Materiales de relleno ambiental a base de polvo de fosfoyeso con cenizas de incineración de residuos sólidos municipales

May 26, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 478 (2023) Citar este artículo

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En este artículo se prepara un nuevo material de relleno de edificios (NBFM) que utiliza fosfoyeso y cenizas volantes de incineración de residuos sólidos municipales (MSWI). Los efectos de la dosificación de cenizas volantes de MSWI y el pretratamiento de lavado con agua de cenizas volantes de MSWI sobre las propiedades mecánicas, el tiempo de fraguado, la lixiviación de metales, los productos de hidratación y la microestructura de NBFM se analizan mediante una variedad de estudios experimentales. Los resultados indican que las propiedades mecánicas, el tiempo de fraguado y la densidad de la microinterfaz de NBFM son óptimas cuando la dosis de cenizas volantes de MSWI es del 3 %. Las propiedades mecánicas de NBFM aumentan y el tiempo de condensación y la concentración de lixiviación de metales pesados ​​disminuyen después de lavar las cenizas volantes de MSWI. Con el aumento de la edad de curado, la lixiviación de elementos metálicos de NBFM disminuye, y cuando la edad de curado es de 7 días, el efecto de solidificación de NBFM en la mayoría de los elementos metálicos cumple con el estándar del código chino (GB5085.3-2007). Se verifica la viabilidad de las cenizas volantes y el fosfoyeso de MSWI como materiales de relleno para la ingeniería de edificios, y también se explica el cambio de las propiedades macroscópicas de NBFM.

El fosfoyeso es uno de los subproductos industriales de la producción de ácido fosfórico por vía húmeda, ya que la producción de una tonelada de ácido fosfórico puede generar de 4 a 5 toneladas de fosfoyeso. La producción anual de yeso fosforado de la industria de fertilizantes de fósforo en todo el mundo es de aproximadamente 300 millones de toneladas1. Una cantidad de fosfoyeso acumulado no solo ocupa la tierra y contamina el medio ambiente, sino que también los metales pesados ​​del fosfoyeso fluirán hacia las aguas subterráneas con el agua de lluvia, lo que provocará la contaminación de los recursos hídricos. Por lo tanto, la utilización eficaz de fosfoyeso ha recibido una gran atención2,3,4,5.

Los estudios experimentales pertinentes6,7,8 han demostrado que el fosfoyeso tenía propiedades autoconsolidantes. El uso de fosfoyeso para materiales de obturación es factible y tiene un alto valor para la conservación de los recursos naturales, la protección del medio ambiente y el desarrollo económico9,10,11. Para mejorar la aplicación de materiales de relleno de fosfoyeso (PFM) en la ingeniería de edificios, algunos académicos se han centrado en el comportamiento físico del PFM. Gu12 realizó un experimento para estudiar la influencia del fosfoyeso en PFM. Los resultados revelaron que con el aumento del contenido de fosfoyeso, aumenta la fluidez de PFM y aumenta el tiempo de fraguado. Mashifana13 analizó la influencia del método de curado y el contenido de fosfoyeso en PFM. Los resultados muestran que el curado a alta temperatura puede mejorar la resistencia del PFM, y la resistencia del PFM es máxima cuando el contenido de fosfoyeso es del 30 %. Jiang14 usó fosfoyeso como aglutinante para preparar PFM. Los resultados indican que la resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión de PFM después de 2 h fueron de 3,2 MPa y 1,6 MPa respectivamente, lo que puede cumplir con el estándar de resistencia del código chino. Chen15 usó fosfoyeso como material base para preparar PFM. Se analizó la influencia del cemento, polvo de sílice y cal viva en la resistencia de PFM. Los resultados indicaron que bajo la activación de cemento Portland, polvo de microsílice y cal viva, la resistencia de PFM aumenta en la etapa posterior y la resistencia de PFM fue de 20 MPa a los 28 días.

La ceniza de incineración de desechos sólidos municipales (MSWI) es un desecho peligroso16,17,18,19, con la aplicación rápida de la tecnología de incineración de desechos, la descarga de cenizas de MSWI en rápido crecimiento, pero la seguridad del vertedero de capacidad de cenizas de MSWI no es suficiente. Después de la pérdida del control de la regulación, gran parte de la incineración de las cenizas de MSWI directamente en el medio ambiente contaminaría el suelo y las aguas subterráneas, lo que generaría un gran riesgo de contaminación para el medio ambiente. Ceniza MSWI incluyendo cenizas de fondo y cenizas volantes. La aplicación de cenizas de fondo tiene grandes beneficios económicos y ambientales. Por lo tanto, Dou20 ha analizado las propiedades, los métodos de tratamiento y el estado de aplicación de las cenizas de fondo de MSWI mediante experimentos. Los resultados indican que la ceniza de fondo de MSWI como agregado de baja resistencia tiene un gran potencial. Davinder21 ha discutido el efecto del cemento y la fibra en el comportamiento de compactación y resistencia de las cenizas de fondo de MSWI. Los resultados muestran que el peso unitario seco máximo de las cenizas de fondo disminuye y el contenido de humedad óptimo aumenta debido a la adición de cemento y fibra. Además, agregar fibrina puede reducir la dureza de las cenizas de fondo de MSWI. Jing22 investigó la influencia de la activación mecánica en las características de la pasta de cemento de ceniza de fondo MSWI. Los resultados demuestran que la activación mecánica aumentó significativamente la resistencia a la compresión de la pasta de cemento de ceniza de fondo MSWI, que aumentó en un 14% cuando el tiempo de molienda fue de 30 min. Laura23 utilizó un método avanzado de recuperación en seco para separar los metales ferrosos y no ferrosos de las cenizas de fondo de MSWI y producir productos agregados con diferentes tamaños de partículas, lo cual es importante para el reciclaje de las cenizas de fondo de MSWI. Pravez24 utiliza cenizas de fondo y cemento de la incineración de residuos sólidos urbanos en la fabricación de ladrillos. Los resultados mostraron que los criterios de mínima absorción de agua y mínima resistencia a la compresión de los ladrillos también se cumplen cuando el cemento se sustituye por un 6% de cenizas de fondo MSWI.

Mientras tanto, académicos relevantes han estudiado las cenizas volantes de MSWI25,26,27,28, y los resultados muestran que las cenizas volantes y el cemento de MSWI tienen composiciones químicas similares y se pueden aplicar como mezclas en sistemas de gelificación. Pero actualmente, la causa principal que limita la utilización de recursos de las cenizas volantes de MSWI es que los metales pesados ​​y las dioxinas en las cenizas volantes de MSWI son muy contaminantes para el medio ambiente29,30,31. Si la capacidad de autoconsolidación del fosfoyeso y la actividad de hidratación parcial de las cenizas volantes de MSWI se pueden utilizar para encapsular los metales pesados ​​y las dioxinas en el coloide para fabricar nuevos materiales de relleno para la ingeniería de edificios. Este es el enfoque de este artículo y un nuevo método para utilizar recursos de fosfoyeso y cenizas volantes de MSWI para el coprocesamiento.

Verificar la factibilidad de preparar nuevos materiales de relleno de construcción (NBFM) con fosfoyeso y cenizas volantes de MSWI. En este documento, se llevaron a cabo una serie de estudios experimentales sobre NBFM y la influencia de la dosis de cenizas volantes de MSWI, el pretratamiento de lavado de cenizas volantes de MSWI y otros factores sobre las propiedades mecánicas, el tiempo de fraguado, la lixiviación de metales pesados, los productos de hidratación y la apariencia microscópica de NBFM. fueron analizados. Además, se estableció la relación entre la apariencia microscópica y las propiedades macroscópicas de NBFM.

Los materiales utilizados son fosfoyeso, cenizas volantes MSWI, solución de sulfato de sodio, fibra de vidrio y agua. El fosfoyeso es de Guizhou Yitian New Technology Co; Las cenizas volantes MSWI de la planta de energía de incineración de residuos de Nanjing. La Tabla 1 presenta las concentraciones de metales pesados ​​de muestras de cenizas volantes y fosfoyeso de MSWI. En la Tabla 2 se muestran los índices físicos del fosfoyeso determinados por el “Reglamento de Ensayos Geotécnicos”32. La composición química del fosfoyeso se analizó mediante espectrometría de fluorescencia de rayos X, como se muestra en la Tabla 3. Los patrones XRD del fosfoyeso se muestran en la Figura 1. Como se puede ver en la Figura 1, el fosfoyeso se compone principalmente de dihidrita y hemihidrita. La composición química de las cenizas volantes de MSWI de la incineración de desechos se muestra en la Tabla 4. La longitud de la fibra de vidrio es de 1 a 2 cm, la densidad es de 2,6 g/cm y el alargamiento después de la fractura es del 3,4 %. La solución de sulfato de sodio se preparó con sulfato de sodio anhidro analíticamente puro y agua del grifo.

Composición de la fase física del fosfoyeso.

La Tabla 2 muestra que el fosfoyeso tiene una gran porosidad y un alto contenido de agua libre. Por lo tanto, el fosfoyeso puede convertirse en yeso semihidro durante el reemplazo.

La Tabla 3 indica que el fosfoyeso está compuesto principalmente por C, S, O y otros óxidos, entre los cuales el contenido de ingredientes activos como CaO y SiO2 alcanza el 33%. Consulte la especificación china (GB/T 9776-2008)33, el fosfoyeso tiene la propiedad de curado autocementado.

Basado en las normas chinas (HJ/1134-2020)34 y la Tabla 4. Las cenizas volantes de MSWI son el producto del sistema CaO-SiO2-Al2O3 formado a alta temperatura, que tiene cierto efecto de puzolaja y se puede agregar al fosfoyeso como mezcla.

Los procedimientos experimentales se siguen principalmente en tres pasos: tratamiento de lavado de cenizas volantes MSWI, diseño de mezcla y proceso de producción. Los procedimientos detallados de estos tres pasos se enumeran a continuación.

Las cenizas volantes de MSWI fueron pretratadas por lavado con agua. Comparar los efectos de las cenizas volantes de MSWI lavadas y no lavadas sobre las propiedades mecánicas, el tiempo de fraguado, la cantidad de lixiviación de metales pesados ​​y la microestructura de NBFM. Los procedimientos principales son los siguientes: primero, las cenizas volantes de MSWI y el agua pura se mezclan en una proporción sólido-líquido de 1:835,36 y luego se colocan en el oscilador giratorio TCLP para que oscile a una frecuencia de 30 r/min durante 30 minutos. min37,38. Después de la oscilación, se mantiene durante 12 h. Finalmente, se eliminó la humedad de la superficie y las cenizas volantes de MSWI del fondo se colocaron en una caja de secado a 105 ℃ durante 24 h para obtener las partículas de cenizas volantes de MSWI.

Se utilizan algunos experimentos y estudios teóricos39,40,41. Se determina la proporción de mezcla de NBFM: la proporción de agua a material aglutinante es 0,39, en la que el material aglutinante es fosfoyeso y cenizas volantes de MSWI, la dosificación de fibra de vidrio y solución de sulfato de sodio fue 0,3 % y 2,5 % del material aglutinante, respectivamente. . El diseño de mezcla del material aglutinante se muestra en la Tabla 5.

Primero, pese el material de acuerdo con el diseño de mezcla, vierta el material en el agitador y agítelo con agua durante 30 a 50 s para obtener una lechada de llenado uniforme. La suspensión de paletas preparada se colocó luego en el molde triple estándar de 40 mm × 40 mm × 160 mm y se dejó hundir naturalmente. Después de la coagulación inicial de la suspensión, la superficie de la suspensión se rascó y se curó a temperatura ambiente durante 24 h. Finalmente, el NBFM moldeado se desmoldó y se transfirió a la sala de curado durante 1 día, 3 días y 7 días. El diagrama de formación de NBFM a diferentes edades de mantenimiento se muestra en la Fig. 2.

Especímenes NBFM de 1d, 3d, 7d de edad de mantenimiento.

Propiedades mecánicas medidas a partir de las pruebas de cupones según el código chino "Determinación de las propiedades mecánicas del yeso de construcción"42 (GB/T17669.3-1999). El instrumento utilizado para la prueba fue un probador de presión de cemento DP-300C. El tamaño de la muestra tiene una forma prismática de 40 × 40 × 160 mm, el espacio entre soportes del accesorio de prueba es de 100 mm y la velocidad de carga es de 0,03 a 0,06 MPa/s. La resistencia a la flexión del espécimen se calcula mediante la ecuación. (1)42. El bloque con resistencia a la flexión final se prueba para resistencia a la compresión. La muestra fracturada se colocó en una abrazadera cuadrada de 40 × 40 mm y se ensayó de acuerdo con la velocidad de carga mencionada anteriormente. La resistencia a la compresión del espécimen se calcula mediante la ecuación. (2)42.

donde, \(f_{{{\text{cf}}}}\) es la resistencia a la flexión (MPa) de la muestra, \(F\) es la carga de fractura (N) de la muestra, \(M\) es el momento de flexión (\(N \cdot {\text{m}}\)) del espécimen cuando se rompe, y \(b\) es la longitud del lado (mm) de la sección cuadrada del espécimen.

donde, \(f_{{{\text{cu}}}}\) es la resistencia a la compresión (MPa) de la muestra y \(S\) es el área de apoyo (mm2) de la muestra.

El tiempo de fraguado se realizó de acuerdo con GB/T17669.4-1999 "Determinación de las propiedades físicas del yeso de construcción/lechada neta"43. El proceso de prueba específico es el siguiente: primero, se obtiene una lechada de relleno uniforme de acuerdo con el proceso de producción. Luego, la suspensión se vierte en el dispositivo de matriz anular y la placa inferior del dispositivo se eleva para que la suspensión quede nivelada con el extremo superior de la matriz anular. Coloque el molde anular lleno de lechada debajo de la aguja de acero del medidor de consistencia, haga que la punta entre en contacto con la superficie de la lechada y luego afloje rápidamente el tornillo de fijación de la varilla para que la aguja pueda insertarse libremente en la lechada. Desde el inicio del contacto del material con el agua, el tiempo que la aguja de acero no puede tocar la placa inferior por primera vez, es decir, el tiempo de fraguado inicial de la muestra. El tiempo de fraguado final de la muestra es el tiempo experimentado desde el contacto entre el material y el agua hasta la primera vez que se inserta la aguja de acero en la profundidad de la suspensión de no más de 1 mm.

La lixiviación de metales pesados ​​se realizó de acuerdo al método del ácido sulfúrico en el Estándar de Identificación de Residuos Peligrosos para la Identificación de Toxicidad por Lixiviación (EPA SW-846 Test Method 131144, GB/T5085.3-2007)45. El proceso de prueba específico es el siguiente: para empezar, la muestra se rompe y se muele finamente a 5 mm. Luego, se mezcló con agua ácido sulfúrico concentrado y ácido nítrico concentrado con una proporción de masa de 2:1 para preparar un extracto con un pH de aproximadamente 3,2. Luego se mezcló la muestra y el agente de extracción en la botella de extracción con una relación de líquido a sólido de 10 L:1 kg. Después de eso, la botella de extracción se tapó herméticamente y se colocó en un dispositivo de oscilación horizontal durante 18 h a una velocidad de 30 r/min y un ángulo de inclinación de 23°. Finalmente, la solución de lixiviación se recolectó y se colocó en el espectrómetro de masas de plasma acoplado inductivamente (ICM-MS, Agilent 7500CX) para determinar la dosificación de metales pesados.

En la prueba se utilizaron el instrumento XRD (D8ADVANCE) y muestras de polvo. El ángulo de exploración se fijó en 5°–90° y la velocidad de exploración se fijó en 10°/min. El proceso de producción específico de la muestra es el siguiente: para empezar, el material se fabrica y se moldea según los pasos y se cura a los 7 días. Luego, muestras cuadradas con un radio de 0,5 cm se cortaron con una cortadora y se limpiaron con alcohol anhidro. Después del secado, las muestras se pulverizaron con mortero de ágata. Finalmente, coloque la muestra de polvo en el instrumento para su análisis.

En este experimento se utilizó el instrumento SEM (JSM-6490LV). El múltiplo de observación fue 1000 veces. El proceso de producción específico de la muestra es el siguiente: en primer lugar, el material se fabrica y moldea según los pasos y se cura a los 7 días. A continuación, se extrajo una muestra de no más de 15 mm de diámetro y no más de 5 mm de espesor con una máquina cortadora y se limpió con alcohol anhidro. Después de eso, la muestra se colocó en una caja de secado a 95 ℃ y se secó al vacío para interrumpir la reacción de hidratación. Antes de la observación, la muestra debe recubrirse con oro, carbono, platino y otros materiales de recubrimiento con un espesor de aproximadamente 10 a 30 nm. Después del recubrimiento, se puede colocar en la mesa de muestras para su observación y análisis.

Las propiedades mecánicas y el tiempo de fraguado de NBFM son los índices de rendimiento básicos que afectan la construcción de edificios. Los efectos de la dosificación de cenizas volantes de MSWI y el pretratamiento de lavado con agua sobre las propiedades mecánicas y el tiempo de fraguado de NBFM se discuten respectivamente. En la Fig. 3, \(\mu\) representa la dosis de NBFM de cenizas volantes de MSWI. \(1{\text{d}}\),\(3{\text{d}}\),\(7{\text{d}}\) representan la edad de conservación de 1 día, 3 días y 7 días respectivamente. \(f_{{{\text{cu}}}}\) y \(f_{{{\text{cf}}}}\) representan la resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión de NBFM respectivamente; \({\text{WP}}\) en la Fig. 4 representa el lavado de cenizas volantes de MSWI, mientras que \({\text{N}} - {\text{WP}}\) representa el lavado de cenizas volantes de MSWI . \({\text{IS}}\) representa el tiempo de fraguado inicial y \({\text{FS}}\) representa el tiempo de fraguado final en las Figs. 5 y 6.

Influencia de la dosificación de cenizas volantes de MSWI en las propiedades mecánicas de NBFM.

Influencia del pretratamiento de lavado de cenizas volantes de MSWI en las propiedades mecánicas de NBFM.

Influencia de la dosis de cenizas volantes de MSWI en el tiempo de fraguado de NBFM.

Influencia del pretratamiento de lavado con agua en el tiempo de condensación de NBFM.

La influencia de la dosis de cenizas volantes de MSWI en las propiedades mecánicas de NBFM se muestra en la Fig. 3. La resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión del NBFM aumentan primero y luego disminuyen a medida que aumenta la dosis de cenizas volantes de MSWI. Cuando la dosis de cenizas volantes de MSWI es del 3%, el NBFM tiene las mejores propiedades mecánicas, y la resistencia a la compresión y la resistencia a la flexión son 4,42 MPa y 1,9 MPa, respectivamente. Esto se debe principalmente a que cuando la dosis de cenizas volantes de MSWI es del 3%, las partículas finas en las cenizas volantes de MSWI pueden proporcionar el punto de nucleación de cristalización para los productos de hidratación en el NBFM, promoviendo la generación de productos de hidratación, lo que da como resultado la resistencia a la compresión y la flexión. la fuerza de la NBFM parece una tendencia al alza. Sin embargo, con el aumento de la dosis de cenizas volantes de MSWI, aumentan las partículas de polvo sueltas y porosas en el NBFM, lo que reduce el consumo de agua necesario para la reacción a base de fosfoyeso e inhibe la formación de cristales a base de fosfoyeso46. Además, con el aumento de la dosis de cenizas volantes de MSWI, el NBFM contiene cada vez más componentes orgánicos como cloruro y sulfuro, lo que conduce a la destrucción gradual de la estructura de los productos de hidratación en el NBFM47. Por lo tanto, la fuerza del NBFM se reduce significativamente.

La Figura 4 muestra la influencia del pretratamiento de lavado de cenizas volantes de MSWI en las propiedades mecánicas de NBFM. En comparación con las cenizas volantes de MSWI no lavadas, las cenizas volantes de MSWI lavadas con agua pueden mejorar significativamente las propiedades mecánicas del NBFM. Esto se debe principalmente a los componentes solubles en agua en la composición de cenizas volantes de MSWI, como Na, K, Cl, Ca que se depositarán en la superficie de las partículas de cenizas volantes de MSWI, fáciles de eliminar después de un lavado suficiente con agua, y componentes de Si y Al en MSWI Las partículas de cenizas volantes en el centro de la matriz, con menos partículas componentes periféricos, hacen que los componentes centrales de la superficie expuesta aumenten, lo que lleva a aumentar el bloqueo de la actividad de la composición aglutinante, el grado de hidratación mejora48. Por lo tanto, aumentan las propiedades mecánicas del NBFM.

La influencia de la dosis de cenizas volantes de MSWI en el tiempo de fraguado de NBFM se muestra en la Fig. 5. Con el aumento de la dosis de cenizas volantes de MSWI, el tiempo de fraguado inicial y el tiempo de fraguado final de NBFM muestran una tendencia de desarrollo primero decreciente y luego creciente. . Esto se debe principalmente a que el radio pequeño de los iones Cl- en las cenizas volantes de MSWI puede penetrar la encapsulación de los productos de hidratación, lo que lleva a la difusión inversa de los iones OH- en NBFM y acelera la precipitación de Ca(OH)2. Por lo tanto, se mejora la reacción de hidratación en la etapa inicial de la NBFM y se acorta el tiempo de condensación. Sin embargo, con el aumento de la dosis de cenizas volantes de MSWI, Zn, Pb, Cu, Cr y otros elementos de metales pesados ​​en el NBFM siguen aumentando, y el metal pesado inhibirá la condensación y el endurecimiento del NBFM48, lo que conducirá al aumento gradual de la tiempo de condensación de la NBFM.

La figura 6 muestra la influencia del pretratamiento de lavado de las cenizas volantes de MSWI en el tiempo de condensación del NBFM. Se reduce el tiempo de coagulación inicial y final del NBFM después del pretratamiento de lavado de las cenizas volantes de MSWI. La razón principal es que el contenido de componentes activos como CaO, Al2O3, SiO2 en las cenizas volantes de MSWI aumenta después del lavado49, lo que conduce a un proceso más rápido de reacción de hidratación en el NBFM. Por lo tanto, el tiempo de coagulación inicial y final del NBFM disminuyó significativamente con el pretratamiento de lavado.

En conclusión, cuando la dosis de cenizas volantes de MSWI es del 3 %, la resistencia y el tiempo de fraguado del NBFM cumplen con los estándares del yeso de construcción de grado 2.0 en el código chino (GB/T9776-2008)50. Las propiedades físicas básicas del NBFM mejoran significativamente después de lavar las cenizas volantes de MSWI con agua. Por lo tanto, es factible aplicar el NBFM a la ingeniería de edificios con mayor calidad después del pretratamiento del lavado con agua.

Este documento ha demostrado que las propiedades físicas básicas del NBFM cumplen con el estándar para su uso como materiales de relleno. Sin embargo, es necesario analizar y evaluar si el fosfoyeso puede solidificar metales pesados ​​en las cenizas volantes de MSWI por sus características de lixiviación de metales pesados. Por lo tanto, con base en el experimento de propiedades mecánicas y el tiempo del experimento de coagulación, esta investigación realizó experimentos de lixiviación de metales pesados ​​en muestras S2 y S6 y analizó la influencia de la edad de curado y el pretratamiento de lavado de cenizas volantes de MSWI en la concentración de lixiviación de metales de NBFM.

El cambio de la cantidad de lixiviación de metales pesados ​​en el NBFM durante el período de curado (día) se muestra en la Fig. 7. El patrón de cambio de la edad de curado en la Fig. 7 es S3. Con el aumento de la edad de curado, el número de lixiviación de metales pesados ​​en el NBFM disminuye gradualmente. Cuando la edad de curado es de 7 días, la concentración de lixiviación de la mayoría de los metales pesados ​​en el NBFM es relativamente baja, y solo la concentración de Cr y Pb es superior al valor estándar del código chino (GB5085.3-2007)45. Esto se debe principalmente a que, con el aumento de la edad de curado, los metales pesados ​​en las cenizas volantes de MSWI reaccionan con los productos de hidratación en el NBFM por adsorción, intercambio iónico, reacción química, formación de complejos superficiales y otras formas, y forman constantemente hidróxidos y complejos, permaneciendo en la superficie del cristal. Por lo tanto, la cantidad de metal lixiviado en el NBFM disminuye continuamente. El fosfoyeso tiene un buen efecto de curado en la mayoría de los elementos metálicos en las cenizas volantes de MSWI y tiene cierto efecto de solidificación en los metales pesados ​​en las cenizas volantes de desechos de MSWI. Este método podría ser una nueva forma de tratar el fosfoyeso y las cenizas volantes de RSU de la incineración de RSU. Sin embargo, la concentración de metales Cr y Pb es relativamente alta, aunque la concentración de lixiviación ha disminuido, todavía no cumple con los requisitos del código y se necesita más investigación para reducir la concentración de Cr y Pb.

Influencia de la edad de curado en la lixiviación de metales pesados ​​de NBFM.

La Figura 8 muestra la influencia del pretratamiento de lavado en la cantidad de lixiviación de metales pesados ​​en el NBFM. El lavado con agua puede reducir efectivamente la concentración de la mayoría de los elementos metálicos en el NBFM. Esto se debe principalmente a que, en el proceso de lavado, algunos metales pesados ​​solubles en agua como Cu, Zn, As y Hg en las cenizas volantes de MSWI se disuelven gradualmente bajo la acción de la vibración, por lo que la concentración de metales pesados ​​después del lavado disminuye gradualmente. Como se puede ver en lo anterior, el fosfoyeso tiene un buen efecto de solidificación en las cenizas volantes de MSWI lavadas, y el uso de cenizas volantes de MSWI lavadas como material auxiliar para el fosfoyeso es seguro.

Influencia del pretratamiento de lavado de cenizas volantes de MSWI en la lixiviación de metales pesados ​​de NBFM.

En conclusión, el fosfoyeso tiene cierto efecto de curado sobre los metales pesados ​​en las cenizas volantes de residuos de MSWI, pero la concentración de lixiviación de algunos iones metálicos (como Cr, Pb, etc.) sigue siendo superior a los requisitos estándar. Por lo tanto, la concentración de lixiviación de metales pesados ​​en las cenizas volantes de MSWI debe reducirse aún más mediante la optimización del proceso de curado, la adición de aditivos o el decapado de las cenizas volantes de MSWI antes del curado51,52,53,54.

Establecer la relación entre las propiedades macroscópicas y la apariencia microscópica de la NBFM. Se utilizaron técnicas SEM y XRD para revelar el mecanismo de cambio de las propiedades físicas básicas de NBFM desde los dos aspectos de la microestructura y los productos de hidratación.

En comparación con las tarjetas estándar, el yeso (CaSO4·2H2O), la anhidrita (CaSO4), el cuarzo (SiO2) y la cal hidratada (Ca(OH)2) se detectaron principalmente en los patrones de difracción de NBFM, mientras que los productos de hidratación hidrato de silicato de calcio (C –S–H) se precipitaron en forma de gel. Por lo tanto, no se detectó ningún pico característico de C–S–H.

La influencia de la dosificación de cenizas volantes de MSWI en la dosificación de cristales en el NBFM se muestra en la Fig. 9. Con el aumento de la dosificación de cenizas volantes de MSWI, las concentraciones máximas de CaSO4 · 2H2O, CaSO4 y SiO2 en el NBFM disminuyen primero y luego aumentan. Esto indica que la reacción de hidratación del NBFM es mayor cuando la dosis de cenizas volantes de MSWI es del 3 %. Esto se debe principalmente a que las cenizas volantes de MSWI tienen cierta reacción puzolánica. A medida que aumenta la dosis de cenizas volantes de MSWI, los componentes activos de las cenizas volantes de MSWI pueden acelerar la reacción de hidratación del NBFM. Pero a medida que la dosis de cenizas volantes de MSWI continúa aumentando, las dosis de iones de metales pesados ​​y cloruro de sodio y otros compuestos salinos en el NBFM aumentan gradualmente, lo que lleva a la reacción entre los productos de hidratación y los iones metálicos y compuestos salinos. Por ejemplo, cuando el Cr en las cenizas volantes de MSWI supera el 1,56 %, parte del CaSO4 se descompondrá y generará CaCrO4, lo que conducirá a una tendencia de disminución gradual de la reacción de hidratación del NBFM55. Por lo tanto, la fuerza del NBFM aumenta y luego disminuye con el aumento de la dosis de cenizas volantes de MSWI.

Influencia de la dosificación de cenizas volantes de MSWI en la dosificación de cristales en NBFM.

La Figura 10 muestra la influencia de la edad de curado en la dosificación de cristales de NBFM. Con el aumento de la edad de curado, la fuerza máxima de CaSO4·2H2O, SiO2 y Ca(OH)2 disminuye gradualmente, y la disminución es relativa cuando la edad de curado está entre 1 y 3 días. Esto indica que la reacción de hidratación del NBFM ocurrió principalmente en la etapa inicial. Esto se debe a que las cenizas volantes de MSWI contienen SiO216 no determinado. Una cantidad adecuada de SiO2 puede inducir la reacción de hidratación entre CaSO4·2H2O y CaO para generar CaSO4 y una pequeña cantidad de Ca(OH)2, mientras que Ca(OH)2 y SiO2 tienen un efecto de ceniza volcánica para generar gel C–S–H , resultando en CaSO4·2H2O en NBFM. Las intensidades máximas de SiO2 y Ca(OH)2 disminuyen gradualmente. Mientras tanto, con el aumento de la edad de curado, los productos de hidratación se precipitan gradualmente en la superficie de las partículas de yeso y las partículas de cenizas volantes de MSWI, lo que dificulta la reacción de hidratación del NBFM56,57. Por lo tanto, con el aumento de la edad de curado, la reacción de hidratación del NBFM se debilita gradualmente.

Influencia de la dosificación de cenizas volantes de MSWI en la dosificación de cristales en NBFM.

La figura 11 muestra la influencia del pretratamiento de lavado con agua en la dosificación de cristales de cenizas volantes de MSWI. El NaCl y el KCl en las cenizas volantes de MSWI se han eliminado básicamente después del lavado, y las fases físicas de las cenizas volantes de MSWI después del lavado existen principalmente en forma de CaCO3, SiO2 y CaSO4, y los picos misceláneos de las cenizas volantes de MSWI después del lavado son reducidos. Esto se debe principalmente a que el lavado elimina muchas sustancias compatibles en las cenizas volantes de MSWI, como las sales de potasio y las sales de cloro. La fase cristalina de los metales pesados ​​no se detecta en el patrón XRD, lo que puede deberse a que la estructura metálica es pequeña y suele estar envuelta por otros componentes minerales58, por lo que no se detecta el pico característico de la fase metálica.

Influencia del pretratamiento de lavado con agua en la dosificación de cristales de cenizas volantes de MSWI.

La microestructura del NBFM tiene un efecto decisivo en sus propiedades físicas básicas. Por lo tanto, se analiza la ley de influencia de la dosis de cenizas volantes de MSWI, la edad de curado y el pretratamiento de lavado en la apariencia microscópica del NBFM. La micromorfología del NBFM incluye principalmente cristales de yeso, cristales de SiO2, gel de C–S–H, cristales de Ca(OH)2 y algunas partículas de cenizas volantes de yeso y MSWI.

La Figura 12 muestra la influencia de la dosis de cenizas volantes de MSWI en las microcaracterísticas del NBFM. Cuando no se mezclan cenizas volantes de MSWI, hay muchos cristales de anhidrita dispuestos uniformemente en la interfaz del NBFM, y la interfaz es densa y la cantidad de grietas y agujeros es pequeña. Con el aumento de la dosis de cenizas volantes de MSWI, los productos de hidratación de interfaz aumentan gradualmente y aumentan su grosor y compacidad. Cuando la dosis de cenizas volantes de MSWI es del 3 %, la dosis de gel C–S–H granular y cristal de anhidrita en escamas aumenta en la apariencia de la interfaz, los productos de hidratación llenan uniformemente los poros en la interfaz y aumenta la compacidad de la interfaz. Con el aumento adicional de la dosis de cenizas volantes de MSWI, la cantidad de poros de interfaz y partículas de cenizas volantes de MSWI aumentan, y la compacidad disminuye. Cuando la dosis de cenizas volantes de MSWI es del 30 %, aparecen agujeros en la interfaz del NBFM. Esto se debe principalmente a que las cenizas volantes de MSWI están compuestas de partículas diminutas. Con el aumento de la dosis de cenizas volantes de MSWI, las partículas pequeñas en las cenizas volantes de MSWI pueden inducir el proceso de reacción de hidratación, acelerar la reacción del dihidrato de sulfato de calcio con SiO2, Ca(OH)2 y Al2O3, lo que resulta en un aumento de los productos de hidratación en La interfaz. Sin embargo, con el aumento adicional de la dosis de cenizas volantes de MSWI, la dosis de partículas de polvo en las cenizas volantes de MSWI aumenta significativamente, y una gran cantidad de agua libre se absorbe en la superficie del polvo durante el proceso de mezcla, lo que resulta en una reducción del agua libre involucrada. en la reacción de hidratación. En segundo lugar, el SiO2 está compuesto de partículas diminutas. En el proceso de hidratación, el SiO2 tiende a acercarse a las partículas de cenizas volantes de MSWI junto con las moléculas de agua59, lo que reduce significativamente la actividad del material cementoso. Por lo tanto, las partículas de cenizas volantes y fosfoyeso de MSWI en la interfaz del NBFM aumentan gradualmente. De acuerdo con la compacidad y estabilidad de la apariencia microscópica de la Fig. 12, la fuerza de unión de la interfaz del NBFM es 0 % < 3 % > 5 % > 10 % > 30 %, lo cual es consistente con la regla de cambio de propiedades mecánicas en propiedad mecánica.

Influencia de la dosis de cenizas volantes de MSWI en las microcaracterísticas de NBFM.

La Figura 13 muestra la influencia de la edad de curado en las microcaracterísticas de NBFM. Cuando la edad de curado es de 1 día, los productos de hidratación en la interfaz del NBFM son principalmente cristales de anhidrita, gel C–S–H y partículas de yeso, que se entrelazan entre sí para formar una estructura de esqueleto suelto, lo que da como resultado una baja densidad de la interfaz. . Con el aumento de la edad de curado, aumenta la cantidad de gel C-S-H en la interfaz de NBFM y aumenta la suavidad de la interfaz. Cuando la edad de curado es de 7 días, la interfaz del NBFM es relativamente suave y la cantidad de poros y partículas de yeso es pequeña. Esto se debe principalmente a que, con el aumento de la edad de curado, el dihidrato de sulfato de calcio reacciona con CaO y Al2O3 en las cenizas volantes de MSWI para generar un gel C–S–H granular y fibroso. Los productos de hidratación se entrelazan y conectan para formar una entidad densa fuertemente unida, lo que conduce a una creciente planitud de la interfaz del NBFM. Por lo tanto, con el aumento de la edad de curado, las propiedades mecánicas del bloque aumentan gradualmente.

Influencia de la edad de curado en las microcaracterísticas de NBFM.

La Figura 14 muestra la influencia del pretratamiento de lavado de cenizas volantes de MSWI en las microcaracterísticas del NBFM. La interfaz del NBFM antes del pretratamiento de lavado de cenizas volantes de MSWI es desigual con orificios, grietas y partículas de yeso. Después de lavar las cenizas volantes de MSWI, los productos de hidratación en la interfaz del NBFM aumentaron, la interfaz fue compacta y uniforme y el número de poros disminuyó. Esto se debe principalmente a que las sustancias solubles en la superficie de las partículas de cenizas volantes de MSWI se eliminan después del lavado con agua, lo que aumenta el área de contacto entre los componentes activos como el Si y el Al en las cenizas volantes de MSWI y CaSO4·2H2O, y mejora la reacción de hidratación de NBFM. . Por otro lado, después del lavado con agua, el peso de las cenizas volantes de MSWI disminuye, lo que conduce a un aumento del contenido de agua libre involucrado en la reacción de hidratación, y el agua libre adecuada puede promover aún más la reacción de hidratación de las partículas minerales en el NBFM60. Como resultado, los contenidos de Ca(OH)2, gel CSH y CaCO3 en la interfaz del NBFM aumentaron significativamente y la compacidad aumentó. De acuerdo con la compacidad y estabilidad de la apariencia microscópica de la Figura 14, la fuerza de la interfaz del NBFM es (a) < (b), lo cual es consistente con la regla de cambio de propiedades mecánicas en propiedades mecánicas.

Influencia del tratamiento de lavado con agua en las microcaracterísticas de NBFM.

La conexión entre las propiedades macroscópicas y las características microscópicas de NBFM se estableció mediante experimentos SEM y XRD, y la variación de las propiedades macroscópicas de NBFM se explicó desde una perspectiva microscópica.

En este documento, se utilizan cenizas volantes y fosfoyeso de MSWI para preparar NBFM. Mediante una serie de experimentos, se analizó la influencia de la dosis de cenizas volantes de MSWI, el pretratamiento de lavado de cenizas volantes de MSWI y otros factores sobre las propiedades mecánicas, el tiempo de condensación, los productos de hidratación y la apariencia microscópica de NBFM, y se extrajeron las siguientes conclusiones:

Con el aumento de la dosis de cenizas volantes de MSWI, las propiedades mecánicas del NBFM muestran una tendencia de primero aumentar y luego disminuir, mientras que el tiempo de coagulación inicial y final del NBFM muestra una tendencia de primero disminuir y luego aumentar. Cuando la dosis de cenizas volantes de MSWI es del 3 %, las propiedades mecánicas y el tiempo de fraguado de NBFM son los mejores.

Después de lavar las cenizas volantes de MSWI, las propiedades mecánicas del NBFM aumentaron significativamente, la coagulación inicial y final disminuyó significativamente, disminuyó el número de poros en el límite microscópico del NBFM y aumentó la planitud.

Cuando la edad de curado es de 7 días, el fosfoyeso tiene un buen efecto de curado en la mayoría de los elementos metálicos en las cenizas volantes de MSWI. La concentración de metales pesados ​​en las muestras se puede reducir significativamente lavando con cenizas volantes de MSWI.

Con el aumento de la edad de curado, aumenta la cantidad de gel C-S-H en las características microscópicas del NBFM y aumenta la planitud. La cantidad adecuada de cenizas volantes de MSWI puede promover la reacción de hidratación del NBFM y mejorar la densidad de su microinterfaz.

En conclusión, este artículo demuestra que el NBFM se puede aplicar a la ingeniería práctica a través de pruebas de propiedades mecánicas y tiempo de fraguado. El efecto del fosfoyeso sobre la solidificación de metales pesados ​​en las cenizas volantes de MSWI se verificó mediante experimentos de lixiviación de metales pesados. La relación entre las propiedades macroscópicas y la apariencia microscópica de NBFM se establece mediante experimentos microscópicos (Información complementaria).

Los datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles en los materiales complementarios o del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores también agradecen a los revisores por sus invaluables comentarios que han llevado a una mejora significativa en el documento.

Este estudio fue parcialmente apoyado por la subvención número 42271301 de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, la subvención número 2022AH010094 del Proyecto de Innovación e Investigación Excelente de la Universidad de Anhui. El APC fue financiado por una beca de Wanjiang.

Instituto de Ingeniería Molecular y Química Aplicada, Universidad Tecnológica de Anhui, Ma'anshan, 243002, China

Long Long Yin, Qing Guo, Xiao Wang y Qianfeng Zhang

POWERCHINA Hebei Engineering Corporation Limited, No. 107 Tabei Road, Shijiazhuang, China

Yin largo y largo

Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Tongling, No. 4, Cui Hu Road 1335, Distrito de Tongling, 244000, Anhui, China

Jing Yuan

Universidad de Alberta, Edmonton, T6G 1H9, Canadá

Jing Yuan

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Conceptualización, YL; metodología, YL; investigación, GQ,WX; redacción—preparación del borrador original, YL; redacción—revisión y edición, YJ; visualización, ZQ; adquisición de fondos, YJ Todos los autores han leído y están de acuerdo con la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Jing Yuan.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Yin, L., Guo, Q., Wang, X. et al. Materiales de relleno ambiental a base de polvo de fosfoyeso con cenizas de incineración de residuos sólidos municipales. Informe científico 13, 478 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-26731-9

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Recibido: 29 julio 2022

Aceptado: 19 de diciembre de 2022

Publicado: 10 enero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26731-9

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