【摘要】：高濃度復(fù)合重金屬污染場地的固化穩(wěn)定化修復(fù)技術(shù),是當(dāng)今環(huán)境巖土工程界研究的熱點(diǎn)、重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容之一。水泥作為常用固化劑,較難滿足高濃度復(fù)合重金屬污染土的固化穩(wěn)定要求,并且凍融循環(huán)、碳化、酸雨浸泡等復(fù)雜環(huán)境會(huì)影響水泥固化污染土的長期穩(wěn)定性。本文以國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目子課題(No.41330641)、國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題專項(xiàng)子課題(No.2013AA06A206)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.41472258)、江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(No.BK2010060)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(No.CXZZ__0159)和東南大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文基金項(xiàng)目(No.YBJJ1241)資助為依托,以工業(yè)污染場地典型污染物鋅(Zn)、鉛(Pb)為研究對象,研發(fā)新型磷酸鹽固化劑(型號KMP)。探討KMP與Zn、Pb污染物的相互作用機(jī)理;闡明凍融循環(huán)、碳化、酸雨浸泡等復(fù)雜環(huán)境作用下KMP固化Zn、Pb污染土的控制機(jī)理;明確KMP固化Zn、Pb污染土在凍融和碳化作用下的溶出、強(qiáng)度、生物毒性等變化規(guī)律;定量評價(jià)酸雨浸泡對KMP固化污染土 Zn、Pb運(yùn)移特性的影響。主要研究內(nèi)容和成果如下:(1)系統(tǒng)回顧了國內(nèi)外固化穩(wěn)定化技術(shù)的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀;歸納了傳統(tǒng)固化劑的應(yīng)用現(xiàn)狀及局限性;闡明了磷酸鹽固化劑固定重金屬污染物的性狀及控制機(jī)理;總結(jié)了固化重金屬污染土的長期穩(wěn)定性和評價(jià)方法;探討了降雨作用下固化污染土重金屬運(yùn)移特性研究現(xiàn)狀;指出了上述研究中存在和需要解決的問題。(2)介紹了試驗(yàn)材料的基本物理化學(xué)性質(zhì);提供了磷礦粉酸化方法;給出了 KMP固化劑、污染土、KMP和PC固化污染土,以及人工酸雨溶液的制備方法;列舉了微觀、溶出、強(qiáng)度以及發(fā)光細(xì)菌生物毒性等相關(guān)試驗(yàn)的內(nèi)容與方案。(3)明確KMP與Zn、Pb污染物的相互作用機(jī)理。針對KMP固化Zn、Pb污染物的X射線衍射結(jié)果,采用絕熱K值法定量分析主要生成產(chǎn)物的相對含量,并探討其與KMP固化污染土溶出和強(qiáng)度等變化關(guān)系;結(jié)合掃描電鏡/能譜分析(SEM/EDS),確定主要生成產(chǎn)物在不同初始Zn、Pb濃度時(shí)的微觀特征和典型區(qū)域化學(xué)元素質(zhì)量比。結(jié)果表明:含 Zn、Pb 磷酸鹽如 Zn3(PO4)2·4H2O、CaZn2(PO4)2·2H2O、和 Pb5(PO4)3F 為 KMP固定Zn、Pb污染物的主要形式,磷酸鎂系列產(chǎn)物如Mg3(PO4)2、Mg3(PO4)2·8H2O和MgHPO4·7H2O等為提供固化土體強(qiáng)度的主要來源。(4)闡明復(fù)雜環(huán)境下KMP固化Zn、Pb污染土的溶出控制機(jī)理。通過酸緩沖能力試驗(yàn)、pH-dependent試驗(yàn)以及三步提取溶出試驗(yàn),分析復(fù)雜環(huán)境下KMP和PC固化污染土酸緩能力隨初始Zn、Pb濃度的變化規(guī)律;建立了 KMP和PC固化污染土浸出液Zn、Pb和Ca、Mg相互關(guān)系;明確了復(fù)雜環(huán)境和與浸提液反應(yīng)后土體Zn、Pb化學(xué)賦存形態(tài)。結(jié)果表明:與PC相比,KMP固化污染土酸緩沖能力β值較高,Zn和Pb在浸出液pH值8～10.5和4～10.5之間溶出穩(wěn)定且低2～3個(gè)數(shù)量級,其殘?jiān)鼞B(tài)含量高約2～3倍。(5)提出復(fù)雜環(huán)境下KMP固化Zn、Pb污染土的微觀機(jī)理。通過X射線衍射、電鏡/能譜-元素面掃描,以及壓汞等微觀測試,定量分析復(fù)雜環(huán)境下KMP和PC固化污染土累積進(jìn)汞量、高斯函數(shù)擬合參數(shù)(ai和μi)、孔隙分布特征隨初始Zn、Pb濃度的變化規(guī)律;探討碳化作用對固化污染土的主要水化產(chǎn)物及含Zn、Pb化合物的影響;闡述了KMP和PC固化污染土微觀形態(tài)轉(zhuǎn)變和典型區(qū)域化學(xué)元素質(zhì)量比的變化規(guī)律。結(jié)果表明:凍融循環(huán)對固化污染土累積進(jìn)汞量、孔隙分布影響較大,與PC相比,KMP固化污染土微觀機(jī)構(gòu)受復(fù)雜環(huán)境影響較小。(6)評價(jià)復(fù)雜環(huán)境下KMP固化Zn、Pb污染土的長期穩(wěn)定性。探討復(fù)雜環(huán)境、初始Zn、Pb濃度對KMP和PC固化污染土溶出、強(qiáng)度和生物毒性的變化影響;建立浸出液Zn、Pb溶出濃度與電導(dǎo)率EC值、土體pH值的相互關(guān)系;建立強(qiáng)度與干密度、土體pH值的相互關(guān)系;明確了凍融循環(huán)下土體質(zhì)量和體積損失率的變化,以及碳化深度演化特征;探明了相對發(fā)光強(qiáng)度(I0)及半效應(yīng)最大濃度(EC50)的變化規(guī)律;給出了復(fù)雜環(huán)境下固化污染土的服役壽命預(yù)測方法。結(jié)果表明:凍融循環(huán)導(dǎo)致固化污染土的Zn、Pb溶出量增加、強(qiáng)度降低、發(fā)光細(xì)菌毒性升高;碳化作用固化穩(wěn)定效果相反。與PC相比,KMP固化污染土的抗凍融和碳化能力更強(qiáng);KMP和PC固化Zn1.5Pb2污染土的服役壽命分別為50年和0.4年,碳化深度分別為0.17 m和0.03 m。(7)明確了復(fù)雜環(huán)境下KMP和PC固化污染土的Zn、Pb運(yùn)移特性。通過半動(dòng)態(tài)浸出試驗(yàn),明確了不同pH值硝酸/硫酸浸提液作用下,經(jīng)歷標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、凍融循環(huán)及碳化作用的KMP和PC固化污染土 Zn、Pb有效擴(kuò)散系數(shù)(D*)的變化規(guī)律;對比浸泡前后固化污染土孔隙分布規(guī)律、微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)、以及典型區(qū)域化學(xué)元素質(zhì)量比變化規(guī)律。結(jié)果表明:浸出液pH=5和7的D*值接近,浸出液pH值降低到2時(shí),D*值增高約1到3個(gè)數(shù)量級,凍融循環(huán)可小幅度提高D*值,碳化作用效果相反;與PC相比,KMP固化污染土的D*值低約3到4個(gè)數(shù)量級,重金屬固定效果高。
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【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：X53
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本文編號：2440155