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粉煤灰地聚合物材料性能及应用的研究进展俞华栋【摘要】粉煤灰地聚合物在微观结构上与传统偏高岭土基地聚合物相似,但制备成本大幅降低,且某些性能甚至还会超越偏高岭土基地聚合物,因此受到国内外学者的高度关注.针对粉煤灰基地聚合物反应机理,着重介绍了粉煤灰特性、激发剂及水组分含量对所得地聚合物性能的影响,阐述了粉煤灰地聚合物在处置利用固废中的应用.【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2018(044)016【总页数】3页(P81-83)【关键词】粉煤灰;地聚合物;性能【作者】俞华栋【作者单位】浙江天地环保科技有限公司,浙江杭州 310018【正文语种】中文【中图分类】TU502地质聚合物(Geopolymer，简称地聚物)是一类新型的无机胶凝材料，主要通过含铝硅酸盐的矿物在碱性环境中反应生成无机聚合物[1]。
地聚合物拥有无规则的三维网状结构，其主体由硅氧四面体、铝氧四面体构成，空隙中填充了碱金属离子。
其链接结构以离子键和共价键为主，范德华力、氢键为辅，同时具有高分子材料、水泥及陶瓷材料的结构特点。
因此地聚物可呈现出良好的力学性能、耐久性、耐化学腐蚀、耐高温和环境友好等优点[2]，在耐火隔热材料、建筑材料、重金属固化和核废料固封等方面得到广泛的应用[3,4]。
与传统的胶凝材料相比，可以用于制备地聚合物的原料包容度高。
富含硅铝成分的矿物、固废、尾矿，如粉煤灰、矿渣和煅烧高岭土等均用作制备地聚合物的原材料。
此外，其制备工艺简单，制备过程的能耗低。
在常压条件下，通过使用一些激发剂还可促使其强度快速发展，整个环节的碳排放量仅为传统硅酸盐水泥的10%～20%，因此，地聚物是一类优秀的绿色建筑材料[2]。
1 地聚合物制备出于绿色环保的考虑，现阶段制备地聚合物的原料为多种含铝硅酸盐矿物和工业固体废弃物。
在碱激发条件下，一些典型矿物的活性顺序按以下顺序依次增大：高岭土、火山灰、粉煤灰、炉渣、沸石、偏高岭土[5]。
由于粉煤灰(含有SiO2和Al2O3)与天然铝硅原材料在组成及结构上的相似性，其成为制备地聚合物一种原材料。
第31卷 第7期2009年4月武 汉 理 工 大 学 学 报JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Vol.31 No.7 Apr.2009DOI:10.3963/j.issn.1671-4431.2009.07.030粉煤灰/矿渣基地聚合物的制备及固化机理研究杨立荣1,王春梅1,封孝信1,蔡基伟1,张利民1,李庆福2(1.河北理工大学材料学院,河北省无机非金属材料重点实验室,唐山063009;2.冀东水泥有限公司,唐山063000)摘 要: 地聚合物作为一种新型的胶凝材料具有许多优于传统胶凝材料的性能。
该文采用粉煤灰、矿渣为原料,水玻璃为激发剂制备粉煤灰/矿渣基地聚合物,考察了矿渣掺量及水玻璃模数对地聚合物抗压强度的影响,并采用XR D 、SEM 手段对粉煤灰基地聚合物相组成及微观结构进行表征。
结果表明:对同一水玻璃模数,随矿渣掺量的增加,试样的抗压强度大多数也增强,且随着龄期的延长,试样的抗压强度也不断增强。
对于同一矿渣掺量,水玻璃模数为1.3时的试样的抗压强度最高,养护14d 最高达到61.3M Pa;同时探讨了粉煤灰矿渣基地聚合物的水化固化机理。
关键词: 地聚合物; 粉煤灰; 矿渣; 固化机理中图分类号: T Q 172.44文献标识码: A 文章编号:1671-4431(2009)07-0115-05Preparation and Consolidation Mechanism of Fly Ash -BasedGeopolymer Incorporating S lagYAN G L i -rong 1,WANG Chun -mei 1,FEN G X iao -x in 1,CAI Ji -w ei 1,Z H ANG L i -min 1,L I Qing -f u 2(1.Hebei Province K ey Laborator y of Inor ganic N onmetallic M ater ials,School o f M aterialsScience and Eng ineering,Hebei Polytechnic U niversit y,T angshan 063009,China;2.Hebei Pr ovincialJidong Cement Group Co Ltd,T ang shan 063000,China)Abstract: G eopolymer is a new cementations mater ial and has many proper ties which are superior to Portland cement.F ly ash -based geopolymer incorpo rating slag using Water glass as activator w as prepared,and t he influences of contents of slag and water glass modulus on strength were studied.T he phase composition and micr ostructur e were observed by XRD and SEM.T he results show that the compressive strength incr eases while contents o f slag increases at the same modulus of water glass,and the compressive str ength increases with age.For the same content of slag,the compressiv e streng th of sample curing at 14d age is 61.3M Pa w hile the water glass modulus is 1.3.At last,the consolidation mechanism of fly ash/slag -based geopolymer is dis -cussed.Key words: g eopolymer; fly -ash; slag; consolidation mechanism收稿日期:2008-10-20.作者简介:杨立荣(1974-),女,讲师.E -mail:ylr2005@eyou.co m地聚合物是以偏高岭石或铝硅酸质工业废料(粉煤灰、煤矸石等)为主要原料,经激发剂的作用发生特定反应而形成的聚合物材料[1],它具有三维网络状结构,但主体是无机的[SiO 4]和[AlO 4]四面体。
生活垃圾焚烧飞灰地聚合物固化及资源化应用研究进展摘要：本文综述了生活垃圾焚烧飞灰地聚合物固化以及其资源化应用的研究进展。
首先，我们详细分析了生活垃圾焚烧飞灰的成分、特性以及其对环境的影响。
然后，探讨了地聚合物固化技术的基本原理，效果及其在飞灰处理中的应用。
最后，我们详细讨论了飞灰的资源化应用可能性，已有的应用案例，以及面临的挑战和可能的解决方案。
希望通过这个全面的概述，可以为未来的研究提供一些启示和方向。
关键词：生活垃圾焚烧飞灰，地聚合物固化技术，资源化应用1引言随着城市化进程的加快，生活垃圾的产生量也在持续增长。
如何处理这些垃圾，特别是其中的焚烧飞灰，成为了环保领域的一项重要任务。
传统的处理方法如填埋，既占用了大量的土地资源，又存在有害物质渗出污染环境的风险。
因此，开发新的处理技术，特别是那些能够实现飞灰资源化的技术，具有重要的实践意义。
地聚合物固化技术就是这样一种新的处理技术。
它可以将飞灰中的有害物质有效地“锁定”，降低其对环境的影响。
而且，如果能够将飞灰中的有用成分回收并利用，那么就可以实现飞灰的资源化，从而使飞灰处理由“问题”转变为“资源”。
2. 生活垃圾焚烧飞灰的问题生活垃圾焚烧飞灰是处理生活垃圾焚烧过程中的一个副产品。
它主要由无机物质构成，包括硅、铝、钙、钠、钾、镁等金属氧化物，还包含一些有害的重金属，如铅、汞、镉、铬等，及一部分有机物质和氯化物。
这些有害物质在环境中不容易降解，会对环境造成持久影响。
在特性上，生活垃圾焚烧飞灰的碱性强，pH值通常大于12，具有很高的腐蚀性。
另外，由于飞灰中含有的重金属和其他有害物质，这些物质在飞灰湿化、风化过程中，可能会被溶出，进一步污染环境。
生活垃圾焚烧飞灰对环境的影响主要体现在两方面。
一方面，飞灰中的重金属和其他有害物质可能会通过气相、固相和液相传播，进入环境，对环境造成污染。
另一方面，由于飞灰的高碱性，可能会引起土壤酸碱度的改变，对土壤生态系统产生影响。
固化，稳定化技术在重金属场地污染修复中的模拟应用固化、稳定化急速是指将有害废物固定或密封在惰性固体基质中，以降低污染物流动性的一种处理方法。
其中，固化是将废物中的有害成分用惰性材料加以束缚的过程，而稳定化使将废物的有害成分进行化学改性或将其导入某种稳定的晶格结构中的过程，即固化通过采用具有高度结构完整性的整块固体将污染物密封起来以降低其物理有效性，而稳定化则降低了污染物的化学有效性[1]。
代表性固化药剂包括水泥、粉煤灰、石灰、沥青等。
以水泥固化为例，其固化机理为：〔1〕利用水化作用形成的具有高比外表积的C-S-H凝胶吸附污染物；〔2〕将污染物包裹于水化产物晶格当中；〔3〕使污染土壤形成结构致密、孔隙率少的固化体，降低污染物迁移；〔4〕水化产物具有较高pH值，可以有效降低酸沉降对固化体的破坏。
代表性的稳定化药剂包括：Daramend-M、EnviroBlend、EHCM〔地下水〕、磷酸盐、硫化物药剂等。
其稳定化主要机理为：〔1〕通过氧化复原反应改变污染物形态，降低其毒性，如采用零价铁、亚硫酸钠、硫化亚铁等复原剂将Cr〔VI〕复原为Cr〔III〕，或〔2〕通过离子交换反应使污染物形成沉淀，降低迁移性，如使用磷酸盐、硫化物药剂处理铅污染土壤。
图1 施工组织设计图2.2 主要设备通过土壤混合装置，对要修复的土壤进行混合。
如下列图：图 2 土壤混合装置规划用地类型：居住用地占地面积：840亩主营业务：自行设计、制造、安装的全循环尿素生产样板厂；生产多孔粒状硝酸铵；总氨年生产能力可到达24万吨。
污染物：砷场地分布平面图如下〔图3〕：图3 场地分布平面图将场地分为A-G7个区间，如下表：区域编号区域范围污染程度A 西北角煤场中度污染区B 北部煤场中度污染区重度污染区C 净化车间、水煤气储罐、前段压缩工序D 水处理系统重度污染区E 造气车间中度污染区生活污染区F 汽油库、机加工、变电站、金属库、油漆库G 其它区域轻度污染区3.2 对场地进行调查以及评价对场地进行初步调查，调查点分布如下〔图4〕：图 4 调查点分布图采用高精度GPS确定原功能区边界，进行布点，全场完成采样点N个，确定场地主要污染物为As，并判断污染区域。
粉煤灰基地质聚合物力学性能研究丁兆栋（甘肃能源化工职业学院，甘肃 白银 730900）摘 要：目前，我国对于粉煤灰基地质聚合物的力学特性研究还不够充分，根据我国当前的研究情况来看，不同学者的研究侧重点有着很大的不同，其中关于粉煤灰基地质聚合物力学性能的研究有所欠缺，需要进一步加强相关研究。
本文通过具体实验的方式来对粉煤灰基地质聚合物力学性能进行了深入的研究与分析，阐述了研究结果和研究结论，希望能够对我国粉煤灰相关领域的研究作出一定的贡献，起到一定的参考作用。
关键词：粉煤灰；地质聚合物；力学性能；抗压强度；研究分析粉煤灰基地质聚合物作为碱激发胶的材料之一，因为粉煤灰的活性难以激发，在常温下粉煤灰体系难以凝结等原因，需要对粉煤灰基地质聚合物力学性能进行研究。
本文通过12组胶砂试件的抗压强度和抗折强度，对粉煤灰基地质聚合物的力学性能进行了相关的试验，并分析了碱渣对粉煤灰基地质聚合物的改性机理。
一、试验方案及试验流程（一）粉煤灰原材料选择本次试验中所选择的粉煤灰原材料来自甘肃省某热电厂，粉煤灰等级为一级，其中二氧化硫指数为45.31%，三氧化二铝指数为41.19%，主要结晶相为莫来石，粉煤灰的主要成分构成是玻璃体和莫来石，其中莫来石呈针状，玻璃体表面较为光滑，经过检测粉煤灰在100%含水率的情况下pH 值为5.932。
（二）氢氧化钠材料选择本次试验中所采用的氢氧化钠为市场中出售的一般种类氢氧化钠颗粒，为甘肃省某化学试剂公司生产，氢氧化钠试剂呈白色固体颗粒状，颗粒大小较为均匀，在经过检测确认氢氧化钠材料合格后将其溶解于水中，制成氢氧化钠溶剂，作为试验原材料备用。
（三）碱渣材料选择本次试验所使用的碱渣材料样本来自甘肃省某制碱厂，经过检测所选择的碱渣材料在100%含水率下的pH 值为8.332，其中的化学成分主要有CaCO 3 （64/wt%）、Ca （OH ）2 （10/wt%）、CaCl 2 （6/wt%）、NaCl （ 4/wt%）、CaSO 4 （2/wt%）、SiO 2（4/wt%）、Al 2O 3 （2/wt%）、Acid insolubles （8/wt%）。
第9卷第3期2006年6月建 筑 材 料 学 报J OU RNAL OF BU ILDIN G MA TERIAL SVol.9,No.3J un.,2006收稿日期:2005-04-27;修订日期:2005-06-17作者简介:徐建中(1963-),男,河北人,河北大学教授.E 2mail :xujz @ 文章编号:1007-9629(2006)03-0341-06地聚合物水泥固化重金属的研究徐建中1, 周云龙1, 唐然肖1,2(1.河北大学化学与环境科学学院,河北保定071002;2.河北农业大学理学院,河北保定071001)摘要:以粉煤灰为主要原材料,合成了一系列含有重金属的地聚合物,并根据固体废弃物的毒性溶出程序,检验了Cu (Ⅱ),Zn (Ⅱ),Pb (Ⅱ),Cd (Ⅱ),Cr (Ⅲ)和Ni (Ⅱ)在地聚合物中的固化效果.试验结果表明,地聚合物对上述重金属有很好的固化效果.利用X 射线衍射(XRD )、傅立叶变换红外(F TIR )、扫描电镜(SEM )等对其结构进行分析后发现,地聚合物固化重金属的机理为物理固封和化学键连的共同作用.关键词:粉煤灰;地聚合物;重金属;固化中图分类号:O635 文献标识码:AStudy on the Solidif ication of H eavy Metalsby Fly Ash B ased G eopolymersX U J i an 2z hong 1, Z HOU Yun 2long 1, T A N G R an 2x i ao1,2(1.College of Chemistry and Environmental Science ,Hebei University ,Baoding 071002,China ;2.College of Science ,Agriculture University of Hebei ,Baoding 071001,China )Abstract :By using fly ash as basic ingredient ,a series of fly ash based geopolymeric mat rices were synt hesized and some experimental evidences about immobilization efficiencies of heavy met 2als such as Cu (Ⅱ),Zn (Ⅱ),Pb (Ⅱ),Cd (Ⅱ),Cr (Ⅲ)and Ni (Ⅱ)were p resented.According to t he toxicity characteristic leaching procedure (TCL P ),it is found t hat t hese heavy metals can be effectively solidified into t he geopolymeric mat rices.Through t he result s of X 2ray diff raction (XRD ),scanning elect ron micro scopy (SEM )and infrared spect roscopy (F TIR ),it is concluded t hat t he solidification mechanism of geopolymer to t hese heavy metals is a combination of chemi 2cal bond and p hysical encap sulation.K ey w ords :fly ash ;geopolymer ;heavy metal ;solidification 固化/稳定化技术是处理含重金属废物的重要方法之一.以水泥为基质的固化/稳定化技术已广泛应用于有毒废弃物的处理[1].然而,传统的水泥固化方法存在着许多不安定因素,如废弃物中的某些重金属盐会延长水泥固化时间和降低固化体的物理强度.因此,研究并开发新型的废物固化材料就成为材料和环境界普遍关注的问题之一.地聚合物是碱激活材料的一种.它是利用粘土和含铝硅酸盐的工业废弃物在较低温度下生成的一类无机高分子聚合物.与普通硅酸盐水泥相比,地聚合物水泥具有高强、早强、耐酸碱、低渗透、243建 筑 材 料 学 报第9卷 低收缩、低膨胀、耐久性好等物理特性,这使得其在建筑方面具有广阔的应用前景[2,3].另外,地聚合物的基本结构为硅氧四面体与铝氧四面体组成的三维网状的类沸石状笼形结构,这种特殊的结构能有效地以化学键和物理吸附的形式固化重金属[4～6].因此,利用地聚合物水泥作为有毒废弃物的固化材料具有十分重要的现实意义.粉煤灰是一类具有潜在活性的粘土类火山灰质材料,现已广泛应用于建筑水泥及混凝土填料.本文以粉煤灰为主要原材料,合成了一系列含有重金属的地聚合物,并采用ICP2O ES,XRD,F T2 IR,SEM等分析手段对其固化重金属的效果及固化机理进行了初步探讨.1 原材料及试验方法1.1 原料与试剂粉煤灰(原灰,保定电厂);高岭土(CP,上海纳辉试剂厂);氢氧化钾(AR);氢氧化钠(AR);硅酸钾(AR,模数n为1.57±0.07);六水合硝酸镍(AR);四水合硝酸镉(AR);三水合硝酸铜(A R);硝酸铅(AR);九水合硝酸铬(AR);六水合硝酸锌(A R).偏高岭土由高岭土在650℃下煅烧8h得到.试验过程中使用的蒸馏水及各种试剂均为同一批次产品.粉煤灰的化学组成见表1.表1 粉煤灰的化学组成T able1 Composition of fly ash w/% SiO2Al2O3CaO Fe2O3MgO TiO2SO3IL47.4230.90 1.88 5.38 1.93 1.500.787.801.2 试验方法先用硅酸钾与碱金属的氢氧化物溶于蒸馏水中制成碱溶液,再将偏高岭土与粉煤灰分别加入其中,以胶砂搅拌机搅拌3min后加入已配制好的重金属的硝酸盐溶液(各组试样中添加的重金属质量分数均为0.1%),继续搅拌5min后倒入三联模中振荡1min,以聚乙烯薄膜密封,最后在60℃下养护24h后脱模,室温下放置14d后进行抗压强度测定及X射线衍射(Y-2000型,Cu靶)、扫描电镜(SEM2KYKY-2800B)和傅立叶变换红外(Vector27,溴化钾压片)分析.各试样的化学组成以及各试样所含的重金属及其含量见表2,3所示.表2 试验样品的组成T able2 Compositions of samples used for investigationSample w(metakaolin)/%Type of alkali w(alkali)%m(water)/m(fly ash)m(SiO2)/m(Al2O3) A16KO H60.67 1.37B16KO H60.67 1.37C16NaO H60.67 1.37D～I16KO H60.67 1.37表3 试验样品所含的重金属及其含量T able3 Content of heavy metals in sample A to I w/% Heavy metal A B C D E F G H I Cd00.10.10.100000Cr00.10.100.10000Cu00.10.1000.1000Ni00.10.10000.100Pb00.10.100000.10Zn00.10.1000000.1 重金属的溶出试验依照美国的TCL P (toxicity characteristic leaching procedure )进行.具体操作过程为:将研碎的试样(粒径小于0.032mm )加入到醋酸浸提液(p H =2.88±0.05)中搅拌24h ,过滤,滤液以4%的稀硝酸溶液稀释50倍,并在4℃下保存,以电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP 2O ES ,Perkin Elmer Optima 4300)测定滤液中重金属的含量.2 结果与讨论2.1 抗压强度制备含6种重金属的地聚合物B 和C 时分别采用了不同的碱激活剂(见表2);研究1种重金属的固化行为时采用的碱激活剂则为氢氧化钾.地聚合物A ～I 的抗压强度数据如表4所示.表4 地聚合物养护28d 后的抗压强度T able 4 Compressive strengths of geopolymeric samples after 28d curingMPaA B C D E F G H I 22.325.517.531.518.525.025.030.029.5 由表4可见,当以氢氧化钠作为激活剂(样品C )取代氢氧化钾(样品B )时,地聚合物的抗压强度明显降低.这是因为同钠离子相比,钾离子可以使溶解的聚合物硅酸盐具有较高的离子化速率和溶解速率,因而以钾离子为平衡电荷的离子时可使材料的强度显著增高[5].重金属对地聚合物抗压强度的影响比较复杂,含有6种重金属的地聚合物B 的抗压强度与不含重金属的地聚合物A 的抗压强度相差不大;但重金属的存在对地聚合物D ～I 的抗压强度则具有不同程度的影响.其中,Cd (样品D ),Pb (样品H )和Zn (样品I )的加入能明显增强地聚合物的抗压强度;Cu (样品F )和Ni (样品G )对地聚合物抗压强度的影响较小;而Cr (样品E )的加入却使地聚合物的抗压强度明显减弱.2.2 X 射线衍射(XR D)分析和扫描电镜(SEM)分析图1为反应物粉煤灰和偏高岭土的XRD 图谱;图2为地聚合物的XRD 图谱.由图2可见,含有不同重金属的地聚合物其XRD 图谱非常相似,即所有地聚合物的XRD 图谱在20°～40°时都呈弥散的馒头状,这表明地聚合物的结构主要为无定形态;同时在这一段图谱中还能观察到一些尖锐的晶体峰,与标准X 射线卡片对比后发现,这些晶体峰是石英晶体和富铝红柱石的X 射线衍射峰.对比图1,2可知,地聚合物中所含有的石英和富铝红柱石系反应物未完全反应所致.因此,根据地聚合反应后没有新的晶相生成可以判断,重金属已经以某种形式键合到了地聚合物的聚合骨架中.图1 粉煤灰和偏高岭土的XRD 图谱Fig.1 X 2ray diff raction spectra of fly ash and metakaolin 图3为地聚合物B ,C 断面的扫描电镜照片.由图3可见,地聚合物的表观形态是一个非完全均匀的无定形态,在不连续的无定形物质之间有部分未反应的粉煤灰和高岭土存在.其中,地聚合物B 的无定形程度比较高,这也表明以钾离子作为主要激发碱金属阳离子时,地聚合物的聚合程度较高[2].343 第3期徐建中等:地聚合物水泥固化重金属的研究 图2 粉煤灰地聚合物的XRD 图谱Fig.2 X 2ray diff raction spectra of fly ash based geopolymers(b ) Sample C (a ) Sample B图3 地聚合物B ,C 断面的扫描电镜照片Fig.3 SEM micrograph of f racture surface of geopolymeric samples B and C2.3 红外分析(IR )在层状铝硅酸盐中,[SiO 4]四面体之间可以有不同的结合形式,Al 既可取代Si 形成[AlO 4],也可以作为连接四面体的离子.因此,其红外光谱的特征吸收谱主要来自于Si —O —Si ,O —Si —O 以及Si —O —Al 的振动.由于更复杂振动的简并叠加,频率增大,使得谱带位置发生偏移[7,8].地聚合物A ,D ～I 的红外谱图及其主要红外振动峰值如图4所示.由图4可知:(1)地聚合物IR 谱线上最强特征峰对应的波数在1010cm -1附近,它对应的是Si —O —Si 或Al —O —Si 的不对称伸缩振动峰.重金属的加入会对这一红外振动峰产生不同程度的影响,表明重金属已经键合到了地聚合物的骨架结构之中.(2)波数在570cm -1附近的红外振动峰代表了Si —O —Al 四面体的双环结构的对称伸缩振动.重金属的加入也能明显影响这一红外振动模式,表明此时重金属已取代了部分聚合链上的部分基团,从而导致SiO 4基团周围的环境发生了变化.(3)相对于上述两种振动模式,波数在455cm -1附近的红外振动模式对应于Si —O 键平面内的弯曲振动,重金属的加入对这一部分的振动峰影响比较小,这表明重金属以较弱的结合形式与地聚合物的聚合链发生了键合.在波数约为700cm -1处出现的弱吸收峰对应4配位AlO 4的振动,这些峰说明在地聚合物中含有未反应的粉煤灰和偏高岭土.443建 筑 材 料 学 报第9卷 图4 地聚合物A ,D ,E ,F ,G ,H 和I 的红外光谱Fig.4 IR spectra of geopolymeric samples A ,D ,E ,F ,G ,H and I2.4 重金属的溶出实验固体废弃物的毒性溶出试验为有害废物的鉴别和试验提供了强有力的检测手段.根据重金属在醋酸溶液中的溶出数据,可以有效推算地聚合物对重金属的固化效果.表5给出了重金属在地聚合物B ～I 中的溶出数据.表5 重金属滤出液的浓度T able 5 Leaching concentration of various heavy metals from geopolymeric samplesμg/LSample Cd Cr Cu Ni PbZn B 30.80 3.5812.40 2.55—52.70C 0.500.972.113.36——D 4.61—————E —0.71————F —— 2.33———G ——————H ——————I—————2.99543 第3期徐建中等:地聚合物水泥固化重金属的研究 643建 筑 材 料 学 报第9卷 地聚合物D～I中均只含有1种主要重金属.通过单独研究这些重金属的溶出率,可以更好地了解它们在地聚合物中的固化效果.由表5可知,地聚合物对Pb和Ni的固化作用最为明显,Cr其次,Zn,Cu和Cd较差.然而,通过对比还可以发现,重金属的固化效果还受同一体系中其他重金属的影响(Pb除外).其中,Zn和Cd受其他重金属的影响最大.因此可以推断,当用地聚合物同时固化多种重金属时,在重金属之间存在着竞争反应.由表5可以看出:(1)地聚合物对上述几种重金属均有很好的固化效果;(2)重金属在地聚合物C中的固化效果明显好于其在地聚合物B中的固化效果,这主要是由于地聚合物C中含有钠离子所致[9].3 结论1.重金属种类对以粉煤灰为主要原材料制备的地聚合物的抗压强度具有很大影响.其中,Cd, Pb和Zn的加入能明显增强地聚合物的抗压强度,而Cr的加入却减弱了地聚合物的抗压强度,Cu 和Ni对地聚合物抗压强度的影响较小.2.地聚合物可以有效固化重金属,但由于重金属结构上的差异而使其固化各种重金属的效果不尽相同.地聚合物对Pb和Ni的固化效果最好,Cr其次,Zn,Cu和Cd较差.除Pb外,重金属在地聚合物中的固化效果受碱激活剂的种类和同一体系中其他重金属的影响,其中,Zn和Cd受其他重金属的影响最大.3.利用XRD,SEM和F TIR对地聚合物的结构进行分析后发现,地聚合物对重金属的固化机理为物理固封和化学键连的共同作用.参考文献:[1] HAL IM C,AMAL R,BEYDOUN D,et al.Implications of t he st ructure of cementitious wastes containing Pb(Ⅱ),Cd(Ⅱ),As(Ⅴ)and Cr(Ⅵ)on t he leaching of metals[J].Cement and Concrete Research,2004,34(7):1093-1102.[2] DAVIDOVITS J.Geopolymers:inorganic polymeric new materials[J].Journal Thermal Analysis,1991,37(8):1633-1656.[3] 袁鸿昌,江尧忠.地聚合物材料的发展及其在我国的应用前景[J].硅酸盐学报,1998,26(2):46-50.[4] van J 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重金属污染土壤固化与稳定化修复技术研究摘要：目前，重金属污染相对严重，固化/稳定化(S/S)修复成为重要防控措施，该技术是实现重金属污染程度降低以及改善土壤现状的一种修复方法，高效稳定，适用性较强。
原理是将重金属污染土壤稳定住，在化学原理作用下形成固态不溶物，借此防止污染释放。
本文将结合S/S技术应用现状，分析S/S技术影响因素、主要技术，并对应用效果评价，借此为重金属污染土壤修复夯实技术应用的理论基础，改善土壤环境。
关键词：土壤修复技术；固化与稳定化；重金属污染引言：研究发现，土壤重金属污染不同于其他介质污染，不仅污染范围广，而且污染时间持续时间长，土壤重金属污染隐蔽性强，污染前期较难发现。
而且无法被生物降解，久而久之土壤重金属污染会转嫁到生物体内，最终损害身体健康。
重金属污染土壤修复备受全球关注，技术主要有植物修复、热解析法、微生物修复以及本文重点研究的固化/稳定化(S/S)等。
实践证明S/S修复技术优势在于成本低、见效快，值得大范围推广。
1固化与稳定化修复技术原理土壤固化/稳定化(Solidification/Stabilization，S/S)包含了两个概念。
首先是污染固化处理，重点在于对污染物实施包裹，确保呈现出颗粒状态，实现有效的污染物管理封存，这样的污染物就可以减少流动性，降低对周围环境影响。
稳定化处理过程是指借助可靠途径将污染物转化，生成迁移能力较差且不容易溶解的形式，降低污染物的有害性，为生态系统危害性控制提供可能。
在很多场景中，稳定化与固化过程截然相反，稳定化结果有较低的泄漏风险，不容小觑。
2 S/S修复效果影响因素2.1土壤特征在S/S修复过程中，水化反应是必要条件，土壤的pH值、实际的物质特征以及氧化还原电位等均会直接左右S/S的修复效果。
（1）pH值。
研究发现，碱性环境(pH>10),可有效强化水化反应（以石灰石等为基料的），促使较多水化硅酸钙等形成，这对S/S修复效果至关重要。
危险废物焚烧飞灰中重金属的稳定化处理危险废物焚烧飞灰中含有大量的重金属，这些重金属会对环境和人体造成很大的危害。
因此，对焚烧飞灰中的重金属进行稳定化处理是十分必要的。
钙基稳定化处理是一种常见的处理方法，其通过在焚烧飞灰中加入钙质化合物来控制重金属的释放，将其转化为不易挥发的稳定化化合物，从而达到减轻环境和人体的污染。
这个过程需要考虑多个因素，如钙质化合物的用量、焚烧温度、温度保持时间等。
在稳定化处理中，钙质化合物的选择非常重要，因为钙的不同化合状态和离子化程度对毒性重金属的结合能力和释放能力会产生不同的影响。
常用的钙质化合物有生硅酸钙、生石灰、氢氧化钙等。
其中，生石灰具有较高的碱度和烧结性能，可以有效地吸附焚烧飞灰中的重金属，但是由于其粒度较粗且易吸湿，需要进行细化和防潮保护。
在处理时，焚烧飞灰和钙质化合物的比例也是一个需要注意的因素。
一般来说，当焚烧飞灰的重金属含量较高时，稳定化处理需要加入更多的钙质化合物。
在这个过程中，如果加入过多的钙质化合物，不仅会导致金属固化率下降，而且还会影响粉体的流动性和稳定性。
因此，需要在一定范围内选择最合适的配比。
另外，焚烧温度和温度保持时间也是稳定化处理的重要影响因素。
温度过低，重金属无法被固定，而温度过高会破坏氧化还原反应，从而影响重金属的稳定化。
通常情况下，焚烧温度在800°C左右，温度保持时间不少于1小时。
总之，危险废物焚烧飞灰中的重金属含量极高，如果没有经过稳定化处理，对环境和人体造成的危害不可避免。
钙基稳定化处理是一种有效的方法，但处理过程中需要注意处理条件和钙质化合物的选择，以达到最佳的处理效果和稳定性。
收稿日期：２０１１－０６－１３；修订日期：２０１１－０８－０４基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１１７２１６４，５１２０８３７０）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（２００９００７２１１００１０，２０１１００７２１２００４６）第一作者：郭晓潞（１９８０—），女，山西长治人，同济大学讲师，硕士生导师，博士．Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｘｉａｏｌｕ＠ｔｏｎｇｊｉ．ｅｄｕ．ｃｎ文章编号：１００７－９６２９（２０１２）０６－０７５１－０４高钙粉煤灰地聚合物固化／稳定重金属离子研究郭晓潞１，２， 施惠生１，２（１．同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室，上海２０１８０４；２．同济大学材料科学与工程学院，上海２０１８０４）摘要：利用高钙粉煤灰研制地聚合物来固化／稳定重金属离子，研究了高钙粉煤灰地聚合物对重金属离子的固化／稳定效果，并进一步初探了高钙粉煤灰地聚合物对重金属离子的固化／稳定作用机制．研究表明：高钙粉煤灰地聚合物分别固化／稳定质量分数为０．０２５％的Ｐｂ（Ⅱ），０．０２５％的Ｃｒ（Ⅵ）和０．０１０％的Ｈｇ（Ⅱ）后，重金属离子的浸出浓度远低于规定的上限值，固化率均在９８％（质量分数）以上；高钙粉煤灰地聚合物固化／稳定重金属离子后，有无定形的地聚合物凝胶及类沸石矿物ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８·４Ｈ２Ｏ生成，重金属阳离子部分置换了Ｎａ＋或Ｃａ２＋，被键合在地聚合物的网状结构中，引起了分子基团的显著变化；在无定形凝胶之间分别出现了细丝状、膨化状以及粒状产物．关键词：高钙粉煤灰；地聚合物；重金属离子；浸出浓度；作用机制中图分类号：ＴＱ１７２．７８ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－９６２９．２０１２．０６．００４Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ／Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ｍｅｔａｌ Ｉｏｎｓ ｂｙ Ｃｌａｓｓ ＣＦｌｙ Ａｓｈ ＧｅｏｐｏｌｙｍｅｒＧＵＯ Ｘｉａｏ－ｌｕ１，２， ＳＨＩ Ｈｕｉ－ｓｈｅｎｇ１，２（１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｌａｓｓ Ｃ ｆｌｙ ａｓｈ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｒｅｐａｒｅ ｔｈｅ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｆｏｒ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｖ－ｙ ｍｅｔａｌ ｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｉｏｎｓ ｂｙ ｃｌａｓｓ Ｃ ｆｌｙ ａｓｈｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ａｎｄ ｉｔｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｆｔｅｒ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ０．０２５％（ｂｙ ｍａｓｓ）ｏｆ Ｐｂ（Ⅱ），０．０２５％（ｂｙ ｍａｓｓ）ｏｆ Ｃｒ（Ⅵ）ａｎｄ ０．０１０％（ｂｙ ｍａｓｓ）ｏｆＨｇ（Ⅱ）ｂｙ ｃｌａｓｓ Ｃ ｆｌｙ ａｓｈ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ，ｔｈｅ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｉｏｎｓ ａｒｅ ｆａｒ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｌｉｍｉｔ，ａｎｄ ａｌｌ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ／ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｒａｔｉｏｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｉｏｎｓ ｒｅａｃｈ ９８％．Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｇｅｏｐｏｌｙ－ｍｅｒｉｃ ｇｅｌ ａｎｄ ｓｉｍｉｌａｒ ｚｅｏｌｉｔｅ ｍｉｎｅｒａｌ ｏｆ ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８·４Ｈ２Ｏ ａｒｅ ｆｏｒｍｅｄ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ／ｓｔａ－ｂｉｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｉｏｎｓ．Ｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｐａｒｔｌｙ ｒｅｐｌａｃｅ Ｎａ＋ｏｒ Ｃａ２＋ａｎｄ ａｒｅ ｂｏｎｄ ｉｎ ｔｈｅｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｎｅｔｗｏｒｋ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｒａｄｉｃａｌ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｃｈａｎｇｅｄ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｇｅｏｐｏｌｙ－ｍｅｒ ｓｏｌｉｄｉｆｉｅｄ／ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｃｒ（Ⅵ），Ｐｂ（Ⅱ），ａｎｄ Ｈｇ（Ⅱ）ｔｈｅ ｆｉｌａｍｅｎｔｏｕｓ ｐｒｏｄｕｃｔ，ｓｗｅｌｌｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔ，ａｎｄｇｒａｎｕｌｅ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｒｅ ｏｂｓｅｒｖｅｄ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ａｍｏｒｐｈｏｕｓ ｇｅｌ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｌａｓｓ Ｃ ｆｌｙ ａｓｈ（ＣＦＡ）；ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ；ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ ｉｏｎ；ｌｅａｃｈｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｓｍ 随着全球工业的发展，金属制品业、化工业、电气设备制造业等领域产生的重金属废弃物量越来越大，因此，重金属废弃物处置业蓬勃兴起，推动了水泥基固化／稳定、热塑性微包胶、玻璃固化等许多处第１５卷第６期２０１２年１２月建筑材料学报ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＢＵＩＬＤＩＮＧ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＶｏｌ．１５，Ｎｏ．６Ｄｅｃ．，２０１２７５２ 建筑材料学报第１５卷 置技术的发展［１－４］．但是，这些技术均难以平衡重金属固化／稳定的效果与处置成本之间的矛盾．新兴的地聚合物（ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ），因其成本较低、可以消纳工业固体废弃物且具有环境友好及固化效果良好等特性引起了人们的研究兴趣．地聚合物是硅铝质无机原料通过矿物聚缩生成的一种以硅铝四面体为单元的无定形三维网状无机聚合物，兼有陶瓷、水泥、高分子材料的特点，其因高强、高韧、耐腐蚀、耐火以及固封重金属等优异性能而被广泛应用于危险废弃物处置、固化重金属、建筑材料、航空航天材料等领域［５－１２］．目前，地聚合物多以硅铝质较纯的工业固体废弃物如煅烧黏土、低钙粉煤灰为原材料．随着电力工业的飞速发展和煤炭资源的耗竭，具有高挥发份的褐煤和次烟煤也被用作动力燃料，导致越来越多的高钙粉煤灰大量排出并堆积形成新的污染源，亟须加以处置利用．而且，地聚合物固化／稳定重金属的研究尚局限于含铅、铜等重金属，对铬、汞等变价重金属的研究甚少．因此，本文拟利用高钙粉煤灰研制地聚合物来固化／稳定重金属离子铅、铬、汞，研究了高钙粉煤灰地聚合物对这些重金属离子的固化／稳定效果，并进一步探讨了高钙粉煤灰地聚合物对重金属离子的固化／稳定作用机制．１ 试验 高钙粉煤灰（ＣＦＡ）由某能源公司提供，其主要化学成分见表１；ＮａＯＨ为化学试剂；水玻璃固含量为３８．３％（质量分数），含有质量分数分别为９．１％，２９．２％，６１．７％的Ｎａ２Ｏ，ＳｉＯ２，Ｈ２Ｏ，其模数为３．３．表１ 高钙粉煤灰的主要化学成分Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ（ｂｙ ｍａｓｓ）ｏｆ ＣＦＡ％ＳｉＯ２Ａ１２Ｏ３Ｆｅ２Ｏ３ＭｇＯ ＣａＯ ＳＯ３Ｋ２Ｏ Ｎａ２Ｏ ＩＬ３８．０ １９．０ ９．０ ５．０ ２０．０ ３．０ ０．４ １．０ ３．５ 笔者前期成功制备了高钙粉煤灰地聚合物［１３］．经大量试验优化，采用由ＮａＯＨ调节水玻璃配成的复合碱激发剂，其模数为１．５，掺量（以引入的Ｎａ２Ｏ含量计）为高钙粉煤灰质量的１０％，水灰比为０．４（质量比，其中水包括由复合碱激发剂引入的水和外加的去离子水），重金属种类及掺量见表２，其中重金属无机盐试剂的掺量为重金属离子含量．试件用２０ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍ立方体试模成型，并用塑料薄膜覆盖密封，在７５℃养护８ｈ后置于常温（２３℃）下养护至２８ｄ，制成高钙粉煤灰地聚合物重金属固化体试件．表２ 高钙粉煤灰地聚合物固化／稳定重金属的配合比Ｔａｂｌｅ ２ Ｍｉｘ ｒａｔｉｏ ｏｆ ＣＦＡ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｓｏｌｉｄｉｆｉｎｇ／ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓＳａｍｐｌｅ Ｒｅａｇｅｎｔ Ｃｏｎｔｅｎｔ（ｂｙ ｍａｓｓ）／％ＣＦＡ－ｂｌａｎｋ——ＣＦＡ－Ｐｂ（Ⅱ）Ｐｂ（ＮＯ３）２０．０２５ＣＦＡ－Ｃｒ（Ⅵ）ＣｒＯ３０．０２５ＣＦＡ－Ｈｇ（Ⅱ）ＨｇＯ ０．０１０ 试件的毒性浸出试验按照美国毒性浸出试验标准（ＴＣＬＰ）进行．将试件破碎至直径小于９．５ｍｍ的固体试样，以０．１ｍｏｌ／Ｌ且ｐＨ为２．９的醋酸作浸出液，浸出液与固体试样的质量比为２０︰１，装入聚氯乙烯瓶中，在ＴＣＬＰ专用振荡仪上振荡１８ｈ，采用电感耦合等离子发射光谱（ＩＣＰ）测试浸出液中重金属离子的浸出毒性．采用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）、傅里叶转换红外光谱（ＦＴ－ＩＲ）、扫描电镜（ＳＥＭ）等测试方法和表征手段，进一步研究了高钙粉煤灰地聚合物对重金属离子固化／稳定的作用机制．２ 结果与讨论２．１ 固化体的重金属浸出性能根据美国环境保护法规定［１４］，毒性浸出试验重金属元素浓度上限为：Ｃｒ，５．０ｍｇ／Ｌ；Ｐｂ，５．０ｍｇ／Ｌ；Ｈｇ，０．２ｍｇ／Ｌ．表３为重金属的浸出浓度和固化率．从表３可以看出，高钙粉煤灰地聚合物分别固化质量分数为０．０２５％的Ｐｂ（Ⅱ），０．０２５％的Ｃｒ（Ⅵ）或０．０１０％的Ｈｇ（Ⅱ）后，试样的重金属毒性浸出浓度远低于文献［１４］的上限值，且重金属固化率均在９８％（质量分数）以上．这说明用高钙粉煤灰地聚合物固化／稳定重金属Ｐｂ（Ⅱ），Ｃｒ（Ⅵ）和Ｈｇ（Ⅱ）的效果良好．表３ 重金属的浸出浓度和固化率Ｔａｂｌｅ ３ Ｌｅａｃｈｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｌｉｄｉｆｉｎｇ／ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ ｒａｔｉｏｓｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ（ｌｅｃｈａｔｅ ｐＨ＝２．９）ＳａｍｐｌｅＬｅａｃｈｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａ－ｔｉｏｎ／（ｍｇ·Ｌ－１）Ｓｏｌｉｄｉｆｉｎｇ／ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇｒａｔｉｏ（ｂｙ ｍａｓｓ）／％ＣＦＡ－Ｐｂ（Ⅱ）０．００３ ９９．９８ＣＦＡ－Ｃｒ（Ⅵ）０．０１５ ９９．８８ＣＦＡ－Ｈｇ（Ⅱ）０．０６８ ９８．０４ 文献［１５－１９］采用碱激发粉煤灰或其他地聚合物材料固化／稳定０．２００％～３．１２５％重金属铅，其浸出试验结果见表４．从表４可以看出，有的重金属铅的毒性浸出浓度甚至远高于重金属的浸出浓度上限． 第６期郭晓潞，等：高钙粉煤灰地聚合物固化／稳定重金属离子研究７５３ 表４ 其他学者用地聚合物固封键合重金属铅Ｐｂ（Ⅱ）的浸出浓度Ｔａｂｌｅ ４ Ｌｅａｃｈｉｎｇ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｂ（Ⅱ）ｒｅｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｏｔｈｅｒ ａｕｔｈｏｒｓＲｅｓｅａｒｃｈｅｒ ＹｅａｒＨｅａｖｙ ｍｅｔａｌｃｏｎｔｅｎｔ（ｂｙ ｍａｓｓ）／％Ｌｅａｃｈｉｎｇｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ（ＴＣＬＰ）／（ｍｇ·Ｌ－１）ｖａｎ Ｊａａｒｓｖｅｌｄ，ｅｔｃ．１９９８Ｐｂ（Ⅱ），０．５００ １４ ０００－２５ ０００ｖａｎ Ｊａａｒｓｖｅｌｄ，ｅｔｃ．１９９９Ｐｂ（Ⅱ），０．２００ １７－３４ｖａｎ Ｄｅｖｅｎｔｅｒ，ｅｔｃ．２００１Ｐｂ（Ⅱ），０．５００＜５Ｐａｌａｃｉｏｓ，ｅｔｃ．２００４Ｐｂ（Ⅱ），３．１２５＞１０Ｐｅｒｅｒａ，ｅｔｃ．２００５Ｐｂ（Ⅱ），１．０００＜５２．２ 高钙粉煤灰地聚合物固化／稳定重金属离子的作用机制２．２．１ Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）分析图１为高钙粉煤灰地聚合物固化重金属Ｐｂ（Ⅱ），Ｃｒ（Ⅵ）或Ｈｇ（Ⅱ）后的ＸＲＤ谱图．与高钙粉煤灰地聚合物空白试样相比，固化重金属后，所有试样均出现了无机地聚合物凝胶的馒头峰，并检测到了类沸石矿物———斜方钙沸石（ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８·４Ｈ２Ｏ）．然而，固化重金属后，重金属减缓了地聚合反应的速度，体系中明显存在未反应的物相，且斜方钙沸石的峰有所弱化．图１ ＸＲＤ谱图Ｆｉｇ．１ ＸＲＤ ｐａｔｔｅｒｎｓ２．２．２ 傅里叶变换红外光谱（ＦＴ－ＩＲ）分析高钙粉煤灰地聚合物的ＦＴ－ＩＲ谱图见图２．在空白试样的ＦＴ－ＩＲ谱线上［１３］，７４７ｃｍ－１处为Ｓｉ—Ｏ—Ｓｉ的弯曲振动峰；１ ０３６ｃｍ－１处为Ｓｉ—Ｏ对称伸缩峰；１ ６４８ｃｍ－１处为—ＯＨ和Ｈ—Ｏ—Ｈ伸缩振动峰．固化重金属后，各试样的特征峰峰型相似，在８２５，８７５ｃｍ－１处，出现了２个明显的特征峰，这是Ｓｉ—Ｏ—Ａｌ四面体双环结构的对称伸缩振动，表明重金属可能参与了地聚合反应，重金属离子被键合图２ ＦＴ－ＩＲ谱图Ｆｉｇ．２ ＦＴ－ＩＲ ｓｐｅｃｔｒｕｍ在高钙粉煤灰地聚合物的三维网状结构中，部分置换了地聚合物中的Ｎａ＋或Ｃａ２＋，从而引起地聚合物分子基团的显著变化；１ ０４９ｃｍ－１处为Ｓｉ—Ｏ的对称伸缩峰；１ ４０１，１ ４５０，１ ４９４ｃｍ－１处的３个特征峰是重金属键合到地聚合物的骨架结构中所引起的分子振动所致，而—ＯＨ和Ｈ—Ｏ—Ｈ伸缩振动峰偏移至１ ６１１ｃｍ－１处．２．２．３ 扫描电镜（ＳＥＭ）分析图３为各试样的ＳＥＭ照片．地聚合物的基本结构为硅氧四面体与铝氧四面体组成的三维网状无定形结构，正是这种特殊的结构能有效固化重金属．在复合碱激发剂作用下，高钙粉煤灰颗粒中的玻璃质微珠被碱溶蚀破坏，硅铝相成分不断溶出，继而再聚合生成地聚合物凝胶，填充在高钙粉煤灰颗粒内部或颗粒之间．由图３可见，高钙粉煤灰地聚合物的表观形态是一个非完全均匀的无定形态（见图３（ａ）），高钙粉煤灰地聚合物固化重金属后，ＣＦＡ－Ｐｂ（Ⅱ）， 图３ ＳＥＭ照片Ｆｉｇ．３ ＳＥＭ ｐｉｃｔｕｒｅｓ７５４ 建筑材料学报第１５卷 ＣＦＡ－Ｃｒ（Ⅵ）和ＣＦＡ－Ｈｇ（Ⅱ）中分别出现了细丝状、膨化状以及粒状产物（见图３（ｂ）～（ｄ））．３ 小结 （１）高钙粉煤灰地聚合物分别固化／稳定０．０２５％的Ｐｂ（Ⅱ），０．０２５％的Ｃｒ（Ⅵ）或０．０１０％的Ｈｇ（Ⅱ）后，固化体中重金属离子的浸出浓度远低于有关规定的上限值，且重金属固化率均在９８％以上．（２）高钙粉煤灰地聚合物固化／稳定重金属离子后，有无定形的地聚合物凝胶及类沸石矿物ＣａＡｌ２Ｓｉ２Ｏ８·４Ｈ２Ｏ生成；重金属离子部分置换了Ｎａ＋或Ｃａ２＋，被键合在地聚合物的网状结构中，引起了分子基团及微观形貌的显著变化．参考文献：［１］ ＧＬＡＳＳＥＲ Ｆ Ｐ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊ Ｈａｚａｒｄ Ｍａｔｅｒ，１９９７，５２（２－３）：１５１－１７０．［２］ ＭＡＬＶＩＹＡ Ｒ，ＣＨＡＵＤＨＡＲＹ Ｒ．Ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｈａｚａｒｄｏｕｓｗａｓｔｅ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ／ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ：Ａ ｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．Ｊ Ｈａｚａｒｄ Ｍａ－ｔｅｒ，２００６，１３７（１）：２６７－２７６．［３］ ＤＵＸＳＯＮ Ｐ，ＦＥＲＮ′ＡＮＤＥＺ－ＪＩＭ′ＥＮＥ Ａ Ｚ，ＰＲＯＶＩＳ Ｊ Ｌ，ｅｔａｌ．Ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｒｔ［Ｊ］．ＪＭａｔｅｒ Ｓｃｉ，２００７，４２（９）：２９１７－２９３３．［４］ ＰＲＯＶＩＳ Ｊ Ｌ，ＬＵＫＥＹ Ｇ Ｃ，ｖａｎ ＤＥＶＥＮＴＥＲ Ｊ Ｓ Ｊ．Ｄｏｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ ａｃｔｕａｌｌｙ ｃｏｎｔａｉｎ ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｚｅｏｌｉｔｅｓ？—Ａｒｅｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ［Ｊ］．Ｃｈｅｍ Ｍａｔｅｒ，２００５，１７（１２）：３０７５－３０８５．［５］ ＳＨＩ Ｃ，ＫＲＩＶＥＮＫＯ Ｐ Ｖ，ＲＯＹ Ｄ Ｍ．Ａｌｋａｌｉ－ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃｅｍｅｎｔｓａｎｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅｓ［Ｍ］．Ａｂｉｎｇｄｏｎ：Ｔａｙｌｏｒ ａｎｄ Ｆｒａｎｃｉｓ，２００６：３１３－３１９．［６］ ｖａｎ ＤＥＶＥＮＴＥＲ Ｊ Ｓ Ｊ，ＰＲＯＶＩＳ Ｊ Ｌ，ＤＵＸＳＯＮ Ｐ，ｅｔ ａｌ．Ｒｅａｃ－ｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｉｎｏｒｇａｎｉｃ－ｗａｓｔｅ ｔｏ ｕｓｅｆｕｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ［Ｊ］．Ｊ Ｈａｚａｒｄ Ｍａｔｅｒ，２００７，１３９（３）：５０６－５１３．［７］ ＭＩＬＥＳＴＯＮＥ Ｎ Ｂ．Ｒｅａｃｔｉｏｎｓ ｉｎ ｃｅｍｅｎｔ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｎｕｃｌｅａｒｗａｓｔｅｓ：Ｎｅｅｄ ｆｏｒ ｔｏｏｌｂｏｘ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｅｍｅｎｔ ｔｙｐｅｓ［Ｊ］．ＡｄｖＡｐｐｌ Ｃｅｒａｍ，２００６，１０５（１）：１３－２０．［８］ ＤＥＪＡ Ｊ．Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｒ６＋，Ｃｄ２＋，Ｚｎ２＋ａｎｄ Ｐｂ２＋ｉｎ ａｌｋａｌｉ－ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｓｌａｇ ｂｉｎｄｅｒｓ［Ｊ］．Ｃｅｍ Ｃｏｎｃｒ Ｒｅｓ，２００２，３２（１２）：１９７１－１９７９．［９］ ｖａｎ ＪＡＡＲＳＶＥＬＤ Ｊ Ｇ Ｓ，ｖａｎ ＤＥＶＥＮＴＥＲ Ｊ Ｓ Ｊ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｍｅｔａｌ ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｗａｓｔｅ－ｂａｓｅｄ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ［Ｊ］．Ｃｅｍ Ｃｏｎｃｒ Ｒｅｓ，１９９９，２９（８）：１１８９－１２００．［１０］ ＰＡＬＯＭＯ Ａ，ＰＡＬＡＣＩＯＳ Ｍ．Ａｌｋａｌｉ－ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃｅｍｅｎｔｉｔｉｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌｓ：Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｍａｔｒｉｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｍｏｂｉｌｉｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｈａｚ－ａｒｄｏｕｓ ｗａｓｔｅｓ（ＰａｒｔⅡ）：Ｓｔａｂｉｌｉｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｒｏｍｉｕｍ ａｎｄ ｌｅａｄ［Ｊ］．Ｃｅｍ Ｃｏｎｃｒ Ｒｅｓ，２００３，３３（２）：２８９－２９５．［１１］ ＤＵＸＳＯＮ Ｐ，ＰＲＯＶＩＳ Ｊ Ｌ，ＬＵＫＥＹ Ｇ Ｃ，ｅｔ ａｌ．Ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃ－ｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｌｌｏｉｄｓ Ｓｕｒｆ Ａ Ｐｈｙｓｉｃｏ－ｃｈｅｍ Ｅｎｇ Ａｓｐ，２００５，２６９（１－３）：４７－５８．［１２］ ＤＵＸＳＯＮ Ｐ，ＭＡＬＬＩＣＯＡＴ Ｓ Ｗ，ＬＵＫＥＹ Ｇ Ｃ，ｅｔ ａｌ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｌｋａｌｉ ａｎｄ Ｓｉ／Ａｌ ｒａｔｉｏ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉ－ｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｅｔａｋａｏｌｉｎ－ｂａｓｅｄ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｓ［Ｊ］．ＣｏｌｌｏｉｄｓＳｕｒｆ Ａ Ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍ Ｅｎｇ Ａｓｐ，２００７，２９２（１）：８－２０．［１３］ ＧＵＯ Ｘｉａｏ－ｌｕ，ＳＨＩ Ｈｕｉ－ｓｈｅｎｇ，ＤＩＣＫ Ｗ Ａ．Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｌａｓｓ Ｃ ｆｌｙ ａｓｈｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ［Ｊ］．Ｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，２０１０，３２（２）：１４２－１４７．［１４］ ＥＰＡ Ｍｅｔｈｏｄ １３１１ Ｔｏｘｉｃｉｔｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅ－ｄｕｒｅ（ＴＣＬＰ）［Ｓ］．［１５］ ｖａｎ ＪＡＡＲＳＶＥＬＤ Ｊ Ｇ Ｓ，ｖａｎ ＤＥＶＥＮＴＥＲ Ｊ Ｓ Ｊ，ＬＯＲＥＮＺＥＮＬ．Ｆａｃｔｏｒｓ ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌｓ ｉｎ ｇｅｏｐｏｌｙ－ｍｅｒｉｚｅｄ ｆｌｙ ａｓｈ［Ｊ］．Ｍｅｔ Ｍａｔｅｒ Ｔｒａｎｓ，１９９８，２９（２）：２８３－２９１．［１６］ ｖａｎ ＪＡＡＲＳＶＥＬＤ Ｊ Ｇ Ｓ，ｖａｎ ＤＥＶＥＮＴＥＲ Ｊ Ｓ Ｊ，ＳＣＨＷＡＲ－ＴＺＭＡＮ Ａ．Ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｕｓｅ ｏｆ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｔｏｉｍｍｏｂｉｌｉｓｅ ｔｏｘｉｃ ｍｅｔａｌｓ（ＰａｒｔⅡ）：Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｌｅａｃｈｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ［Ｊ］．Ｍｉｎｅｒ Ｅｎｇ，１９９９，１２（１）：７５－９１．［１７］ ＰＨＡＩＲ Ｊ Ｗ，ｖａｎ ＤＥＶＥＮＴＥＲ Ｊ Ｓ Ｊ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｉｌｉｃａｔｅ ａｃｔｉｖａｔｏｒｐＨ ｏｎ ｔｈｅ ｌｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｗａｔｅｒ－ｂａｓｅｄｉｎｏｒｇａｎｉｃ ｐｏｌｙｍｅｒｓ［Ｊ］．Ｍｉｎｅｒ Ｅｎｇ，２００１，１４（３）：２８９－３０４．［１８］ ＰＡＬＡＣＩＯＳ Ｍ，ＰＡＬＯＭＯ Ａ．Ａｌｋａｌｉ－ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｆｌｙ ａｓｈ ｍａｔｒｉｃｅｓｆｏｒ ｌｅａｄ ｉｍｍｏｂｉｌｉｓａｔｉｏｎ：Ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｅａｃｈｉｎｇｔｅｓｔｓ［Ｊ］．Ａｄｖ Ｃｅｍｅｎｔ Ｒｅｓ，２００４，１６（４）：１３７－１４４．［１９］ ＰＥＲＥＲＡ Ｄ Ｓ，ＡＬＹ Ｚ，ＶＡＮＣＥ Ｅ Ｒ，ｅｔ ａｌ．Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆＰｂ ｉｎ ａ ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ ｍａｔｒｉｘ［Ｊ］．Ｊ Ａｍ Ｃｅｒａｍ Ｓｏｃ，２００５，８８（９）：２５８６－２５８８．。
