王军建;王罗春;熊金磊;朱世杰
【摘 要】介绍了从建筑垃圾中回收石棉废物的步骤,综述了机械化学法、酸解法、热处理法等将石棉废物资源化的技术.讨论了回收水泥石棉生产混凝土和地质聚合物的再生利用方法,指出了石棉废物回收技术的发展趋势. 【期刊名称】《上海电力学院学报》
【年(卷),期】2016(032)006
【总页数】4页(P557-560)
【关键词】bdav石棉废物;回收;资源化;再生利用
【作 者】王军建;王罗春;熊金磊;朱世杰
【作者单位】上海电力学院环境与化学工程学院,上海200090;上海电力学院环境与化学工程
学院,上海200090;上海电力学院环境与化学工程学院,上海200090;上海电力学院环境与化学工程学院,上海200090
【正文语种】中 文
【中图分类】X705
录入笔石棉是天然纤维状的硅质矿物的泛称,具有良好的抗拉强度、隔热性和防腐蚀性,不易燃烧,故被广泛应用[1].
石棉矿按照分子结构可分为蛇纹石和角闪石两大类[1].蛇纹石的石棉纤维被称为温石棉,温石棉和角闪石棉是分子结构不同的硅酸盐纤维.温石棉是最常见的石棉种类,是以Si为中心的四面体和以Mg为中心的八面体按1∶1比例组成的含水硅酸盐,化学式为Mg3(OH)4Si2O5.角闪石石棉矿物系列主要包括4种,即阳起石Ca(Mg,Fe)5Si8O22(OH)2,透闪石(Mg,Fe2+)Si8O22(OH)2,青石棉(钠闪石)Si8O22(OH)2,铁石棉(Fe2+,Mg)7Si8O22(OH)2[2].
石棉矿按照物理性质可以分为脆性石棉和紧密石棉两大类.脆性石棉含有75%～95%的石棉
纤维,干化以后特别容易瓦碎、粉末化,常见于燃气壁炉和导管的保温层,熔炉的防火垫圈,地板、墙壁、天花板的粘结剂,板升降轴,空调的通风系统等.紧密石棉是由4%～15%的温石棉纤维或者0～6%的闪石棉纤维嵌入到水泥聚合物中,这种石棉材料不容易释放纤维,常用于水泥、砖石填充,瓦楞板、管道、绝缘体、烟囱顶部、复合材料,以及冰箱隔热层.
yig滤波器20世纪60年代早期,人们发现石棉矿物是致癌物质[3],角闪石石棉比温石棉的毒性更大[4],接触吸入石棉矿物可能诱发石棉肺、肺癌、间皮瘤和胸膜斑等疾病.目前,世界各国都将含石棉废物划为危险固体废物,石棉的使用受到严格的限制,已逐步被无毒的人造纤维取代[5].
含石棉废物的处理方法较多,每种方法都有可能涉及清除、封装、隔离和化学惰化4个步骤[6].
(1) 清除 将含石棉废物完全从被污染的地方清除,清理过程产生的危险废物必须处理[7].
(2) 封装 将丙烯酸塑胶类物质喷涂在含石棉废物的表面形成一层薄涂层,使其与环境分离开来,或将环氧丙烯酸树脂喷涂在含石棉废物的表面,并使环氧树脂渗入石棉矩阵,继而将其固化.鼓膜式板框压滤机
(3) 隔离 用化学性质稳定、质轻的刚性板材(铝材)隔离被石棉污染的区域.
管形母线(4) 化学惰化 将化学泡沫喷洒在含石棉的水泥上,选择性地分解石棉纤维[8],而不改变水泥结构.
进行以上操作时,工人都必须穿工作服,并佩戴高效微粒空气呼吸机.用临时刚性石膏板将室内再生场所分隔成较小的空间,所有的门、窗户、入口、插座及空调系统必须使用聚乙烯密封.所有的操作必须在负压的条件下进行,避免石棉纤维的释放[9].
处理后的石棉废物一般可以在专用填埋场中填埋,也可以在城市垃圾填埋场或工业废物填埋场的独立区域中进行填埋,但石棉废物的清除费用高、耗时长、毒性废物量大、工人存在高暴露危险、操作过程存在环境污染风险,故需研究更为彻底的处理方法和技术[10].
石棉废物可以转化为次生材料而加以回收利用,最近20年来机械化学方法[11]、酸解法[12]、微波热处理法[13] 和高温热处理法得到了发展,其中高温热处理技术是最为常见的处理方法.
2.1 机械化学法
机械化学法的原理是:将部分机械能转移到固体废物中,并转换成热能;由部分机械能引起物质宏观和微观层次的破裂、压缩、滑脱,破坏固体物质(包括石棉矿物)的晶体结构[14].机械化学法结合高能研磨和化学作用[15],可以彻底改变石棉纤维的结构,处理后的产品与水泥混合后具有较好的火山灰活性,可以用来生产高性能的混凝土.
2.2 酸解法
温石棉可以被氟硫酸(FSO3H)分解,该反应取决于在水中的电离平衡,形成HF和H2SO4,硫酸对温石棉的表层结构Mg(OH)2层有很高的亲和力,反应生成MgSO4·H2O,MgO,Mg2+.Mg(OH)2层被破坏以后,HF便与里层硅酸盐层反应生成硅酸和H2SiF6,同时还形成MgF2沉淀,这样石棉的纤维结构就被瓦解了.根据这个反应机理,选择适当浓度的HF和H2SO4组合,可以大大缩短石棉的溶解时间.
2.3 热处理法
所有石棉矿物在高温下熔化形成新的完全无毒的晶体结构,即转换成了无毒的硅酸盐[16]晶体.热处理法包括直接热处理[17]、玻璃化[18]、陶瓷化[19]等方法.
高频淬火工艺
(1) 直接热处理法 水泥石棉的热处理工艺是将水泥石棉材料密封包装,在隧道窑进行热处理,使石棉脱羟基,发生重结晶反应.在650～750 ℃,温石棉发生脱羟基,然后固态重结晶为镁橄榄石(Mg2SiO4),随后析出顽辉石(MgSiO3)[20].在反应过程中,虽然在分子水平上结构完全改变了,但温石棉纤维仍保存着相同的晶体形态.青石棉在1 050～1 100 ℃发生复杂反应分解,生成辉石(NaFe-SiO6)、顽辉石(MgSiO3)、赤铁矿(Fe2O3)和方石英(SiO2)[21].透闪石在1 050 ℃分解为透辉石(CaMaSi2O6)和顽辉石(MgSiO3)[22].阳起石含有铁,在高温1 100～1 350 ℃形成赤铁矿[23].
(2) 玻璃化 石棉玻璃化是由法国史耐德集团开发出的一项石棉废物处理新技术[24],这一技术是将石棉废物加热到1 600～1 900 ℃,使其化学性质趋于稳定,再将惰性物质与石棉融合,冷却后压碎,形成稳定的玻璃体粉末.这项技术关键是利用法国宇航公司研发的吹气电弧离子喷灯,待处理的石棉经过喷灯高温加热,化学性质会逐渐转变为类似玻璃态的物质.等离子体火炬玻璃化技术已应用于石棉废物的工厂回收利用.玻璃化技术最大的缺点是高能耗和费用昂贵,处理过程中须将废物加热至1 600 ℃高温,因此其应用受到一定的限制.
(3) 陶瓷化 将石棉废物加入陶土和惰性物质,在高温下可以生成陶瓷制品[25].相对于玻璃化
技术,陶瓷化技术是在低温(750～1 300 ℃)条件下使废物再结晶,从而降低处理过程的能耗和费用.由于吸水率低,表面密度高[26],材料的强度和抗腐蚀性明显得到提高,可被用作建筑和道路的惰性材料以及瓷砖的生产.
(4) 其他处理法 GERDES T等人[27]将微波、红外加热和化学处理技术集成一体化,开发出可移动的微波热处理石棉净化单元,此工艺已应用于石棉废物的现场分解.YANAGISAWA K等人[28]采用水热转化和酸作用相结合的方法处理石棉废物,其原理是:CHClF2 在过热蒸汽作用下分解产生酸性气体,温石棉、青石棉和铁石棉在较低温度下与酸性气体作用分解.
3.1 回收水泥石棉生产混凝土
水泥石棉板通过热处理回收得到的次生原料(Secondary Raw Material,SRM)可以作为制备混凝土的水泥替代物[29].热处理具体工艺如下:在工业隧道窑中40 h内均速升温至1 200 ℃,然后恒温21 h,最后8 h 内均速冷却至室温.由于次生原料中主要矿物相为C2S,其水化作用速率较水泥的主要矿物相C3S慢[30].
作为水泥的替代物,次生原料的掺入比对混凝土的性能有一定的影响.当掺入比为20%时,其
前期压缩强度明显低于对照混凝土,而90 d的压缩强度则与对照混凝土相当;当掺入比为5%～20% 时,其抗弯弹性模量随掺入比的增加而减小,掺入比为20%的混凝土,其抗弯弹性模量较对照混凝土下降了25%.掺入比为20%的混凝土可用于以下情况:水分含量低的室内环境;注入在惰性土壤或者水中的加强的钢筋混凝土;在固定的干燥或潮湿周期,但不受磨损、霜冻、化学攻击的未加强的混凝土;液体储罐或地基.
回收SRM用于水泥混凝土有利于环境,主要体现在两方面:减少了天然原材料(如碳酸钙),从而限制了采矿活动造成的环境影响;SRM混凝土替代商业水泥,减少了水泥生产过程中CO2的排放[31].
