论文总字数：17068字

摘 要

随着城市生活垃圾以及工业固体废弃物的产生和排放量的与日俱增，经高温焚烧后产生的飞灰中含有大量重金属对环境和人体健康产生危害。因此，重金属的固化已经受到世界各国的关注。为了探讨C-S-H凝胶的基本性质，本次实验主要围绕C-S-H凝胶的制备、C-S-H凝胶的稳定性以及C-S-H凝胶对重金属的固化等方面展开研究。

本次实验采用水热合成法制备C-S-H凝胶，然后在C-S-H凝胶合成过程中加入可溶解性的硝酸铅和硝酸镉制备出含重金属的C-S-H凝胶。采用XRD和IR等现代测试技术探究不同钙硅比的C-S-H凝胶对Pb和Cd的固化效果的差异。最后，分析氯离子和pH对C-S-H凝胶稳定性的影响。经过实验研究表明钙硅比为1的C-S-H凝胶固化重金属Pb的效果最好，高钙硅比的C-S-H凝胶固化重金属Cd的作用要优于低钙硅比的C-S-H凝胶，当溶液中氯离子浓度较高时，会使C-S-H凝胶变性。本次实验设置了9组不同的pH来研究其对C-S-H凝胶的影响，经过分析发现C-S-H凝胶存在的最佳pH为弱酸、弱碱和中性。强酸和强碱都会对C-S-H凝胶产生影响。

关键词：C-S-H凝胶 固化 重金属 氯离子

Abstract

With the increasing production and discharge of municipal solid waste and industrial solid waste, the fly ash produced by high-temperature incineration contains a large amount of heavy metals, which is harmful to the environment and human health. Therefore, the solidification of heavy metals has attracted the attention of countries all over the world. In order to investigate the basic properties of C-S-H gel, this experiment focused on the preparation of C-S-H gel, the stability of C-S-H gel and the solidification of heavy metals by C-S-H gel.

In this experiment, a C-S-H gel was prepared by hydrothermal synthesis, and then a heavy metal-containing C-S-H gel was prepared by adding soluble lead nitrate and cadmium nitrate during the synthesis of C-S-H gel. Modern test techniques such as XRD and IR were used to investigate the difference in curing effect of P- and Cd on C-S-H gels with different calcium to silicon ratios. Finally, the effect of chloride ion and pH on the stability of C-S-H gel was analyzed. Experimental studies have shown that the CSH gel with a calcium-to-silicon ratio of 1 has the best effect on curing heavy metal Pb. The high calcium-to-silicon ratio CSH gel cures the heavy metal Cd better than the low calcium-to-silicon ratio CSH gel. When the ion concentration is high, the CSH gel is denatured. In this experiment, 9 different pHs were set to study the effect on C-S-H gel. It was found that the optimal pH of C-S-H gel was weak acid, weak base and neutral. Both strong acids and strong bases have an effect on the C-S-H gel.

Key words: C-S-H gel curing heavy metal chloride ion

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1概论 1

1.2 Pb和Cd的污染来源和危害 1

1.3 C-S-H凝胶的概述 2

1.4 C-S-H凝胶稳定性的研究 4

1.5 研究思路和研究内容 4

第二章 实验材料及表征方法 6

2.1实验试剂 6

2.2实验仪器 6

2.3实验所用的表征仪器 6

第三章 C-S-H凝胶的制备及稳定性研究 8

3.1 C-S-H凝胶的制备 8

3.1.1纯净C-S-H凝胶的XRD分析结果 8

3.1.2纯净C-S-H凝胶的IR分析结果 9

3.1.3纯净C-S-H凝胶的SEM分析结果 10

3.2 C-S-H凝胶稳定性研究 10

3.2.1 C-S-H凝胶的pH稳定性 10

3.2.2 C-S-H凝胶的氯离子稳定性 12

第四章 C-S-H凝胶对Pb和Cd的固化研究 15

4.1含重金属C-S-H凝胶的制备 15

4.2 C-S-H凝胶对Pb的固化研究 15

4.2.1含重金属Pb的C-S-H凝胶XRD分析结果 15

4.2.2含重金属Pb的C-S-H凝胶IR分析结果 16

4.2.3含重金属Pb的C-S-H凝胶SEM分析结果 17

4.3 C-S-H凝胶对Cd的固化研究 18

4.3.1含重金属Cd的C-S-H凝胶XRD分析结果 18

4.3.2含重金属Cd的C-S-H凝胶IR分析结果 19

4.3.3含重金属Cd的C-S-H凝胶SEM分析结果 20

第五章 结论与展望 21

参考文献 22

致谢 24

绪论

概论

随着时代的发展，人们的生活水平也在不断地提升，越来越多的人有能力购买更多的生活需要品,消费水平的提高同样也伴随着生活垃圾产生量的急剧增长。由于城市生活垃圾中掺杂了不同性质的垃圾，并且对垃圾的分类工作也做的并不完善，导致可回收垃圾与不可回收垃圾难以区分，这给人们处理城市生活垃圾带来了极大的困难。目前处理城市生活垃圾的主要方法包括填埋法、焚烧法、堆肥法等^[1]。填埋和堆肥这两种处理方法不仅需要占用大面积的土地资源、耗费时间长而且垃圾渗透液会浸透土壤从而污染地下水危害环境和人体健康。焚烧法虽然可以使城市生活垃圾大范围的减容减量，从根本上处理好生活垃圾，但是在垃圾焚烧过程中会产生约占垃圾总量的3%-5%的飞灰^[2]。飞灰会随着气流飘散到四周的环境中并散发出难闻的气味，同时夹杂了大量重金属的飞灰会随着空气和水源进入人体从而对人的健康造成极大的危害，给社会造成不稳定的因素。因此，研究如何处理这些重金属，减少其危害，一时成为讨论的热点。

在焚烧过程中，一些在垃圾中的有害成分会转移到飞灰然后释放到空气中。其中，有许多有害的重金属和盐，如铅，镉和锌。如果处理不当，这将会对土壤，空气和水造成潜在的环境风险^[3]。城市生活垃圾焚烧飞灰的组成成分十分复杂，对其去除之前必须要仔细的研究飞灰的相关特性从而找出最适合的方法，已达到更加经济快速的去除效果。目前应用最多的技术主要是水泥固化、烧结固化、药剂固化和熔融固化^[4]。现今世界各国在固化重金属方面应用最多的方法是水泥固化法，水泥固化法最常用的固化剂是普通硅酸盐水泥。硅酸盐水泥中C-S-H凝胶的含量占比最大，C-S-H凝胶的特殊组成和结构形式对飞灰中的重金属有良好的固化作用，可以将重金属吸附在其表面或者固化在其层间结构中，从而减少污染。种类不同的重金属对C-S-H凝胶的影响不同，从而导致了C-S-H凝胶在吸附固化性能方面的不同，遗憾的是目前对这方面的研究还比较少，因此，研究如何固化垃圾焚烧过程中产生的重金属对充分地利用硅酸盐水泥、保护环境和人体健康都具有极其重要的意义。

Pb和Cd的污染来源和危害

重金属镉的毒性很大，被列为危险重金属。自然界中本就存在重金属镉，但是自然界中的镉主要存在于地底岩石层中，对我们人类的危害很小。目前对环境和人体健康造成危害的镉主要来自于人为活动所产生的。随着我国工业的迅猛发展，全国各地的工矿业企业也在逐年增多。Cd在电镀、颜料、塑料稳定性方面的应用也更加广泛，电池工业和电子产品的显像管制造工业也需要大量的Cd。这些工业制造品很容易进入城市生活垃圾中，一旦焚烧Cd便会随着飞灰进入空气中。铅是一种很常见的重金属污染物。由于其良好的拉伸性，较强的耐腐蚀性和低熔点等特点，所以被广泛应用于雕塑和陶瓷。总而言之，我们生活中有着大量的工业制造品是需要Pb和Cd参与制造的，这些工业制造品极易流入生活垃圾中，焚烧处理后便会扩散到环境中去造成危害。与此同时，废旧电池的随意丢弃和处置不当也是重金属Pb和Cd污染的主要来源之一。中国每年生产和使用的电池数量在几百亿只往上，然而如此大的电池使用量上，我国在废旧电池回收利用方面却是几乎空白的。每年都有大量的废旧电池被随意的丢弃，这些电池污染着土壤和水源，释放出大量的重金属镉和铅，这些镉和铅再次通过水和粮食进入人体，很有可能会造成大面积的镉中毒和铅中毒，引起社会危害。

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