建筑垃圾石棉廢物的回收處理與再生利用

王軍建, 王羅春, 熊金磊, 朱世杰

(上海電力學院 環(huán)境與化學工程學院, 上海 200090)

建筑垃圾石棉廢物的回收處理與再生利用

王軍建, 王羅春, 熊金磊, 朱世杰

(上海電力學院 環(huán)境與化學工程學院, 上海 200090)

介紹了從建筑垃圾中回收石棉廢物的步驟,綜述了機械化學法、酸解法、熱處理法等將石棉廢物資源化的技術.討論了回收水泥石棉生產(chǎn)混凝土和地質(zhì)聚合物的再生利用方法,指出了石棉廢物回收技術的發(fā)展趨勢.

石棉廢物; 回收; 資源化; 再生利用

石棉是天然纖維狀的硅質(zhì)礦物的泛稱,具有良好的抗拉強度、隔熱性和防腐蝕性,不易燃燒,故被廣泛應用[1].

石棉礦按照物理性質(zhì)可以分為脆性石棉和緊密石棉兩大類.脆性石棉含有75%～95%的石棉纖維,干化以后特別容易瓦碎、粉末化,常見于燃氣壁爐和導管的保溫層,熔爐的防火墊圈,地板、墻壁、天花板的粘結劑,板升降軸,空調(diào)的通風系統(tǒng)等.緊密石棉是由4%～15%的溫石棉纖維或者0～6%的閃石棉纖維嵌入到水泥聚合物中,這種石棉材料不容易釋放纖維,常用于水泥、磚石填充,瓦楞板、管道、絕緣體、煙囪頂部、復合材料,以及冰箱隔熱層.

20世紀60年代早期,人們發(fā)現(xiàn)石棉礦物是致癌物質(zhì)[3],角閃石石棉比溫石棉的毒性更大[4],接觸吸入石棉礦物可能誘發(fā)石棉肺、肺癌、間皮瘤和胸膜斑等疾病.目前,世界各國都將含石棉廢物劃為危險固體廢物,石棉的使用受到嚴格的限制,已逐步被無毒的人造纖維取代[5].

1 石棉廢物的處理方法

含石棉廢物的處理方法較多,每種方法都有可能涉及清除、封裝、隔離和化學惰化4個步驟[6].

(1) 清除 將含石棉廢物完全從被污染的地方清除,清理過程產(chǎn)生的危險廢物必須處理[7].

(2) 封裝 將丙烯酸塑膠類物質(zhì)噴涂在含石棉廢物的表面形成一層薄涂層,使其與環(huán)境分離開來,或將環(huán)氧丙烯酸樹脂噴涂在含石棉廢物的表面,并使環(huán)氧樹脂滲入石棉矩陣,繼而將其固化.

(3) 隔離 用化學性質(zhì)穩(wěn)定、質(zhì)輕的剛性板材(鋁材)隔離被石棉污染的區(qū)域.

(4) 化學惰化 將化學泡沫噴灑在含石棉的水泥上,選擇性地分解石棉纖維[8],而不改變水泥結構.

進行以上操作時,工人都必須穿工作服,并佩戴高效微粒空氣呼吸機.用臨時剛性石膏板將室內(nèi)再生場所分隔成較小的空間,所有的門、窗戶、入口、插座及空調(diào)系統(tǒng)必須使用聚乙烯密封.所有的操作必須在負壓的條件下進行,避免石棉纖維的釋放[9].

處理后的石棉廢物一般可以在專用填埋場中填埋,也可以在城市垃圾填埋場或工業(yè)廢物填埋場的獨立區(qū)域中進行填埋,但石棉廢物的清除費用高、耗時長、毒性廢物量大、工人存在高暴露危險、操作過程存在環(huán)境污染風險,故需研究更為徹底的處理方法和技術[10].

2 石棉廢物資源化

石棉廢物可以轉化為次生材料而加以回收利用,最近20年來機械化學方法[11]、酸解法[12]、微波熱處理法[13]和高溫熱處理法得到了發(fā)展,其中高溫熱處理技術是最為常見的處理方法.

2.1 機械化學法

機械化學法的原理是:將部分機械能轉移到固體廢物中,并轉換成熱能;由部分機械能引起物質(zhì)宏觀和微觀層次的破裂、壓縮、滑脫,破壞固體物質(zhì)(包括石棉礦物)的晶體結構[14].機械化學法結合高能研磨和化學作用[15],可以徹底改變石棉纖維的結構,處理后的產(chǎn)品與水泥混合后具有較好的火山灰活性,可以用來生產(chǎn)高性能的混凝土.

2.2 酸解法

溫石棉可以被氟硫酸(FSO3H)分解,該反應取決于氫氟酸在水中的電離平衡,形成HF和H2SO4,硫酸對溫石棉的表層結構Mg(OH)2層有很高的親和力,反應生成MgSO4·H2O,MgO,Mg2+.Mg(OH)2層被破壞以后,HF便與里層硅酸鹽層反應生成硅酸和H2SiF6,同時還形成MgF2沉淀,這樣石棉的纖維結構就被瓦解了.根據(jù)這個反應機理,選擇適當濃度的HF和H2SO4組合,可以大大縮短石棉的溶解時間.

2.3 熱處理法

所有石棉礦物在高溫下熔化形成新的完全無毒的晶體結構,即轉換成了無毒的硅酸鹽[16]晶體.熱處理法包括直接熱處理[17]、玻璃化[18]、陶瓷化[19]等方法.

(1) 直接熱處理法 水泥石棉的熱處理工藝是將水泥石棉材料密封包裝,在隧道窯進行熱處理,使石棉脫羥基,發(fā)生重結晶反應.在650～750 ℃,溫石棉發(fā)生脫羥基,然后固態(tài)重結晶為鎂橄欖石(Mg2SiO4),隨后析出頑輝石(MgSiO3)[20].在反應過程中,雖然在分子水平上結構完全改變了,但溫石棉纖維仍保存著相同的晶體形態(tài).青石棉在1 050～1 100 ℃發(fā)生復雜反應分解,生成輝石(NaFe-SiO6)、頑輝石(MgSiO3)、赤鐵礦(Fe2O3)和方石英(SiO2)[21].透閃石在1 050 ℃分解為透輝石(CaMaSi2O6)和頑輝石(MgSiO3)[22].陽起石含有鐵,在高溫1 100～1 350 ℃形成赤鐵礦[23].

(2) 玻璃化 石棉玻璃化是由法國史耐德集團開發(fā)出的一項石棉廢物處理新技術[24],這一技術是將石棉廢物加熱到1 600～1 900 ℃,使其化學性質(zhì)趨于穩(wěn)定,再將惰性物質(zhì)與石棉融合,冷卻后壓碎,形成穩(wěn)定的玻璃體粉末.這項技術關鍵是利用法國宇航公司研發(fā)的吹氣電弧離子噴燈,待處理的石棉經(jīng)過噴燈高溫加熱,化學性質(zhì)會逐漸轉變?yōu)轭愃撇ＡB(tài)的物質(zhì).等離子體火炬玻璃化技術已應用于石棉廢物的工廠回收利用.玻璃化技術最大的缺點是高能耗和費用昂貴,處理過程中須將廢物加熱至1 600 ℃高溫,因此其應用受到一定的限制.

(3) 陶瓷化 將石棉廢物加入陶土和惰性物質(zhì),在高溫下可以生成陶瓷制品[25].相對于玻璃化技術,陶瓷化技術是在低溫(750～1 300 ℃)條件下使廢物再結晶,從而降低處理過程的能耗和費用.由于吸水率低,表面密度高[26],材料的強度和抗腐蝕性明顯得到提高,可被用作建筑和道路的惰性材料以及瓷磚的生產(chǎn).

(4) 其他處理法 GERDES T等人[27]將微波、紅外加熱和化學處理技術集成一體化,開發(fā)出可移動的微波熱處理石棉凈化單元,此工藝已應用于石棉廢物的現(xiàn)場分解.YANAGISAWA K等人[28]采用水熱轉化和酸作用相結合的方法處理石棉廢物,其原理是:CHClF2在過熱蒸汽作用下分解產(chǎn)生酸性氣體,溫石棉、青石棉和鐵石棉在較低溫度下與酸性氣體作用分解.

3 石棉廢物的再生利用

3.1 回收水泥石棉生產(chǎn)混凝土

水泥石棉板通過熱處理回收得到的次生原料(Secondary Raw Material,SRM)可以作為制備混凝土的水泥替代物[29].熱處理具體工藝如下:在工業(yè)隧道窯中40 h內(nèi)均速升溫至1 200 ℃,然后恒溫21 h,最后8 h 內(nèi)均速冷卻至室溫.由于次生原料中主要礦物相為C2S,其水化作用速率較水泥的主要礦物相C3S慢[30].

作為水泥的替代物,次生原料的摻入比對混凝土的性能有一定的影響.當摻入比為20%時,其前期壓縮強度明顯低于對照混凝土,而90 d的壓縮強度則與對照混凝土相當;當摻入比為5%～20% 時,其抗彎彈性模量隨摻入比的增加而減小,摻入比為20%的混凝土,其抗彎彈性模量較對照混凝土下降了25%.摻入比為20%的混凝土可用于以下情況:水分含量低的室內(nèi)環(huán)境;注入在惰性土壤或者水中的加強的鋼筋混凝土;在固定的干燥或潮濕周期,但不受磨損、霜凍、化學攻擊的未加強的混凝土;液體儲罐或地基.

回收SRM用于水泥混凝土有利于環(huán)境,主要體現(xiàn)在兩方面:減少了天然原材料(如碳酸鈣),從而限制了采礦活動造成的環(huán)境影響;SRM混凝土替代商業(yè)水泥,減少了水泥生產(chǎn)過程中CO2的排放[31].

3.2 回收水泥石棉生產(chǎn)地質(zhì)聚合物

地質(zhì)聚合物是一類稱為化學鍵合陶瓷的人工合成的硅鋁基材料[32],因其生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生CO2,所以是一種替代水泥或砂漿的綠色建筑材料.回收水泥石棉生產(chǎn)地質(zhì)聚合物的具體方法[33]是:將SRM加入多水高嶺土(濃度大于7.5 M的氫氧化鈉和三硅酸鹽的水溶液)中,使懸浮液均化5 min,然后倒出,在25 ℃下干燥24 h.SRM的摻入比不同,生產(chǎn)出來的地質(zhì)聚合物SiO2/Al2O3的摩爾比也就不同,從而影響產(chǎn)品的性能[34].當SRM的摻入比為2.5%時,產(chǎn)品的總體性能最佳,其抗彎強度和密度略高于未摻入SRM的地質(zhì)聚合物,吸水性略低于未摻入SRM的地質(zhì)聚合物.當摻入比高于2.5%時,過量Ca的引入會導致產(chǎn)品性能明顯變差.

4 結 語

鑒于石棉對人體健康的危害性,開發(fā)安全、新穎的合成纖維來替代石棉成為將來主要的研究方向.意大利某集團最近設計出一種安全的蛇紋石石棉,稱之為納米蛇紋石,將來可能成為建筑石棉材料的替代品.而用創(chuàng)新的技術將石棉廢物轉變成生產(chǎn)建筑材料的次生原料,可節(jié)省主要原生材料和降低生產(chǎn)過程中CO2的排放量,對于維持生態(tài)平衡、環(huán)境保護具有重要意義.

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(編輯 白林雪)

Recycling and Reuse of ACMs of Construction Wastes

WANG Junjian, WANG Luochun, XIONG Jinlei, ZHU Shijie

(SchoolofEnvironmentalandChemicalEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

The procedures of recycling of ACMs from construction waste and resourced technology such as mechanization,acid hydrolysis are described and thermal treatment is summarized.The performance of recycling cement asbestos for the production of concrete and geopolymers is discussed and the future trend of recycling technology is prospected in the end.

asbestos containing materials; recycling; resourced technology; reuse

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.06.011

2015-09-30

簡介：王羅春(1968-),男,博士,教授,湖南株洲人.主要研究方向為固體廢物處理與資源化、難降解有機廢水處理及溫室氣體減排.E-mail:wangluochun@shiep.edu.cn.

X705

A

1006-4729(2016)06-0557-04