危险废物水泥窑共处置过程及产品中重金属释放机理研究

研究危险废物水泥窑共处置过程和产品中重金属的释放机理，是控制危险废物水泥窑共处置污染并推动水泥窑共处置技术发展的关键问题。项目拟将重金属化合物与水泥生料混合后在管式电炉中高温煅烧模拟共处置制取水泥熟料，采集不同温度段管壁上的挥发残留物、布袋上的颗粒物。采用同步辐射X射线吸收光谱法分析其化学组成，并运用重金属化学化合物热处理过程的热力学和动力学理论，研究共处置过程重金属的挥发迁移机理。以微观分析技术（电子探针和同步辐射X射线吸收光谱法）为手段，结合分级提取方法，研究重金属在水泥矿物相中的存在形态；开展水泥产品中重金属浸出动力学实验，同时应用PHREEQC 软件模拟水泥产品中重金属的释放过程，将二者结果进行比对以解析重金属化合物的溶解、解吸和扩散行为。从"源"和"过程"角度研究重金属在水泥产品中的释放机理。并在此基础上建立水泥产品中重金属长期释放模型，为共处置产品的环境安全性评价提供理论基础。

研究危险废物水泥窑共处置过程和产品中重金属的释放机理，是控制危险废物水泥窑共处置环境污染风险的关键问题。为此，项目通过模拟水泥窑共处置试验，研究共处置过程重金属的释放机理,开展水泥产品中重金属的存在形态并模拟浸出研究，揭示水泥产品中重金属的释放机理并建立其长期释放模型。.结果表明：（1）重金属在水泥窑内高温区和低温区的释放分别以挥发和吸附冷凝为主，符合一级反应动力学和吸附冷凝符合双常数动力学方程；（2）重金属的释放受其挥发性和温度影响较大。模拟处置过程Cr、As和Pb的释放率均随温度升高而增加，但Cr和As的释放率分别在1200℃、1000℃后变化不大，Pb则一直随温度升高而增大。（3）重金属的释放与高温过程重金属参与水泥矿物固液相反应产物的热稳定性有关。温度较低时，Cr主要以Cr2O3等简单化合物存在，温度升高，Cr参与水泥矿物反应，形成稳定的Ca4Al6O12CrO4，降低Cr挥发，Pb高温生成可分解的Ca3PbSiO6；（4）水泥产品中重金属的释放受其在水泥熟料及其水化产物中形态和赋存方式影响。烧成过程，Cr3+被氧化为Cr6+并通过置换Si4+固溶于硅酸二钙和硅酸三钙；Ni主要与Mg形成稳定的Ni-Mg化合物；As与C2S和C3S中Si进行置换形成置换式固溶体；水化过程，Cd主要是通过置换Ca存在于氢氧化钙晶体；Ni主要与Mg结合成惰性的镍镁化合物；Cr主要以形成难溶的铬酸钙或吸附或沉淀在水化硅酸钙凝胶；As与Mg、Ca结合，生成难溶性的砷酸盐吸附于水化硅酸钙凝胶；（5）水泥产品中重金属的浸出量随着pH的降低而增加；碳酸化作用降低水泥产品中重金属(As除外)的浸出，连续浸取条件下产品中重金属浸出量更大。（6）路面场景下水泥产品中重金属的释放机理以扩散为主，建立了基于fick扩散定律的长期释放模型并确定了释放模型参数。.项目建立的重金属在水泥窑内的挥发和吸附/冷凝动力学方程可计算重金属在水泥窑任意温度和任意停留时间下的挥发率和吸附/冷凝率。建立的水泥产品中重金属的释放模型可以预测重金属长期释放量。