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電鍍污泥的材料化處理技術綜述
張雁江1,2，李鋒鋒1,2，鄭曉華1，王偉3，孫志成4，張明熹1,2,*，王傳璐1，楊文毅1，沈毅2
（1.河北聯(lián)合大學輕工學院，河北唐山063000；2.河北聯(lián)合大學材料科學與工程學院，河北省無機非金屬材料重點實驗室，河北唐山063009；3.唐山科技職業(yè)技術學院冶金系，河北唐山063000；4.河北唐山今實達科貿有限公司，河北唐山063000）
摘要：介紹了電鍍污泥的形成及其危害，綜述了目前電鍍污泥的材料化處理技術，包括制成磁性材料，制磚，燒制陶粒，生產水泥、顏料以及改性塑料等，系統(tǒng)地分析和總結了現(xiàn)有電鍍污泥材料化技術的優(yōu)劣。
關鍵詞：電鍍；污泥；重金屬；處理；材料化
中圖分類號：X781.1文獻標志碼：A
文章編號：1004–227X(2013)12–0049–03
隨著我國制造業(yè)的不斷發(fā)展，電鍍污泥的產量也不斷增加，這些電鍍污泥中含有許多重要的重金屬，如鉻、鐵、鎳、銅、鋅等，其中大部分是我國所短缺的資源，其潛在價值很高。但如果處置不當，有毒的重金屬元素會對自然環(huán)境和人體健康造成嚴重危害。就目前而言，電鍍污泥的處理方法有多種，如固化穩(wěn)定化技術、熱處理技術、微生物法、填海與堆放、材料化利用技術等[1]。其中電鍍污泥的材料化利用技術是一種新興的處理手段，能實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，既使電鍍污泥的危害有效降低并消除，又在經(jīng)濟和環(huán)境上有良好的效益，是今后電鍍污泥處理技術研究和發(fā)展的熱點。
1·電鍍污泥的形成與危害
電鍍污泥主要來源于工業(yè)電鍍廠生產所產生的固體廢料，這些廢料主要是通過液相化學處理各種電鍍廢液和電解槽液所產生[2]。
電鍍污泥的化學組成較為復雜，主要成分為鐵、銅、鋅等重金屬的化合物及其可溶性鹽類[3]。電鍍污泥含水量大，成分復雜，其中的重金屬組分受熱相對穩(wěn)定并且容易遷移。如果不進行處理而將污泥直接堆放在自然界，重金屬元素將會在自然界中遷移和循環(huán)，引發(fā)污染，直接或間接地危及人類健康[4]。
對電鍍污泥進行減量化、無害化、資源化處置是目前電鍍污泥處置的重點。最大限度地回收其中的有用資源并嚴格控制加工利用過程中的二次污染，才是符合循環(huán)經(jīng)濟理念和科學發(fā)展觀的處理技術[5]。
2·材料化利用技術
電鍍污泥的材料化技術是指在生產建筑材料或其他材料的生產過程中，加入電鍍污泥充當部分原料或輔料的方法。目前，常見的電鍍污泥材料化技術有制成磁性材料、制磚、燒制陶粒、生產水泥等。
2.1制磁性材料
電鍍污泥是經(jīng)電鍍廢水投加鐵鹽等絮凝劑使重金屬離子發(fā)生沉淀后的產物[6]，大量的鐵離子滯留其中，可以通過合成復合型鐵氧體的方法將鐵進行回收利用。其原理是利用在合成過程中生成的反尖晶石面心立方結構的四氧化三鐵晶格將鐵離子限制在格點上，形成的晶體結構相對穩(wěn)定，消除了二次污染。
陳丹等[7]以電鍍污泥為原料，采用水熱法合成復合鐵氧體。在過程中投加氯化鐵和沉淀劑，獲得的鐵氧體粉體磁性較強，分散性好，粒度分布均勻，且浸出毒性低于TCLP(毒性特征浸出程序)的毒性鑒別標準值。
賈金平等[8]用電鍍污泥為原料，分別采用濕法合成及干法還原的工藝，獲得了性能優(yōu)良的磁性探傷粉。對比了干法和濕法2種方法得到的污泥，就加大污泥消納量和降低成本而言，干法還原改造過的產品最有發(fā)展前途。
2.2制建筑材料
2.2.1磚
燒磚法[9]將電鍍污泥摻入煤渣、黏土等燒制成磚，能夠大量消耗污泥。龍軍等[10]將電鍍污泥與黏土按一定比例制成磚胚，然后采用不同工藝燒制成紅磚和青磚，并進行浸出實驗。實驗表明，燒制紅磚時鉻由Cr(III)轉化為Cr(VI)，使Cr(VI)的浸出含量超過國家標準。
而青磚浸出液中未檢出Cr(VI)。另外，為了防止其他金屬含量超過國家標準，需要采用合適的配比。吳秀英[11]為了消除電鍍污泥中Cr(III)的污染，將含鉻污泥摻入含煤渣的磚坯中，通過高溫煅燒，利用碳將其中的Cr(III)轉變?yōu)榻饘巽t，從而消除Cr(III)對周圍環(huán)境的污染。此法工藝簡單，操作方便，不需額外增加設備，Cr(III)的轉變效率高，且可加強磚的抗壓能力。電鍍污泥摻入黏土中燒磚的技術已得到廣泛應用，但從長遠來看，燒磚需要大量土地資源，因此，應尋找新的污泥處置方法。
2.2.2陶粒
我國的陶粒主要以黏土陶粒為主，其主要原料來源于耕地。以電鍍污泥為主要原料制成燒結陶粒，可消耗大量電鍍污泥，避免其對環(huán)境的二次污染，還可節(jié)約土地資源。
張靜文等[12]以電鍍污泥、粉煤灰為主要原料，生活污泥和廣西白泥為添加劑，通過正交試驗對陶粒的生產工藝進行優(yōu)化。結果表明，適量生活污泥的加入可提高氣孔的形成率，并提高吸水率和陶粒的強度；加入廣西白泥則可同時降低成本和燒成溫度。
嚴悍東[13]利用電鍍污泥和海灘淤泥作原料燒制陶粒，系統(tǒng)地分析了高溫燒制陶粒工藝對電鍍污泥中Cu、Zn、Cr、Ni等重金屬的固化效率，并探索了生產中電鍍污泥的摻量對陶粒的影響規(guī)律。在海灘污泥中慘雜30%電鍍污泥，可以滿足陶粒塑性造粒的工藝要求，還可提高電鍍污泥的銅、鋅、鎳等金屬的固化率，不會在生產和使用過程中產生二次污染。
東華大學的刁炳祥[14]遵循循環(huán)經(jīng)濟理念，提出了將電鍍污泥作為原料，混于粉煤灰、活性污泥和廣西白泥中焙燒陶粒的方案，并對產物進行了測試，同時通過理論計算對其經(jīng)濟效益進行了分析比較，認為生產電鍍污泥型陶粒的經(jīng)濟效益比較顯著。
以電鍍污泥做原料燒制陶粒，為電鍍污泥的資源化利用提供了一條合理而有效的途徑。
2.2.3水泥
目前電鍍污泥的材料化技術以用于生產水泥方面的研究最為廣泛。P.G.Ract等[15]以電鍍污泥取代部分原料生產水泥，并通過對原料和產品的化學分析、差熱分析(DTA)和熱重分析(TG)，發(fā)現(xiàn)在原料中加入適量的電鍍污泥，可以保證燒結過程正常進行，并且這些殘留的金屬不會造成環(huán)境污染。
P.H.Shih等[16]在對表面精加工和電鍍等行業(yè)的可行性調查的基礎上，提出使用含有重金屬污泥作為替代原料來生產水泥。分析了水泥原料中的重金屬含量對水泥生產過程中結晶形成的影響。瀝出試驗表明，所用水合樣品中的元素不會在酸性條件下瀝出，不會造成燒結熟料浸出危險。使用含重金屬的污泥替代水泥原料生產水泥是一個很有前途的方法。
2.3其他
電鍍污泥中的成分──鉻、鋅、鐵的氧化物，是生產顏料大火棕所需要的。李世良[17]將不同工廠的污泥進行調配或進行補充，使其達到顏料配方要求，然后經(jīng)混合均勻、磨碎處理，在1100~1200°C的工業(yè)窖爐中焙燒而制成了大火棕顏料產品。此產品可用于陶瓷行業(yè)及建筑行業(yè)，作為顏料、著色劑或內墻、外墻涂料。
J.M.MagalhãesS等[18]利用電鍍污泥與黏土混合物燒制陶瓷并分析得出，長時間強攪拌可促進結塊體的分離，有利于殘余顆粒與黏土間的燒結反應。
利用電鍍污泥與廢塑料聯(lián)合生產改性塑料制品[19]是一項國內獨創(chuàng)的新技術，主要是以電鍍污泥作為填充料與廢塑料混煉，制成改性塑料。在高溫干燥后，重金屬成分穩(wěn)定，其浸出試驗的浸出量低于國家標準。為了得到更好的材料性能，采用表面活性劑(如油酸鈉)進行處理，處理后產品的疏水性能得以提高，接觸角達到了100%，有較好的相容性，機械強度也達到了規(guī)定指標。
3·結語
通過材料化技術將電鍍污泥加工成各類工業(yè)原料和產品，真正做到廢物利用，減少了對環(huán)境的危害。重金屬含量較低的污泥可以用于生產水泥、燒制陶粒及制磚，但這幾種方法得到的產品基本不對重金屬進行回收，這無疑增加了人體暴露于重金屬中的可能性[20]，而且附加值大多不高，利潤空間較小。用鐵氧體法處置電鍍污泥能夠獲得良好的環(huán)境和經(jīng)濟效益，將電鍍污泥制成改性塑料也是一種很好的資源化利用方法。
電鍍污泥材料化技術雖然可行，但重金屬的二次污染問題以及產品的經(jīng)濟效益等方面仍存在瓶頸。如何解決這些問題，更好地對電鍍污泥進行減量化、無害化、資源化處理是今后研究的重點。
參考文獻：略
張雁江1,2，李鋒鋒1,2，鄭曉華1，王偉3，孫志成4，張明熹1,2,*，王傳璐1，楊文毅1，沈毅2
（1.河北聯(lián)合大學輕工學院，河北唐山063000；2.河北聯(lián)合大學材料科學與工程學院，河北省無機非金屬材料重點實驗室，河北唐山063009；3.唐山科技職業(yè)技術學院冶金系，河北唐山063000；4.河北唐山今實達科貿有限公司，河北唐山063000）
摘要：介紹了電鍍污泥的形成及其危害，綜述了目前電鍍污泥的材料化處理技術，包括制成磁性材料，制磚，燒制陶粒，生產水泥、顏料以及改性塑料等，系統(tǒng)地分析和總結了現(xiàn)有電鍍污泥材料化技術的優(yōu)劣。
關鍵詞：電鍍；污泥；重金屬；處理；材料化
中圖分類號：X781.1文獻標志碼：A
文章編號：1004–227X(2013)12–0049–03
隨著我國制造業(yè)的不斷發(fā)展，電鍍污泥的產量也不斷增加，這些電鍍污泥中含有許多重要的重金屬，如鉻、鐵、鎳、銅、鋅等，其中大部分是我國所短缺的資源，其潛在價值很高。但如果處置不當，有毒的重金屬元素會對自然環(huán)境和人體健康造成嚴重危害。就目前而言，電鍍污泥的處理方法有多種，如固化穩(wěn)定化技術、熱處理技術、微生物法、填海與堆放、材料化利用技術等[1]。其中電鍍污泥的材料化利用技術是一種新興的處理手段，能實現(xiàn)經(jīng)濟和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，既使電鍍污泥的危害有效降低并消除，又在經(jīng)濟和環(huán)境上有良好的效益，是今后電鍍污泥處理技術研究和發(fā)展的熱點。
1·電鍍污泥的形成與危害
電鍍污泥主要來源于工業(yè)電鍍廠生產所產生的固體廢料，這些廢料主要是通過液相化學處理各種電鍍廢液和電解槽液所產生[2]。
電鍍污泥的化學組成較為復雜，主要成分為鐵、銅、鋅等重金屬的化合物及其可溶性鹽類[3]。電鍍污泥含水量大，成分復雜，其中的重金屬組分受熱相對穩(wěn)定并且容易遷移。如果不進行處理而將污泥直接堆放在自然界，重金屬元素將會在自然界中遷移和循環(huán)，引發(fā)污染，直接或間接地危及人類健康[4]。
對電鍍污泥進行減量化、無害化、資源化處置是目前電鍍污泥處置的重點。最大限度地回收其中的有用資源并嚴格控制加工利用過程中的二次污染，才是符合循環(huán)經(jīng)濟理念和科學發(fā)展觀的處理技術[5]。
2·材料化利用技術
電鍍污泥的材料化技術是指在生產建筑材料或其他材料的生產過程中，加入電鍍污泥充當部分原料或輔料的方法。目前，常見的電鍍污泥材料化技術有制成磁性材料、制磚、燒制陶粒、生產水泥等。
2.1制磁性材料
電鍍污泥是經(jīng)電鍍廢水投加鐵鹽等絮凝劑使重金屬離子發(fā)生沉淀后的產物[6]，大量的鐵離子滯留其中，可以通過合成復合型鐵氧體的方法將鐵進行回收利用。其原理是利用在合成過程中生成的反尖晶石面心立方結構的四氧化三鐵晶格將鐵離子限制在格點上，形成的晶體結構相對穩(wěn)定，消除了二次污染。
陳丹等[7]以電鍍污泥為原料，采用水熱法合成復合鐵氧體。在過程中投加氯化鐵和沉淀劑，獲得的鐵氧體粉體磁性較強，分散性好，粒度分布均勻，且浸出毒性低于TCLP(毒性特征浸出程序)的毒性鑒別標準值。
賈金平等[8]用電鍍污泥為原料，分別采用濕法合成及干法還原的工藝，獲得了性能優(yōu)良的磁性探傷粉。對比了干法和濕法2種方法得到的污泥，就加大污泥消納量和降低成本而言，干法還原改造過的產品最有發(fā)展前途。
2.2制建筑材料
2.2.1磚
燒磚法[9]將電鍍污泥摻入煤渣、黏土等燒制成磚，能夠大量消耗污泥。龍軍等[10]將電鍍污泥與黏土按一定比例制成磚胚，然后采用不同工藝燒制成紅磚和青磚，并進行浸出實驗。實驗表明，燒制紅磚時鉻由Cr(III)轉化為Cr(VI)，使Cr(VI)的浸出含量超過國家標準。
而青磚浸出液中未檢出Cr(VI)。另外，為了防止其他金屬含量超過國家標準，需要采用合適的配比。吳秀英[11]為了消除電鍍污泥中Cr(III)的污染，將含鉻污泥摻入含煤渣的磚坯中，通過高溫煅燒，利用碳將其中的Cr(III)轉變?yōu)榻饘巽t，從而消除Cr(III)對周圍環(huán)境的污染。此法工藝簡單，操作方便，不需額外增加設備，Cr(III)的轉變效率高，且可加強磚的抗壓能力。電鍍污泥摻入黏土中燒磚的技術已得到廣泛應用，但從長遠來看，燒磚需要大量土地資源，因此，應尋找新的污泥處置方法。
2.2.2陶粒
我國的陶粒主要以黏土陶粒為主，其主要原料來源于耕地。以電鍍污泥為主要原料制成燒結陶粒，可消耗大量電鍍污泥，避免其對環(huán)境的二次污染，還可節(jié)約土地資源。
張靜文等[12]以電鍍污泥、粉煤灰為主要原料，生活污泥和廣西白泥為添加劑，通過正交試驗對陶粒的生產工藝進行優(yōu)化。結果表明，適量生活污泥的加入可提高氣孔的形成率，并提高吸水率和陶粒的強度；加入廣西白泥則可同時降低成本和燒成溫度。
嚴悍東[13]利用電鍍污泥和海灘淤泥作原料燒制陶粒，系統(tǒng)地分析了高溫燒制陶粒工藝對電鍍污泥中Cu、Zn、Cr、Ni等重金屬的固化效率，并探索了生產中電鍍污泥的摻量對陶粒的影響規(guī)律。在海灘污泥中慘雜30%電鍍污泥，可以滿足陶粒塑性造粒的工藝要求，還可提高電鍍污泥的銅、鋅、鎳等金屬的固化率，不會在生產和使用過程中產生二次污染。
東華大學的刁炳祥[14]遵循循環(huán)經(jīng)濟理念，提出了將電鍍污泥作為原料，混于粉煤灰、活性污泥和廣西白泥中焙燒陶粒的方案，并對產物進行了測試，同時通過理論計算對其經(jīng)濟效益進行了分析比較，認為生產電鍍污泥型陶粒的經(jīng)濟效益比較顯著。
以電鍍污泥做原料燒制陶粒，為電鍍污泥的資源化利用提供了一條合理而有效的途徑。
2.2.3水泥
目前電鍍污泥的材料化技術以用于生產水泥方面的研究最為廣泛。P.G.Ract等[15]以電鍍污泥取代部分原料生產水泥，并通過對原料和產品的化學分析、差熱分析(DTA)和熱重分析(TG)，發(fā)現(xiàn)在原料中加入適量的電鍍污泥，可以保證燒結過程正常進行，并且這些殘留的金屬不會造成環(huán)境污染。
P.H.Shih等[16]在對表面精加工和電鍍等行業(yè)的可行性調查的基礎上，提出使用含有重金屬污泥作為替代原料來生產水泥。分析了水泥原料中的重金屬含量對水泥生產過程中結晶形成的影響。瀝出試驗表明，所用水合樣品中的元素不會在酸性條件下瀝出，不會造成燒結熟料浸出危險。使用含重金屬的污泥替代水泥原料生產水泥是一個很有前途的方法。
2.3其他
電鍍污泥中的成分──鉻、鋅、鐵的氧化物，是生產顏料大火棕所需要的。李世良[17]將不同工廠的污泥進行調配或進行補充，使其達到顏料配方要求，然后經(jīng)混合均勻、磨碎處理，在1100~1200°C的工業(yè)窖爐中焙燒而制成了大火棕顏料產品。此產品可用于陶瓷行業(yè)及建筑行業(yè)，作為顏料、著色劑或內墻、外墻涂料。
J.M.MagalhãesS等[18]利用電鍍污泥與黏土混合物燒制陶瓷并分析得出，長時間強攪拌可促進結塊體的分離，有利于殘余顆粒與黏土間的燒結反應。
利用電鍍污泥與廢塑料聯(lián)合生產改性塑料制品[19]是一項國內獨創(chuàng)的新技術，主要是以電鍍污泥作為填充料與廢塑料混煉，制成改性塑料。在高溫干燥后，重金屬成分穩(wěn)定，其浸出試驗的浸出量低于國家標準。為了得到更好的材料性能，采用表面活性劑(如油酸鈉)進行處理，處理后產品的疏水性能得以提高，接觸角達到了100%，有較好的相容性，機械強度也達到了規(guī)定指標。
3·結語
通過材料化技術將電鍍污泥加工成各類工業(yè)原料和產品，真正做到廢物利用，減少了對環(huán)境的危害。重金屬含量較低的污泥可以用于生產水泥、燒制陶粒及制磚，但這幾種方法得到的產品基本不對重金屬進行回收，這無疑增加了人體暴露于重金屬中的可能性[20]，而且附加值大多不高，利潤空間較小。用鐵氧體法處置電鍍污泥能夠獲得良好的環(huán)境和經(jīng)濟效益，將電鍍污泥制成改性塑料也是一種很好的資源化利用方法。
電鍍污泥材料化技術雖然可行，但重金屬的二次污染問題以及產品的經(jīng)濟效益等方面仍存在瓶頸。如何解決這些問題，更好地對電鍍污泥進行減量化、無害化、資源化處理是今后研究的重點。
參考文獻：略
