混凝土在重金属环境中的暴露研究.pdf
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1、第 3 5卷 第3期 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 2 0 1 4 6 月 混凝土在重金属环境中的暴露研究 谢 田, 邓冠南, 高小峰, 兰思杰, 黄 晟, 赵 由才 ( 同济大学 污染控制与资源化研究 国家重点实验室 , 上海市 2 0 0 0 9 2 ) 摘 要 研 究了混凝土暴露在重金属环境 中的污染特征, 采 用 Z n 、 C u 、 P b 、 C r 、 C d单一溶液及混合溶液浸 泡 C 2 0混凝土试块, 分析 了重金属在混凝_ + - - 4 4 面的分布规律。结果表 明, 重金属主要分布 于混凝土表层 1 c m 内 , l c m 深度 混 凝 土 中重 金属 含
2、量 接 近 背景含 量。 建 议在 受重 金属 污 染的混 凝 土构 筑物拆 除 无 害化 处理 处 置 中, 可对其 进行 表层 剥 离。 关键词 混凝土; 建筑废物 ; 重金属 ; 浸入深度 ; 分布规律 中图分类 号 : X 7 0 5 。 X 5 0 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 4 4 3 4 5 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 4 3 0 4 Exp os u r e o f Co nc r e t e t o He a v y M e t a l X 1 E T i a n , D E N G G u a n n a n , G A O Xi a o
3、f e n g , L A N S i j i e , H U A N G S h e n g , Z HA O Y o u c a i ( S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f P o l l u t i o n C o n t r o l & R e s o u r c e s R e u s e , T o n g j i U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 9 2 C h i n a ) A b s t r a c t A i me d a t p r o v i d i n g b a s
4、i c d a t a i n m a n a g e m e n t o f h e a v y me t a l p o l l u t e d c o n s t r u c ti o n a n d d e mo l i t i o n w a s t e( C & D W) , t h i s p a p e r e s t a b l i s h e s t h e e x p o s u r e o f c o n c r e t e t o h e a v y me t a 1 I mme i o n o f C 2 0 c o n c r e t e s i n Z n ,
5、Cu , Pb ,C r , Cd s o l u t i o n a n d t h e i r mi x e d s o l u t i o n wa s c o n d u c t e d i n r e s e a r c h , a n d a n a l y z i n g t h e h e a v y me t a l d i s t r i b u t i o n i n d i f f e r e n t d e p t h s o f c o n c r e t e wa s f o l l o we d T h e r e s u l t s s h o we d t
6、h a t h e a v y me t a l s we r e c o n c e n t r a t e d a t c o n c r e t e s u r f a c e d e p t h o f l e s s t h a n l c m,h e a v y me t a l c o n c e n t r a t i o n s i n d e p t h b e y o n d l c m w e r e c l o s e t o t h e b a c k g r o u n d v a l u e Di s t i n g u i s h e d a p p r o
7、a c h e s c a n b e e x e c u t e d t o s e p a r a t e t h e s u r f a c e p a r t a n d d i s p o s e s a f e l y i n h e a v y me t a l p o l l u t e d C &DW t r e a t me n t Ke y w o r d s c o n c r e t e ; c o n s t r u c t i o n a n d d e m o l i t i o n w a s t e ( C & D W) ; h e a v y m e t
8、a l ; p e r m e a t i o n d e p t h 中国正处于快速城镇化 时期, 城市产业结构 的 调整 导 致 大量 工 厂拆 迁 、 改 建 , 产 生 了数 量庞 大 的混 凝土类建筑废物。其 中, 冶金 、 电镀等工业企业产生 的混凝土废物, 由于其服役期 间长期 暴露 于 C u 、 P b 、 C r 、 C d等重金属环境下, 往往受到了重金属污染 。本 文将这类建筑废物称 为受重金属污染建筑废物, 然 而迄今为止这些建筑废物 尚未得到应有的关注和有 效的管理。实际处理处置过程 中, 受重金属污染的建 筑废物 和普通建筑废物一样被随意露天堆置, 自然 环境f
9、如降水 、 土壤 吸附) 、 生物性迁移等将导致建筑 废物 中重金 属被 释 放, 造成 潜 在 的环境 风 险 。 同时, 受 重金属污染建筑废物也限制了其再生利用方式。因 此, 从重金属污染源头方 面, 研究暴露在重金属环境 下建筑废物的产生特点及污染特征对受污染建筑废 物特殊化管理具有重要意义。 然 而。 目前 针 对 受 重 金 属 污 染 建 筑 废 物 的研 究 甚少。在末端治理方面, 张艳霞等人Il 】对原海北化工 厂 的铬污染 建筑废物进行 了清洗研究, 采用一次水 洗, 柠檬酸二次清洗 可去除建筑废物 9 4 以上的总 铬和六价铬 。现有研究多关注重金属离子对水泥水 化过程的
10、影响 及重金属的浸出行为【 7 - l 2 1 。 但暴露于 重金 属环 境下 的混 凝 土对重 金 属 的吸 附过 程和 重 金 属在建筑废物内部的分布特征 尚未见报道 。故本研 究选择建筑废物的重要组分混凝土块进行重金属暴 露模拟实验, 以期模拟实际重金 属暴露环境下建筑 废物的污染特征。 为重金属污染 建筑废 物的管 理和 处置提供基础数据 。 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 4 2 6 基金项 目: 环保公 益性行 业科研 专项 项 目, 建筑废物处置和资源化污染控制技术0 f ( 2 0 1 3 0 9 0 2 5 ) 。 作 者简介 : 谢 ( 1 9 9 0 -) , 女,
11、硕士研究生, 研究方 向为 固体废弃物资源化 、 受污染建筑废物处理处置 。 4 4 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 5卷 l 材料与方法 1 1 试验 材料 研究采用强度为 C 2 0的商用混凝土, 浇筑素混 凝土试块 。试块外部 尺寸为 2 0 0 ra m 2 0 0 r n m 1 5 0 fi l m, 侧面及底部厚度均为 5 0 I n m , 中间设置 1 0 0 m inx 1 0 0 mm x l O 0 m m的凹槽空间, 用于承装重金属溶液, 其俯视 、 剖面图如图 1 。混凝土试块养护采用 自然养 护法, 具体为覆盖浇水润湿养护直至 2 8 d龄期。 重金
12、属 溶液 分别 采用 硝酸锌 、 硝酸 铜 、 硝酸 铅 、 硝酸镉 、 硝 酸铬试剂f 分析纯1 配制。 l 1 塑 熊 婆 莹 熊曼 餮 ! 磐 熊 蔓 基 羹 查 ! i 蹬 趔i 查 匿 鏊 ! 援 图 1 混凝土试块示意 1 2试 验 方法 1 ) 浸 泡过 程监 测 。在 混凝 土 凹槽 内加 入 不 同重 金属溶液 , 包括锌 、 铜 、 铅 、 镉 、 铬单一重金属溶液及 5种重金属混合溶液, 每种重金属浓度均为 1 0 0 m g L , 溶液承装量为 1 L 。分别在浸泡后 的第 1 、 2 、 5 、 1 0 d 进行液体取样,取样时吸取凹槽 内不同位置的液体 样品测定
13、p H , 经硝酸消解预处理后, 采用电感耦合等 离子体发射光谱仪( I C P A g i l e n t 7 2 0 E S ) 0 定重金属 浓度。 2 ) 混凝土中重金属含量分析。待溶液 自然蒸干 稳定 3个月后, 对混凝土凹槽底部进行 固体取样, 测 定不同深度混凝土中重金属的含量。以游标卡尺度 量, 通过钻取粉末的方式, 从 凹槽外底部往内分段取 样, 取样深度分别为 0 0 5 c m, 0 5 1 0 c m, 1 0 1 5 c m, 1 02 0 c m, 2 0 2 5 c m, 5- 3 0 c n l , 3 0- 4 0 C lT I , 4 0 5 0 c m。无
14、重 金属暴 露 条件下 , 空 白混凝 土试 块 采用 同样的方式取样, 以获取混凝土试块重金属背景值 。 采用盐酸一硝酸一氢氟酸法 消解 固体样 品: 称 取 0 2 g 粉末状干燥 的混凝土样 品, 置于聚四氟乙烯 坩埚内。 加入 1 5 m L盐酸、 5 m L硝酸、 2 m L 4 0 氢氟 酸,坩埚加盖置于 1 8 0 E电热板上加热至固体溶解, 蒸发 至近干, 加入 3 0 m L去离子水 继续加热 至 2 5 m L , 结束加热, 待溶液冷却后转移 至容量瓶定容, 0 2 2 x m 滤膜 过 滤, 采 用 I C P A g i l e n t 7 2 0 E S测定 重 金
15、属浓度, 计算混凝土试块中重金属含量。 2 结果与讨论 2 1 浸泡液在混凝土凹槽内变化规律 1 ) p H变化。 混凝土中存在大量强碱性物质, 随着 浸泡过程的持续, 水泥水合产物如硅酸盐 、 铝酸盐 、 氢氧化钙等释放于溶液导致 p H上升 。图 2为浸 泡阶 段浸泡 液 的 p H 变化 规律 。 时 I司 d 图 2浸泡溶液的 D H变化规律 由图 2可看 出, Z n 、 C u 、 P b 、 C d 、 C r 单一重金属溶 液 置 于混凝 土 凹槽 内, 经过 1 天浸 泡, p H均 高 达 9以 上升至碱性, 在此后 5天, p H持续缓慢上升, 最终稳 定 在 l O 1
16、 1之 间 。 而包 含 Z n 、 C u 、 P b 、 C d 、 C r 5种 重 金属的混合溶液置于混凝土凹槽内第 1 天 p H仍呈 酸性 随后 p H持 续上 升 至 1 0 9 5即不再 迅 速 上升 。 导致单一重金属浸泡液和混合重金属浸泡液 p H变 化差异的原因是混合溶液中重金属离子总浓度是单 一 溶液 中重金属浓度的 5倍, N O 3 2 - 含量高, 混凝土释 放的碱性物质 1 天内不足以缓冲至碱性。 2 1 溶 液 中重金 属 浓度 变 化 。混凝 土 凹槽 内重金 属浸泡液 p H不断升高的同时, 重金属浓度逐渐 降 低, 其变化过程如图 3所示。 莹 窦 焉
17、羹 时间 d 图 3 浸 泡液 中重金属浓度变化规律 营鼬 圜 回 1 _f 遗 回 第 3期 混凝 土在 重金 属环 境 中的 暴露研 究 4 5 由图 3可看 出单一的重金属浸泡液中各重金属 含量在浸泡第 1 天从 1 0 0 m g L迅速降低至 2 5 mg L , 随后缓慢降低 。第 5天后变化较小, 在第 1 0天 z n 、 C u 、 P b 、 C d 、 C r浓度分别 降至 0 7 9 2 m 、 0 3 8 5 m 、 0 2 6 1 m g L 、 0 0 0 1 m g L 、 0 0 3 8 m r g L 。重金属 以氢 氧 化物沉淀 、 物理吸附 、 同晶置换
18、l l 4 l等方式被混凝土吸 附 因而溶液中浓度降低 。混合重金属浸泡液中各重 金属浓度在第 1天的变化率较单 一重金属浸泡 液 慢, 其变化规律与 p H变化相似, 这与 昆合溶液较高 的酸性有关。 短 时问 内不能大量形成氢氧化物沉淀。 同样 , 在 5天 后 变 化 较 小 , 溶 液 中 Z n、 C u 、 P b 、 C d 、 C r 浓 度 在 第 l 0天 分 别 为 0 0 4 7 m g L、 0 1 5 9 mg L、 0 3 1 5 mg L、 Z n C u P b C d 。 此 外, 不 同深度范 围 内, 混凝 土试块 中重金属浓度存在波动, 且分布规律尚不
19、明显 。 2 ) 暴 露 环境 下 混 凝 土 中重 金 属 含量 分 布 。重 金 属在混凝土中的含量分布如图 4所示, 其 中( a ) ( e ) 分 别为 Z n 、 C u、 P b 、 C d 、 C r 单一重金属浸泡溶液暴露条 件下混凝土中重金属分 布 , m为该 5种重金属混合 浸泡 溶液 暴露 条 件下 的重 金 属含 量分 布, 各 图 中 Ma x 、 Mi n 、 Me a n分别为非暴露条件下混凝土不 同深 度内相应重金属含量 的最大值、 最小值和平均值。 结 果显示 , 无论在 单一重金属暴露环境还是混 合重金 属暴露环境 , Z n 、 C u 、 P b 、
20、C r 在混 凝土 的不 同深度 范 围均有分布, 而 C d在混凝土凹槽底部 1 o m 以下的 含量低于检 出限。 度 c n l 4 6 有 色 冶 金 设 计 与 研 究 第 3 5卷 旦 皿 唧 缸 哩 娴 田 I 图 4重 金 属 在 混 凝 土 中 不 同深 度 范 围 的 含 量分 布 在单一重金属暴露条件下, 混凝土 中不 同重金 属 的含量存在差异, 但各重金属含量分布随深度的 变化规律相似。 Z n 、 C u 、 P h 、 C d 、 C r 在混凝土凹槽底部 表层 0 0 5 c m范围内含量分别高达 6 4 6 6 4 m g k g 、 2 55 2 3 mg
21、k g、 2 6 41 9 mg k g、 2 8 5 6 0 mg kg、 8 6 6 3 mg k g 。表层 混 凝 土 中各 重金 属含 量 的存 在差 异 , 一 方面 由混凝 土 中各重 金属 含量不 同所 致【 , 另一方 面 也表明了不同重金属的迁移性不 同。 Z n在凹槽内底 部表层 0 0 5 c m 内的含量显著高于其他几种重金 属。 混凝土表面吸附 Z n的效果显著。 从图 4 ( a ) ( e ) 可看 出, 本研究 中单一重金属溶液 暴 露 条 件 下 , 重 金 属 主 要 集 中在 混 凝 土 表 层 1 c m 内。 由于溶液浸泡过程中, 混凝土释放碱性物质
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- 混凝土 重金属 环境 中的 暴露 研究
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