高炉矿渣-粉煤灰基地质聚合物固化铅离子及防辐射性能研究

doi:10.19964/j.issn.1006-4990.2021-0669

摘要/Abstract

摘要：

研究利用高炉矿渣（BFS）、粉煤灰（FA）作为原材料制备地质聚合物。以氢氧化钠与水玻璃作为碱激发剂，在碱激发条件下制备地质聚合物固化二价铅离子（Pb²⁺）。研究Pb²⁺的掺量对固化体强度的影响，并通过浸出毒性实验、X射线衍射分析（XRD）、红外光谱分析（FT-IR）、扫描电镜（SEM）等表征分析、防辐射实验测试，探究其固化效果与固化机理。结果表明，高炉矿渣-粉煤灰基地质聚合物与Pb²⁺具有良好的相容性，且固化体在28 d最高抗压强度可以达到43 MPa，Pb²⁺的添加质量分数为1%时能提高其固化体的强度。浸出实验表明，固化体对质量分数为1% Pb²⁺的固化效率在97%以上。微观分析认为大部分重金属是以羟基配合离子的形式被物理封装在地质聚合物内部。防辐射实验测试表明，Pb²⁺的掺量与高炉矿渣-粉煤灰基地质聚合物的γ射线屏蔽效果成正相关，实验中Pb²⁺最优掺入质量分数为3%，线性吸收系数和半衰减层厚度最优值分别为0.222 0 cm^-1和2.309 5 cm。

关键词: 地质聚合物, 固化, 铅离子, 防辐射性能

Abstract:

Using of blast furnace slag（BFS） and fly ash（FA） as raw materials to prepare geopolymers was studied.Using NaOH and water glass as the alkali activator，the geopolymer solidified Pb²⁺was prepared under the condition of alkali excitation.The effect of Pb²⁺content on the strength of the cured body was studied，and its curing effect and curing mechanism were explored through leaching toxicity test，X-ray diffraction analysis（XRD），infrared spectrum analysis（FT-IR），electronic scanning electron microscope（SEM） and other characterization analysis and radiation resistance experiment test.The results showed that the blast furnace slag?fly ash?based geopolymer had good compatibility with Pb²⁺，and the maximum compressive strength of the solidified body could reach 43 MPa at 28 d，and the strength of the solidified body could be improved when the addition amount of Pb²⁺ was 1%.The leaching experiment showed that the curing efficiency of the cured body to 1% Pb²⁺ was above 99%.Microscopic analysis suggested that most of the heavy metals were physically encapsulated in the geopolymer in the form of hydroxyl complex ions.Radiation protection experiments showed that the content of Pb²⁺was positively correlated with the γ-ray shielding effect of blast furnace slag?fly ash?based geopolymers，the optimal content of Pb²⁺ in the test was 3%，and the linear absorption coefficient and the optimal value of the half-attenuation layer thickness were 0.222 0 cm^-1 and 2.309 5 cm，respectively.

Key words: geopolymer, curing, Pb²⁺, radiation resistance performance

中图分类号:

TQ127.2

蔡卓雨,刘清,毕嘉琪,刘雨杉,郑少伟,招国栋. 高炉矿渣-粉煤灰基地质聚合物固化铅离子及防辐射性能研究[J]. 无机盐工业, 2022, 54(8): 125-131.

CAI Zhuoyu,LIU Qing,BI Jiaqi,LIU Yushan,ZHENG Shaowei,ZHAO Guodong. Study on Pb²⁺solidification and radiation protection performance of blast furnace slag?fly ash based geopolymer[J]. Inorganic Chemicals Industry, 2022, 54(8): 125-131.

图/表 16

表1

表2

图1

表3

表4

图2

图3

图4

图5

图6

图7

表5

表6

表7

图8

图9

参考文献 22

1	肖承坤.我国铅污染现状分析［J］.环境与可持续发展，2017，42（5）：91-92.
	XIAO Chengkun.Analysis of present situation about lead pollution in China［J］.Environment and Sustainable Development，2017，42（5）：91-92.
2	孙娟.重金属铅污染土壤治理修复的最新研究进展［J］.中国资源综合利用，2020，38（9）：129-131.
	SUN Juan.The latest research progress of heavy metal lead⁃contaminated soil control and remediation［J］.China Resources Comprehensive Utilization，2020，38（9）：129-131.
3	RAJA V K B， RAJ S K， SAIRAM M D，et al.Geopolymer green technology［J］.Materials Today：Proceedings，2021，46：1003-1007.
4	罗忠涛，刘垒，康少杰，等.地聚合物固化/稳定有毒重金属及作用机理研究进展［J］.材料导报，2018，32（6）：1834-1841.
	LUO Zhongtao， LIU Lei， KANG Shaojie，et al.Research progress on immobilization/stabilization of toxic heavy metalsby geopolymers［J］.Materials Reports，2018，32（6）：1834-1841.
5	谭弘，孙林柱.地质聚合物混凝土原材料研究进展［J］.化工新型材料，2021，49（S1）：256-259.
	TAN Hong， SUN Linzhu.Research progress on raw material of geopolymer concrete［J］.New Chemical Materials，2021，49（S1）：256-259.
6	庞煜.循环流化床粉煤灰基地聚物的制备及其吸附Pb²⁺性能的研究［D］.太原：山西大学，2021.
	PANG Yu.Preparation of circulating fluidized bed fly ash base polymer and its adsorption properties for Pb²⁺ ［D］.Taiyuan：Shanxi University，2021.
7	邓兆祥，王晓伟，贾铭椿.地质聚合物固化重金属研究进展［J］.现代化工，2021，41（11）：77-81.
	DENG Zhaoxiang， WANG Xiaowei， JIA Mingchun.Research progress on immobilization of heavy metals by geopolymer［J］.Modern Chemical Industry，2021，41（11）：77-81.
8	ZHANG Jianguo， PROVIS J L， FENG Dingwu，et al.Geopolymers for immobilization of Cr⁶⁺，Cd²⁺，and Pb²⁺ ［J］.Journal of Hazardous Materials，2008，157（2/3）：587-598.
9	PALACIOS M， PALOMO A.Alkali-activated fly ash matrices for lead immobilisation：A comparison of different leaching tests［J］.Advances in Cement Research，2004，16（4）：137-144.
10	NIKOLIĆ V， KOMLJENOVIĆ M， MARJANOVIĆ N，et al.Lead immobilization by geopolymers based on mechanically activated fly ash［J］.Ceramics International，2014，40（6）：8479-8488.
11	ZHANG Yunsheng.Synthesis and heavy metal immobilization behaviors of fly ash based gepolymer［J］.Journal of Wuhan University of Technology：Materials Science Edition，2009，24（5）：819-825.
12	LEE S， VAN RIESSEN A， CHON C M，et al.Impact of activator type on the immobilisation of lead in fly ash-based geopolymer［J］.Journal of Hazardous Materials，2016，305：59-66.
13	XU J Z， ZHOU Y L， CHANG Q，et al.Study on the factors of affecting the immobilization of heavy metals in fly ash⁃based geopolymers［J］.Materials Letters，2006，60（6）：820-822.
14	LEE W K W， VAN DEVENTER J S J.The effect of ionic contaminants on the early⁃age properties of alkali⁃activated fly ash⁃based cements［J］.Cement and Concrete Research，2002，32（4）：577- 584.
15	仇秀梅，刘亚东，严春杰，等.粉煤灰基地质聚合物固化Pb²⁺及其高温稳定性研究［J］.硅酸盐通报，2019，38（7）：2281-2287，2294.
	QIU Xiumei， LIU Yadong， YAN Chunjie，et al.Research on immobilization of Pb²⁺ using fly ash⁃based geopolymer and its thermostability［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2019，38（7）：2281-2287，2294.
16	刘意.开孔地质聚合物与多级孔分子筛的制备及吸附Pb²⁺、Cu²⁺的研究［D］.武汉：中国地质大学，2018.
	LIU Yi.Preparation of porous geopolymers and multi⁃stage porous molecular sieves and their adsorption of Pb²⁺ and Cu²⁺ ［D］.Wuhan：China University of Geosciences，2018.
17	CUCCIA V， FREIRE C B， LADEIRA A C Q.Radwaste oil immobilization in geopolymer after non⁃destructive treatment［J］.Progress in Nuclear Energy，2020，122.Doi：10.1016/j.pnucene.2020 . doi: 10.1016/j.pnucene.2020
	103246. doi: 10.1016/j.pnucene.2020
18	李雅涛.尾煤无机质制备地质聚合物及其对Pb（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）吸附性能研究［D］.太原：太原理工大学，2021.
	LI Yatao.Study on Preparation of geopolymer from inorganic matter of tail coal and its adsorption properties for Pb（Ⅱ） and Cu（Ⅱ）［D］.Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2021.
19	GUZMÁN-CARRILLO H R， GASCA-TIRADO J R， LÓPEZ-ROMERO J M，et al.Encapsulation of toxic heavy metals from waste CRT using calcined Kaolin base⁃geopolymer［J］.Materials Chemistry and Physics，2021，257.Doi：10.1016/j.matchemphys. 2020.123745 . doi: 10.1016/j.matchemphys. 2020.123745
20	REES C A， PROVIS J L， LUKEY G C，et al.In situ ATR-FTIR study of the early stages of fly ash geopolymer gel formation［J］.Langmuir：the ACS Journal of Surfaces and Colloids，2007，23（17）：9076-9082.
21	刘泽，李丽，张媛，等.粉煤灰基地质聚合物固化重金属Pb²⁺的研究［J］.硅酸盐通报，2018，37（4）：1382-1386.
	LIU Ze， LI Li， ZHANG Yuan，et al.Immobilization of heavy metal Pb²⁺ using fly ash based geopolymer［J］.Bulletin of the Chinese Ceramic Society，2018，37（4）：1382-1386.
22	GUO Xiaolu， HUANG Jiabao.Effects of Cr³⁺，Cu²⁺，and Pb²⁺ on fly ash based geopolymer［J］.Journal of Wuhan University of Technology：Materials Science Edition，2019，34（4）：851-857.

浸出溶液	pH	掺入不同质量分数Pb²⁺样品的浸出Pb²⁺质量浓度/（mg·L^-1）				掺入不同质量分数Pb²⁺样品固化Pb²⁺效率/%
浸出溶液	pH	0.5%	1.0%	2.0%	3.0%	0.5%	1.0%	2.0%	3.0%
去离子水	9.0	0.132 9	0.375 3	0.734 3	1.235 6	99.468	99.249	99.087	99.014
混合酸溶液	3.2	0.293 5	0.704 6	1.475 8	1.997 3	99.371	99.211	99.052	98.467
醋酸缓冲液	2.6	1.387	3.674	8.912	12.110	98.157	97.152	94.163	92.177

pH	重金属浸出质量浓度/（mg·L^-1）
pH	1 d	3 d	7 d	10 d	14 d	21 d	28 d	35 d	42 d	49 d	56 d
5	0.635 4	0.287 2	0.196 3	0.113 5	0.074 6	0.025 7	0.011 4	0.008 7	0.005 3	0.004 5	0.004 3
9	0.394 6	0.187 8	0.074 4	0.047 5	0.031 7	0.013 4	0.008 6	0.006 3	0.004 6	0.003 9	0.003 8

项目	I_b/计数	I_0测/计数	项目	I_b/计数	I_0测/计数
1	3 653	9 238	4	3 680	9 284
2	3 639	9 276	均方根值	3 660	9 266
3	3 668	9 266

项目	I_测/计数
项目	1	2	3	4	均方根值
C1-1	7 426	7 418	7 442	7 441	7 431.7
C1-2	7 421	7 429	7 421	7 431	7 425.5
C2-1	7 365	7 326	7 344	7 382	7 354.2
C2-2	7 342	7 332	7 353	7 341	7 342.0
C3-1	1 316	7 309	7 321	7 319	7 316.2
C3-2	7 306	7 312	7 294	7 313	7 308.7
C4-1	7 286	7 237	7 245	7 265	7 258.2
C4-2	7 256	7 253	7 248	7 241	7 249.5

项目	I_测	I_测-I_b	I_0测- I_b	μ/cm^-1	μ平均值/cm^-1	HVL/cm	HVL平均值/cm
C1-1	7 431.7	3 771.7	5 605	0.198	0.198 5	2.312	2.309 5
C1-2	7 425.5	3 765.5	5 605	0.199	0.198 5	2.307	2.309 5
C2-1	7 354.2	3 694.2	5 605	0.205	0.206 0	2.279	2.273 5
C2-2	7 342.0	3 682.0	5 605	0.207	0.206 0	2.268	2.273 5
C3-1	7 316.2	3 656.2	5 605	0.213	0.213 5	22.235	2.237 0
C3-1	7 308.7	3 648.7	5 605	0.214	0.213 5	2.239	2.237 0
C4-1	7 258.2	3 598.2	5 605	0.221	0.222 0	2.203	2.309 5
C4-2	7 249.5	3 589.5	5 605	0.223	0.222 0	2.194	2.309 5

首页

全国无机盐信息中心

中国化工学会

无机酸碱盐专业委员会