(a)空白樣 1450℃ (b)摻加樣 1450℃ 圖 2 實驗熟料岩相圖片（200×,1%硝酸酒精侵蝕） 由圖看到，空白樣和摻加樣熟料的礦物岩相結構相似，主要由大量 A 礦、少量 B 礦和中間相組成。實 驗發現，摻加樣熟料礦物中包裹體略多，礦物尺寸略小，可能與城市垃圾的摻入增加了體系的物相複雜程 度有關，與上述易燒性改善的現象是一致的。 3.3 水泥物理性能分析 參比水泥、空白樣和摻加樣水泥膠砂試體的 3d、28d 抗折和抗壓強度如表 2 所示： 表 2 不同試樣水泥的物理性能 凝結時間 (h:m) 抗折強度 (MPa) 抗壓強度 (MPa) 細 度 (%) 安 定 性 標準稠 度用水 量(%) 初凝 終凝 3d 28d 3d 28d 參比水泥 3.4 合格 27.9 2:35 3:45 3.5 6.5 15.7 44.9 空白樣水泥 3.8 合格 27.5 2:10 3:15 3.9 7.0 17.6 43.8 摻加樣水泥 3.6 合格 27.2 1:55 3:10 4.1 7.2 18.3 42.8 可以看出，摻燒城市垃圾的水泥符合 P.Ⅰ42.5 水泥的指標要求。摻燒垃圾後，初凝時間略有提前，3d 強度有升高的趨勢，而 28d 強度的差別並不明顯。 3.4 水泥水化產物 SEM 分析 參比水泥和摻加樣水泥的 28d 水化產物顯微結構如圖 3 所示： (a)參比水泥淨漿 28d (b)摻加樣水泥淨漿 28d 圖 3 不同試樣水泥水化產物 SEM 結構
楊力遠、馬軍濤 357 由圖可以看出，兩種水泥的主要水化產物均為 C-S-H 凝膠、Ca(OH)2晶體和 AFt晶體等。摻加樣水 泥各水化產物發育良好，結構比較緻密，與參比水泥沒有明顯的區別。 3.5 重金屬元素浸出結果分析 城市垃圾分揀殘渣、空白樣和摻加樣生料的重金屬浸出結果如表 3 所示： 表 3 垃圾分揀殘渣、空白樣和摻加樣生料的重金屬浸出量（單位：mg/L） 試樣 As Cd Co Cr Cu Ni Pb Zn 垃圾分揀殘渣 0.0400 0.004 0.0040 0.0343 0.2477 0.0170 0.0237 0.1198 空白樣生料 0.0201 ND ND 0.0105 0.0163 ND 0.0257 ND 摻加樣生料 0.0241 0.0008 0.0008 0.0153 0.0626 0.0034 0.0253 0.0239 GB5085.3 允許值 1.5 0.3 - 1.5 50 10 3 50 空白樣和摻加樣水泥 28d 水化產物的重金屬浸出量如表 4 所示： 表 4 28d 水化產物的重金屬浸出量（單位：mg/L） 試樣 As Cd Co Cr Cu Ni Pb Zn 空白樣水泥淨漿 28d 0.0019 ND ND 0.0021 0.0036 ND ND ND 摻加樣水泥淨漿 28d 0.0092 ND ND 0.0095 0.0080 ND ND 0.0025 GB5085.3 允許值 1.5 0.3 - 1.5 50 10 3 50 注：ND 指未檢出。 結果顯示，城市垃圾分揀殘餘物中重金屬浸出量均低於 GB5085.3-1996 規定的浸出液最高允許值。經 過熟料燒結和水泥凝結硬化兩步固化之後，水泥的 28d 水化產物的 Cd、Co、Ni、Pb 元素未檢出，而 As、 Cr、Cu、Zn 四種元素浸出量也大大減少，明顯低於 GB5085.3-1996 規定的重金屬元素允許浸出標準。
