都市廃棄物焼却灰を原料としたリン石膏粉末をベースとした環境充填材

Jan 26, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 478 (2023) この記事を引用

675 アクセス

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

本稿では,リン石膏と都市固形廃棄物焼却(MSWI)飛灰を使用した新しい建築充填材(NBFM)を作成した。 MSWI フライアッシュの投与量と MSWI フライアッシュ水洗浄前処理が NBFM の機械的特性、硬化時間、金属浸出、水和生成物および微細構造に及ぼす影響を、さまざまな実験研究によって分析します。 結果は,MSWIフライアッシュ投与量が3%である場合,NBFMの機械的特性,硬化時間およびマイクロ界面の密度が最適であることを示した。 MSWI フライアッシュを洗浄した後、NBFM の機械的特性が向上し、凝縮時間と重金属の浸出濃度が低下します。 硬化期間の増加に伴い、NBFM の金属元素の浸出は減少し、硬化期間が 7 日の場合、ほとんどの金属元素に対する NBFM の凝固効果は中国規格 (GB5085.3-2007) の基準を満たします。 MSWI フライアッシュとリン石膏の建築工学用充填材としての実現可能性を検証し、NBFM の巨視的特性の変化についても説明します。

リン石膏は湿式リン酸生産の工業副産物の 1 つで、1 トンのリン酸を生産すると 4 ～ 5 トンのリン石膏が得られます。 世界中のリン肥料産業によるリン石膏の年間生産量は約 3 億トンです1。 大量に貯蔵されたリン石膏は土地を占拠して環境を汚染するだけでなく、リン石膏に含まれる重金属が雨水とともに地下水に流れ込み、水資源の汚染を引き起こします。 したがって、リン石膏の効果的な利用が大きな注目を集めています2,3,4,5。

関連する実験研究 6、7、8 は、リン石膏が自己硬化特性を持っていることを示しました。 充填材としてのリン石膏の使用は実現可能であり、天然資源の保全、環境保護、経済発展にとって高い価値があります9,10,11。 建築工学におけるリン石膏充填材 (PFM) の応用を改善するために、一部の学者は PFM の物理的挙動に焦点を当てています。 Gu12 は、PFM に対するリン石膏の影響を研究する実験を実施しました。 その結果、リン石膏の含有量が増加すると、PFMの流動性が増加し、硬化時間が増加することが明らかになりました。 Mashifana13 は、硬化方法とリン石膏含有量が PFM に及ぼす影響を分析しました。 結果は、高温硬化によりPFMの強度が向上し、リン石膏含有量が30%の場合にPFMの強度が最も高くなることが示されました。 Jiang14 は、リン石膏を結合剤として使用して PFM を作成しました。 結果は、2時間後のPFMの圧縮強度と曲げ強度がそれぞれ3.2 MPaと1.6 MPaであり、中国規格の強度基準を満たすことができることを示しています。 Chen15 は、PFM を作成するための基材としてリン石膏を使用しました。 PFM強度に及ぼすセメント、シリカ粉末および生石灰の影響を分析した。 結果は,ポルトランドセメント,マイクロシリカ粉末および生石灰の活性化下では,PFMの強度は後期段階で増加し,PFMの強度は28日で20MPaであることを示した。

都市固形廃棄物焼却（MSWI）灰は有害廃棄物16、17、18、19であり、廃棄物焼却技術の急速な適用により、MSWI灰の排出量は急速に増加していますが、MSWI灰の埋立地の安全性は十分ではありません。 規制による管理が失われた後、MSWI の灰が直接環境に排出される多くの焼却は土壌と地下水を汚染し、環境に多大な汚染リスクをもたらします。 ボトムアッシュとフライアッシュを含むMSWIアッシュ。 底灰の利用には、経済的にも環境的にも大きな利点があります。 そこでDou20ではMSWI底灰の性質、処理方法、適用状況を実験により分析しました。 この結果は、低強度骨材としての MSWI ボトムアッシュが大きな可能性を秘めていることを示しています。 Davinder21 は、MSWI 底灰の圧縮と強度挙動に対するセメントと繊維の影響について議論しています。 結果は、セメントと繊維の添加により、底灰の最大乾燥単位重量が減少し、最適含水率が上昇することを示しています。 また、フィブリンを添加すると、MSWI ボトムアッシュの硬度が低下する可能性があります。 Jing22 は、MSWI 底部灰セメントペーストの特性に対する機械的活性化の影響を調査しました。 結果は、機械的活性化により MSWI 底部灰セメントペーストの圧縮強度が大幅に増加し、粉砕時間が 30 分の場合は 14% 増加したことを示しています。 Laura23 は、高度な乾式回収法を使用して MSWI ボトムアッシュから非鉄金属と鉄金属を分離し、異なる粒子サイズの骨材製品を製造しました。これは MSWI ボトムアッシュのリサイクルにとって重要です。 Pravez24 は、レンガの製造に都市固形廃棄物焼却から出る底灰とセメントを使用しています。 結果は、セメントを MSWI 底灰の 6% に置き換えた場合にも、レンガの最小吸水率および最小圧縮強度基準が満たされることを示しました。

一方、関連する学者は MSWI フライアッシュを研究しており 25、26、27、28、その結果、MSWI フライアッシュとセメントは類似した化学組成を持ち、ゲル化システムの混和剤として適用できることが示されています。 しかし現在、MSWI フライアッシュの資源利用を制限している主な原因は、MSWI フライアッシュに含まれる重金属とダイオキシンが環境を非常に汚染していることです 29,30,31。 リン石膏の自己硬化能力と MSWI フライアッシュの部分水和活性を利用して重金属とダイオキシンをコロイドにカプセル化し、建築工学用の新しい充填材料を作成できるかどうか。 これがこの記事の焦点であり、リン石膏と MSWI フライアッシュ資源を共処理に利用する新しい方法です。

リン石膏と MSWI フライアッシュを使用して新しい建築充填材 (NBFM) を調製する実現可能性を検証する。 この論文では、NBFM について一連の実験研究を実施し、MSWI フライアッシュの投与量、MSWI フライアッシュ洗浄前処理およびその他の要因が NBFM の機械的特性、硬化時間、重金属浸出、水和生成物および顕微鏡的外観に及ぼす影響を明らかにしました。分析されました。 さらに、NBFM の微視的外観と巨視的特性の関係が確立されました。

使用される材料は、リン石膏、MSWI フライアッシュ、硫酸ナトリウム溶液、ガラス繊維、水です。 リン石膏は貴州宜天新技術有限公司からのものです。 南京廃棄物焼却発電所からのMSWI飛灰。 表 1 は、MSWI フライアッシュおよびリン石膏サンプルの重金属濃度を示しています。 表 2 に「地盤試験規則」32 に定められたリン石膏の物理指標を示す。 リン石膏の化学組成を蛍光X線分析法により分析した結果を表3に示します。リン石膏のXRDパターンを図1に示します。図1からわかるように、リン石膏は主にジハイドライトとヘミハイドライトで構成されています。 廃棄物焼却 MSWI 飛灰の化学組成を表 4 に示します。ガラス繊維の長さは 1 ～ 2 cm、密度は 2.6 g/cm、破断後の伸びは 3.4%です。 硫酸ナトリウム溶液は、分析的に純粋な無水硫酸ナトリウムと水道水で調製されました。

リン石膏の物理相組成。

表 2 は、リン石膏が大きな気孔率と高い自由水含有量を持っていることを示しています。 したがって、交換中にリン石膏が半水石膏に変化する可能性があります。

表 3 より、リン石膏は主に C、S、O などの酸化物で構成されており、その中に CaO や SiO2 などの有効成分が 33% も含まれています。 中国の仕様書 (GB/T 9776-2008)33 を参照してください。リン石膏には自己接着硬化の特性があります。

中国の基準 (HJ/1134-2020)34 および表 4 に基づく。 MSWI フライアッシュは、高温で形成された CaO-SiO2-Al2O3 系の生成物であり、特定のポゾラッシュ効果があり、混合物としてリン石膏に添加できます。

実験手順は主に MSWI 飛灰洗浄処理、混合設計、製造プロセスの 3 つのステップに従います。 これら 3 つのステップの詳細な手順は次のとおりです。

ＭＳＷＩ飛灰は水洗により前処理された。 NBFMの機械的特性、硬化時間、重金属浸出量および微細構造に対する洗浄済みおよび未洗浄のMSWIフライアッシュの影響を比較する。 主な手順は次のとおりです。まず、MSWI フライアッシュと純水を固液比 1:835,36 で混合し、TCLP 回転振動子に乗せて 30 r/min で 30 分間振動させます。分37、38。 発振後、12 時間放置します。 最後に、表面の水分を除去し、底部のMSWIフライアッシュを105℃の乾燥ボックスに24時間入れて、MSWIフライアッシュ粒子を得た。

いくつかの実験と理論的研究が使用されています39、40、41。 NBFM の混合比を決定します。結合材に対する水の比率は 0.39、結合材はリン石膏と MSWI フライアッシュ、ガラス繊維と硫酸ナトリウム溶液の添加量はそれぞれ結合材の 0.3% と 2.5% でした。 。 バインダー材料の混合設計を表 5 に示します。

まず、混合設計に従って材料の重量を量り、材料を撹拌機に注ぎ、水と 30 ～ 50 秒間かき混ぜて、均一な充填スラリーを取得します。 調製したパドルスラリーを、４０ｍｍ×４０ｍｍ×１６０ｍｍの標準的な３重型に入れ、自然沈下させた。 スラリーの最初の凝固後、スラリーの表面を平らに削り、室温で２４時間硬化させた。 最後に、成形された NBFM を型から外し、1 日、3 日、および 7 日間硬化室に移しました。 異なる保守年数におけるNBFMの形成図を図2に示します。

メンテナンス期間が 1d、3d、7d の NBFM 標本。

機械的特性は、中国の規格「建築用石膏の機械的特性の測定」42 (GB/T17669.3-1999) に従ってクーポン テストから測定されました。 試験に使用した装置はセメント圧力試験機 DP-300C です。 試験片のサイズは 40 × 40 × 160 mm の角柱形状、試験治具の支持間隔は 100 mm、荷重速度は 0.03 ～ 0.06 MPa/s です。 試験片の曲げ強度は式(1)で計算されます。 (1)42． 曲げ強度が完成したブロックの圧縮強度をテストします。 破断試験片を 40 × 40 mm の角型クランプに置き、上記の荷重速度に従って試験しました。 試験片の圧縮強度は式(1)で計算されます。 (2)42．

ここで、 \(f_{{{\text{cf}}}}\) は試験片の曲げ強さ (MPa)、 \(F\) は試験片の破壊荷重 (N)、 \(M\) です。は試験片が破断するときの曲げモーメント (\(N \cdot {\text{m}}\))、\(b\) は試験片の正方形断面の一辺の長さ (mm) です。

ここで、\(f_{{{\text{cu}}}}\) は試験片の圧縮強度 (MPa)、\(S\) は試験片の耐力面積 (mm2) です。

凝結時間は、GB/T17669.4-1999「建築用石膏/ネットスラリーの物理的特性の決定」43に従って行われた。 具体的な試験プロセスは次のとおりです。まず、製造プロセスに従って均一な充填スラリーを取得します。 次に、スラリーをリングダイ装置に注入し、スラリーがリングダイの上端と面一になるように装置の底板を上昇させます。 スラリーを充填したリング型を濃度計の鋼製針の下に置き、先端をスラリー表面に接触させ、ロッドの固定ネジを素早く緩め、針がスラリー中に自由に挿入できるようにします。 材料が水と接触し始めてから、鋼針が最初に底板に接触できなくなる時間、つまり試験片の初期硬化時間。 試験片の最終硬化時間は、材料と水が接触してから初めて鋼針をスラリーの深さ 1mm 以内に挿入するまでの時間です。

重金属の浸出は、有害廃棄物の浸出毒性識別基準（EPA SW-846 試験方法 131144、GB/T5085.3-2007）45 の硫酸法に従って実施されました。 具体的な試験プロセスは次のとおりです。まず、サンプルを分割し、5 mm まで細かく粉砕します。 次に、濃硫酸と濃硝酸とを質量比２：１で水に混合し、ｐＨ約３．２の抽出液を調製した。 次に、サンプルと抽出剤を抽出ボトル内で液体と固体の比率が 10 L:1 kg になるように混合しました。 その後、抽出ボトルの蓋をしっかりと閉め、速度 30 r/min、傾斜角 23°の水平振動装置に 18 時間置きました。 最後に、浸出溶液を収集し、誘導結合プラズマ質量分析計 (ICM-MS、Agilent 7500CX) に入れて、重金属の投与量を測定しました。

試験にはXRD装置(D8ADVANCE)と粉末サンプルを使用しました。 走査角度は5°〜90°、走査速度は10°/minに設定しました。 サンプルの具体的な製作工程は以下の通りです。まず、手順に従って材料を作成・成形し、7日間硬化させます。 次に、切断機で半径 0.5 cm の正方形のサンプルを切断し、無水アルコールで洗浄しました。 乾燥後、サンプルをメノウ乳鉢で粉末に粉砕しました。 最後に、粉末サンプルを分析用の装置に入れます。

この実験ではSEM装置(JSM-6490LV)を使用しました。 観測倍率は1000倍でした。 サンプルの具体的な製作手順は以下の通りです。まず、手順に従って材料を作成・成形し、7日間硬化させます。 次いで、直径１５ｍｍ以下、厚さ５ｍｍ以下のサンプルを切断機で取り出し、無水アルコールで洗浄した。 その後、サンプルを95℃の乾燥箱に入れて真空乾燥し、水和反応を停止させた。 観察前に、サンプルに金、カーボン、プラチナなどのコーティング材料を約 10 ～ 30 nm の厚さでメッキします。 コーティング後、サンプルテーブルに置いて観察や分析が可能です。

NBFMの機械的性質と硬化時間は建築構造に影響を与える基本性能指標です。 MSWIフライアッシュの投与量と水洗前処理がNBFMの機械的性質と硬化時間に及ぼす影響をそれぞれ論じた。 図 3 において、\(\mu\) は NBFM の MSWI フライアッシュ投与量を表します。 \(1{\text{d}}\)、\(3{\text{d}}\)、\(7{\text{d}}\) は、保存期間 1 日、3 日、7 日を表します。それぞれ日数。 \(f_{{{\text{cu}}}\) と \(f_{{{\text{cf}}}}\) は、それぞれ NBFM の圧縮強度と曲げ強度を表します。 図 4 の \({\text{WP}}\) は MSWI フライアッシュ洗浄を表し、\({\text{N}} - {\text{WP}}\) は MSWI フライアッシュ未洗浄を表します。 図中の \({\text{IS}}\) は初期硬化時間を表し、\({\text{FS}}\) は最終硬化時間を表します。 5と6。

NBFM の機械的特性に対する MSWI フライアッシュの投与量の影響。

NBFM の機械的特性に対する MSWI フライアッシュ洗浄前処理の影響。

NBFMの硬化時間に対するMSWIフライアッシュ投与量の影響。

NBFMの凝縮時間に対する水洗前処理の影響。

NBFM の機械的特性に対する MSWI フライアッシュの添加量の影響を図 3 に示します。MSWI フライアッシュの添加量が増加すると、NBFM の圧縮強度と曲げ強度が最初に増加し、次に減少します。 MSWI フライアッシュの添加量が 3% の場合、NBFM は最高の機械的特性を持ち、圧縮強度と曲げ強度はそれぞれ 4.42 MPa と 1.9 MPa です。 これは主に、MSWI フライアッシュの添加量が 3% の場合、MSWI フライアッシュ中の微粒子が NBFM 内の水和生成物の結晶化核生成点を提供し、水和生成物の生成を促進し、その結果圧縮強度と曲げ強度が向上するためです。 NBFM の強度は増加傾向にあるようです。 しかし、MSWI フライアッシュの投与量の増加に伴い、NBFM 内の緩い多孔質ダスト粒子が増加し、リン石膏ベースの反応に必要な水の消費量が減少し、リン石膏ベースの結晶の形成が抑制されます 46。 さらに、MSWI フライアッシュの投与量が増加すると、NBFM には塩化物や硫化物などの有機成分がますます多く含まれ、NBFM47 の水和生成物の構造が徐々に破壊されます。 したがって、NBFM の強度は大幅に低下します。

図 4 は、NBFM の機械的特性に対する MSWI フライアッシュ洗浄前処理の影響を示しています。 非洗浄の MSWI フライアッシュと比較して、水で洗浄された MSWI フライアッシュは NBFM の機械的特性を大幅に向上させることができます。 これは主に、MSWI フライアッシュ組成物中の Na、K、Cl、Ca などの水溶性成分が MSWI フライアッシュ粒子の表面に堆積し、十分な水洗後に除去されやすいこと、および MSWI 中の Si および Al 成分によるものです。マトリックスの中心にフライアッシュ粒子があり、粒子の周囲成分が少ないため、露出表面のコア成分が増加し、バインダー組成物の活性のブロックを増加させ、水和度が向上します48。 したがって、NBFM の機械的特性が向上します。

NBFMの凝結時間に対するMSWIフライアッシュ投与量の影響を図5に示します。MSWIフライアッシュ投与量の増加に伴い、NBFMの初期凝結時間と最終凝結時間は、最初に減少し、その後増加する発展傾向を示します。 。 これは主に、MSWI フライアッシュ中の Cl- イオンの半径が小さいため、水和生成物のカプセル化を貫通し、NBFM で OH- イオンの逆拡散を引き起こし、Ca(OH)2 の沈殿を促進するためです。 そのため、NBFM の初期の水和反応が促進され、縮合時間が短縮されます。 しかし、MSWI フライアッシュの投与量の増加に伴い、NBFM 中の Zn、Pb、Cu、Cr およびその他の重金属元素は増加し続け、重金属は NBFM48 の凝縮と硬化を阻害し、NBFM48 の濃度が徐々に増加します。 NBFM の凝縮時間。

図 6 は、NBFM の凝縮時間に対する MSWI フライアッシュの洗浄前処理の影響を示しています。 MSWI フライアッシュの洗浄前処理後の NBFM の初期および最終凝固時間が短縮されます。 主な理由は、MSWI フライアッシュ中の CaO、Al2O3、SiO2 などの活性成分の含有量が洗浄後に増加し 49、これが NBFM における水和反応のプロセスの高速化につながるためです。 したがって、NBFM の初期および最終凝固時間は、洗浄前処理により大幅に減少しました。

結論として、MSWI フライアッシュの添加量が 3% の場合、NBFM の強度と硬化時間は中国規格 (GB/T9776-2008) のグレード 2.0 建築石膏の基準を満たします50。 NBFM の基本的な物理的特性は、MSWI フライアッシュを水で洗浄した後に大幅に向上します。 したがって、水洗前処理後のNBFMをより高品質に建築工学に適用することが可能です。

この論文は、NBFM の基本的な物性が充填材料として使用する基準を満たしていることを実証しました。 ただし、リン石膏が MSWI フライアッシュ中の重金属を固化できるかどうかは、その重金属浸出特性を分析して評価する必要があります。 そこで本研究では、機械的性質実験と凝固実験に基づいて、S2およびS6サンプルに対して重金属浸出実験を実施し、養生期間とMSWI飛灰洗浄前処理がNBFMの金属浸出濃度に及ぼす影響を分析した。

養生期間（日）におけるNBFMの重金属浸出量の変化を図7に示します。図7における養生年齢の変化パターンはS3です。 硬化年数の増加に伴い、NBFM 中の重金属の浸出数は徐々に減少します。 養生期間が 7 日の場合、NBFM 中のほとんどの重金属の浸出濃度は比較的低く、Cr と Pb の濃度のみが中国規格 (GB5085.3-2007)45 の基準値より高くなります。 これは主に、硬化年数の増加に伴い、MSWI フライアッシュ中の重金属が吸着、イオン交換、化学反応、表面錯体形成などの方法で NBFM の水和生成物と反応し、常に水酸化物や錯体を形成し、残留するためです。結晶の表面に。 したがって、NBFM での金属浸出量は継続的に減少します。 リン石膏は、MSWI フライアッシュ中のほとんどの金属元素に対して良好な硬化効果を持ち、廃棄物 MSWI フライアッシュ中の重金属に対しては一定の固化効果があります。 この方法は、MSW 焼却からのリン石膏および MSWI 飛灰を処理する新しい方法となる可能性があります。 しかし、Cr および Pb 金属の濃度は比較的高く、浸出濃度は減少しましたが、依然として規制の要件を満たしておらず、Cr および Pb の濃度を低減するにはさらなる研究が必要です。

NBFM からの重金属の浸出に対する硬化年齢の影響。

図8は、NBFMにおける重金属の浸出量に及ぼす洗浄前処理の影響を示しています。 水洗浄により、NBFM 内のほとんどの金属元素の濃度を効果的に低減できます。 これは主に、MSWI 飛灰中の一部の水溶性重金属（Cu、Zn、As、Hg など）が洗浄過程で振動の作用により徐々に溶解し、洗浄後の重金属濃度が徐々に低下するためです。 上記から分かるように、リン石膏は洗浄済みＭＳＷＩフライアッシュに対して良好な固化効果を有しており、洗浄済みＭＳＷＩフライアッシュをリン石膏の補助材料として使用することは安全である。

NBFMの重金属浸出に対するMSWIフライアッシュ洗浄前処理の影響。

結論として、リン石膏は MSWI 廃棄物フライアッシュ中の重金属に対して一定の硬化効果がありますが、一部の金属イオン (Cr、Pb など) の浸出濃度は依然として標準要件よりも高いです。 したがって、MSWI フライアッシュ中の重金属の浸出濃度は、硬化プロセスの最適化、添加剤の追加、または硬化前の MSWI フライアッシュの酸洗いによってさらに低減される必要があります 51、52、53、54。

NBFM の巨視的特性と微視的外観の関係を確立する。 SEMおよびXRD技術を用いて、微細構造と水和生成物の2つの側面からNBFMの基本物性の変化機構を明らかにした。

標準カードと比較すると、NBFM の回折パターンでは石膏 (CaSO4・2H2O)、硬石膏 (CaSO4)、石英 (SiO2)、消石灰 (Ca(OH)2) が主に検出され、水和生成物であるケイ酸カルシウム水和物 (C –S–H）がゲルの形で沈殿しました。 したがって、C-S-H の特徴的なピークは検出されませんでした。

NBFM における結晶注入量に対する MSWI フライアッシュ注入量の影響を図 9 に示します。MSWI フライアッシュ注入量の増加に伴い、NBFM における CaSO4・2H2O、CaSO4 および SiO2 のピーク強度は最初に減少し、次に増加します。 これは、MSWI フライアッシュの添加量が 3% の場合に、NBFM の水和反応が最も大きくなることを示しています。 これは主に、MSWI フライアッシュが特定のポゾラン反応を有するためです。 MSWI フライアッシュの投与量が増加すると、MSWI フライアッシュの活性成分が NBFM の水和反応を加速する可能性があります。 しかし、MSWI フライアッシュの投与量が増加し続けると、NBFM 内の重金属イオン、塩化ナトリウムおよびその他の塩化合物の投与量が徐々に増加し、水和生成物と金属イオンおよび塩化合物との間の反応が引き起こされます。 例えば、MSWI フライアッシュ中の Cr が 1.56%を超えると、CaSO4 の一部が分解して CaCrO4 が生成され、NBFM55 の水和反応が徐々に低下する傾向にあります。 したがって、NBFM の強度は、MSWI フライアッシュの投与量の増加とともに増加し、その後減少します。

NBFM における結晶の投与量に対する MSWI フライアッシュの投与量の影響。

図 10 は、NBFM の結晶投与量に対する硬化年齢の影響を示しています。 硬化期間の増加に伴い、CaSO4・2H2O、SiO2、Ca(OH)2のピーク強度は徐々に減少し、硬化期間が1日から3日の間では相対的に低下する。 これは、NBFM の水和反応が主に初期段階で起こったことを示しています。 これは、MSWI フライアッシュには非決定性 SiO216 が含まれているためです。 適切な量​​のSiO2は、CaSO4・2H2OとCaOの間の水和反応を誘発してCaSO4と少量のCa(OH)2を生成します。一方、Ca(OH)2とSiO2は火山灰効果によりC-S-Hゲルを生成します。 、NBFMではCaSO4・2H2Oが生成されます。 SiO2 と Ca(OH)2 のピーク強度は徐々に減少します。 一方、硬化時間が長くなると、石膏粒子やMSWIフライアッシュ粒子の表面に水和生成物が徐々に析出し、NBFMの水和反応が阻害されます56,57。 したがって、硬化時間が経過するにつれて、NBFMの水和反応は徐々に弱まります。

NBFM における結晶の投与量に対する MSWI フライアッシュの投与量の影響。

図 11 は、MSWI フライアッシュの結晶添加量に対する水洗前処理の影響を示しています。 MSWI フライアッシュ中の NaCl と KCl は洗浄後に基本的に除去されており、洗浄後の MSWI フライアッシュの物理相は主に CaCO3、SiO2、CaSO4 の形で存在し、洗浄後の MSWI フライアッシュのさまざまなピークが存在します。削減されます。 これは主に、洗浄によってカリウム塩や塩素塩など、MSWI フライアッシュに含まれる多くの適合性物質が除去されるためです。 重金属の結晶相は XRD パターンで検出されません。これは、金属構造が小さく、通常は他の鉱物成分に包まれているためと考えられます 58。したがって、金属相の特徴的なピークが検出されません。

MSWIフライアッシュの結晶添加量に対する水洗前処理の影響。

NBFM の微細構造は、その基本的な物理的特性に決定的な影響を与えます。 したがって,NBFMの顕微鏡的外観に及ぼすMSWIフライアッシュ投与量,硬化年齢および洗浄前処理の影響法則を分析した。 NBFM の微細形態には、主に石膏結晶、SiO2 結晶、C-S-H ゲル、Ca(OH)2 結晶、および一部の石膏および MSWI フライアッシュ粒子が含まれます。

図 12 は、NBFM の微細特徴に対する MSWI フライアッシュの投与量の影響を示しています。 MSWIフライアッシュを混合しない場合、NBFMの界面には硬石膏の結晶が均一に多数存在し、界面が緻密でクラックや穴の数が少ない。 MSWI フライアッシュの投与量が増加すると、界面水和生成物が徐々に増加し、その厚さと緻密さが増加します。 MSWIフライアッシュの添加量が3％の場合、粒状のC-S-Hゲルとフレーク状硬石膏結晶の添加量が界面の外観で増加し、水和生成物が界面の細孔を均一に満たし、界面の緻密性が増加します。 MSWI フライアッシュの投与量がさらに増加すると、界面細孔の数と MSWI フライアッシュ粒子が増加し、緻密性が低下します。 MSWI フライアッシュの添加量が 30% の場合、NBFM の界面に穴が現れます。 これは主に、MSWI フライアッシュが小さな粒子で構成されているためです。 MSWI フライアッシュの投与量が増加すると、MSWI フライアッシュ中の小さな粒子が水和反応プロセスを誘発し、硫酸カルシウム二水和物と SiO2、Ca(OH)2、および Al2O3 との反応を促進し、その結果、水和生成物の増加を引き起こす可能性があります。インターフェース。 しかし、MSWIフライアッシュの投与量がさらに増加すると、MSWIフライアッシュ中のダスト粒子の投与量が大幅に増加し、混合プロセス中に大量の自由水がダスト表面に吸収され、その結果、関与する自由水が減少します。水和反応で。 第二に、SiO2 は小さな粒子で構成されています。 水和プロセスにおいて、SiO2 は水分子とともに MSWI フライアッシュ粒子に近づく傾向があり 59、これによりセメント質材料の活性が大幅に低下します。 したがって、NBFM 界面の MSWI フライアッシュとリン石膏粒子は徐々に増加します。 図12の微視的外観の緻密性と安定性によると、NBFMの界面の結合強度は0% < 3% > 5% > 10% > 30%であり、これは機械的特性の変化規則と一致しています。機械的性質において。

NBFM の微細特徴に対する MSWI フライアッシュ投与量の影響。

図 13 は、NBFM の微細特徴に対する硬化時間の影響を示しています。 硬化時間が 1 日の場合、NBFM の界面の水和生成物は主に硬石膏結晶、C-S-H ゲル、石膏粒子であり、これらが互いに絡み合って緩い骨格構造を形成し、界面の密度が低くなります。 。 硬化時間が長くなると、NBFM 界面の C-S-H ゲルの数が増加し、界面の平滑性が向上します。 硬化期間が 7 日の場合、NBFM の界面は比較的滑らかで、気孔や石膏粒子の数は少なくなります。 これは主に、硬化年数の増加に伴い、硫酸カルシウム二水和物が MSWI フライアッシュ中の CaO および Al2O3 と反応して粒状および繊維状の C-S-H ゲルを生成するためです。 水和生成物は絡み合い、結合してしっかりと結合した緻密な実体を形成し、NBFM の界面の平坦性が高まります。 したがって、硬化時間が経過するにつれて、ブロックの機械的特性は徐々に増加します。

NBFMの微細特徴に対する硬化年齢の影響。

図 14 は、NBFM の微細特徴に対する MSWI フライアッシュ洗浄前処理の影響を示しています。 MSWI 飛灰洗浄前処理前の NBFM の界面は、穴、亀裂、石膏粒子があり不均一です。 MSWI フライアッシュを洗浄した後、NBFM の界面の水和生成物が増加し、界面は緻密で均一になり、細孔の数が減少しました。 これは主に、水洗後にMSWIフライアッシュ粒子表面の可溶性物質が除去され、MSWIフライアッシュ中のSiやAlなどの活性成分とCaSO4・2H2Oとの接触面積が増加し、NBFMの水和反応が促進されるためである。 。 一方、水洗後は MSWI フライアッシュの重量が減少するため、水和反応に関与する自由水の含有量が増加し、適切な自由水により NBFM60 中の鉱物粒子の水和反応がさらに促進されます。 その結果、NBFM 界面の Ca(OH)2、CSH ゲル、CaCO3 の含有量が大幅に増加し、緻密性が向上しました。 図 14 の微視的外観の緻密性と安定性によれば、NBFM の界面の強度は (a) < (b) であり、これは機械的特性における機械的特性の変化規則と一致します。

NBFMの微細特徴に及ぼす水洗処理の影響。

NBFM の巨視的特性と微視的特性の間の関連性を SEM と XRD 実験を使用して確立し、NBFM の巨視的特性の変化を微視的観点から説明しました。

この論文では、MSWI フライアッシュとリン石膏を使用して NBFM を調製します。 一連の実験により、NBFM の機械的特性、凝縮時間、水和生成物および顕微鏡的外観に対する MSWI フライアッシュの投与量、MSWI フライアッシュの洗浄前処理およびその他の要因の影響が分析され、次の結論が得られました。

MSWI フライアッシュの投与量の増加に伴い、NBFM の機械的特性は最初に増加し、その後減少する傾向を示しますが、NBFM の初期および最終凝固時間は、最初に減少し、その後増加する傾向を示します。 MSWI フライアッシュの添加量が 3% の場合、NBFM の機械的特性と硬化時間は最高になります。

MSWI フライアッシュを洗浄した後、NBFM の機械的特性は大幅に増加し、初期および最終凝固が大幅に減少し、NBFM の微視的境界における細孔の数が減少し、平坦度が増加しました。

硬化期間が 7 日間の場合、リン石膏は MSWI フライアッシュ中のほとんどの金属元素に対して良好な硬化効果を示します。 サンプル中の重金属の濃度は、MSWI フライアッシュで洗浄することで大幅に低減できます。

硬化時間が長くなると、NBFM の顕微鏡的特徴における C-S-H ゲルの数が増加し、平坦度が増加します。 適切な量​​の MSWI フライアッシュは、NBFM の水和反応を促進し、そのマイクロ界面の密度を高めることができます。

結論として、本論文は機械的特性と硬化時間試験を通じてNBFMが実際の工学に適用できることを証明した。 MSWI フライアッシュ中の重金属の凝固に対するリン石膏の効果は、重金属浸出実験によって検証されました。 NBFM の巨視的特性と微視的外観の関係は、顕微鏡実験によって確立されます (補足情報)。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータは、補足資料で入手するか、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

ペレス・ロペス、RF、マシアス、CR、カノバス、AM、サルミエント、SM リン石膏処分場から河口環境への汚染物質の流れ: 地球化学的痕跡からの洞察。 科学。 合計。 環境。 553、42–51 (2016)。

記事 ADS Google Scholar

Kuzmanović, P.、Todorović, N. & Knežević, J. レンガ製造におけるリン石膏使用の可能性: 放射線学的および構造的特性評価。 J.ハザード。 メーター。 413、125343 (2021)。

記事 Google Scholar

Mittal, A. & Rakshit, D. リン石膏の焼成のためのセメントロータリーキルン廃熱の利用。 サーム。 科学。 工学手順 20、100729 (2020)。

記事 Google Scholar

Costa、ARD、Matos、SRC、Gonçalves、JP リン石膏を含む持続可能な三成分セメントの水和。 サステイン・メーター。 テクノロジー。 28、e20080 (2021)。

Google スカラー

Attallaha, MF、Metwally, SS、Mohamed, SIM & Soliman, A. リン酸肥料およびリン石膏廃棄物の環境影響評価: 元素および放射線学的影響。 マイクロケム。 J. 146、789–797 (2019)。

記事 Google Scholar

リー、ＸＢら。 セメンテッドペースト埋め戻し用のリン石膏の固定化とその環境への影響。 J. クリーン。 製品。 156、137–146 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Jiang、GZ、Wu、AX、Wang、YM & Lan、WT 半水化リン石膏の低コストかつ高効率利用: 充填材を調製するためのバインダーとして使用されます。 構造建てる。 メーター。 167、263–270 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Costa、ARD、Matos、SRC、Camarini、G. & Gonçalves、JP リン石膏を含む持続可能な三成分セメントの水和。 持続する。 メーター。 テクノロジー。 改訂版 28、e00280 (2021)。

CAS Google スカラー

Long、XC、Chen、FJ リン石膏充填材と補助材の比率の最適化。 インダス。 鉱夫。 プロセス。 10、324 (2011)。

Google スカラー

Jiang, G.、Wu, A. & Wang, Y. 半水化リン石膏の低コストかつ高効率利用: 充填材を調製するための結合剤として使用されます。 構造建てる。 メーター。 167、263–270 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Jiang, G. & Aixiang, Z. 半水化リン石膏の低コストかつ高効率利用: 充填材を調製するための結合剤として使用されます。 構造建てる。 メーター。 167、263–270 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Gu, K.、Chen, B. & Pan, YJ グラウト材の調製における充填および結合材としての未処理リン石膏の利用。 構造建てる。 メーター。 265、120479 (2020)。

記事 Google Scholar

Mashifana、TP リン石膏の化学処理と建築および建設へのその潜在的な応用。 手順メーカー 35、641–648 (2019)。

Google スカラー

Jiang、GZ、Wu、AX、Wang、YM & Lan、WT 半水化リン石膏の低コストかつ高効率利用: 充填材を調製するためのバインダーとして使用されます。 構造建てる。 メーター。 167、263–270 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Chen, JK、Liu, N.、Chen, B. リン酸石膏ベースの注入材の調製技術に関する実験的研究。 新しいビルド。 メーター。 42–45 (2016)。

Kima, K. & Kimb, M. 最終廃棄物ガラスのみを使用してガラス化された都市固形廃棄物焼却炉飛灰の特性評価。 J. クリーン。 製品。 318、128557 (2021)。

記事 Google Scholar

Zhang, JJ、Zhang, SG & Liu, B. 都市固形廃棄物焼却飛灰中のダイオキシン類の分解技術とメカニズム: 総説。 J. クリーン。 製品。 250、119507 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Zhu、J.ら。 一般廃棄物焼却飛灰由来の重金属の分布特性と化学的安定化方法の比較。 廃棄物管理 113、488–496 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

福井和也 ほか廃棄物焼却飛灰からのリン酸カルシウムハイドロゲルの合成と燃料電池への応用。 Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ． 管理。 90、2709–2714 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

Huang, T.、Liu, LF、Zhou, LL、Yang, K. 三次元界面動電学における都市固形廃棄物焼却飛灰からの重金属除去の操作最適化。 ケモス。 204、294–302 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Doua、XM et al. 集合的な特性評価、処理、および既存の用途の観点から MSWI 底灰の利用をレビューします。 更新します。 持続する。 エネルギー改訂 79、24–38 (2017)。

記事 Google Scholar

Davinder, S. & Arvind, K. セメントと繊維で処理された都市固形廃棄物焼却残灰の機械的特性。 ネイチャー 4、61 (2019)。

Google スカラー

Jing, G.、Yu, L.、Li, ZP、Shi, X. 機械的活性化により反応性が向上し、セメント水和システムにおける都市固形廃棄物焼却 (MSWI) の底灰の浸出が減少します。 J. クリーン。 製品。 363、132533 (2022)。

記事 Google Scholar

Laura, AS、Antti, K.、Pauli, K. & Riina, R. 回収された MSWI 底灰の鉱物画分の結合: 土木構造物での利用のための改良。 廃棄物バイオマスの価値。 22、1467 (2016)。

Google スカラー

Pravez, A.、Davinder, S. & Sanjeev, K. 都市固形廃棄物の焼却底灰レンガ: 持続可能でコスト効率の高い建築材料。 メーター。 今日はProc. 07、346（2021）。

Google スカラー

デン、Y.ら。 環境に優しいバイオセーフティを備えた都市固形廃棄物焼却フライアッシュフォーセラミックレンガの持続可能な利用。 メーター。 今日はサステイン。 2、32–38 (2018)。

記事 Google Scholar

Guo, XL & Zhang, TJ 都市固形廃棄物焼却飛灰を利用して、オートクレーブ処理および改質された壁ブロックを製造します。 J. クリーン。 製品。 252、119759 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Wu, K.、Shi, HS & Guo, XL スルホアルミネートセメントクリンカー製造のための都市固形廃棄物焼却飛灰の利用。 廃棄物管理 31、2001 ～ 2008 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Wei, DW、Cai, H. & He, YL 廃棄物焼却の飛灰中のダイオキシンに関する研究概要。 乾燥環境。 モニター。 54、135–142 (2010)。

Google スカラー

Nag, M.、Saffarzadeh, A. & Shimaoka, T. 都市固形廃棄物焼却飛灰における重金属安定化のための天然ゼオライトの実現可能性: 新しいアプローチ。 環境。 守る。 科学。 10(7)、17 (2022)。

Google スカラー

Tong, L. & Hu, Q. 都市固形廃棄物焼却飛灰の物理化学的特性。 低炭素安定剤。 ソリッドイフ。 危険。 廃棄物 340、129–139 (2022)。

Google スカラー

SL237-1999。 土壌試験の仕様。 SL237-1999。

GB/T 9776-2008。 焼石膏。 (2008年)

HJ/1134-2020。 都市廃棄物焼却からの飛灰の汚染制御に関する技術仕様書。 (2020年)

Liang、SHら。 Xicltyへの重金属の浸出と都市固形廃棄物焼却飛灰を加えたセメント土壌の機械的特性。 環境。 工学 37、164–169 (2019)。

Google スカラー

Tang, Q.、Chen, H.、Yin, LX & Liu, Y. 安定化された Mswi フライアッシュにおける重金属の力学と浸出特性。 環境。 工学 35(4)、112–117 (2017)。

Google スカラー

Yan、HD、Peng、LF、Yu、YZ、Sun、R. & Yong、KH 水洗前処理および都市固形廃棄物焼却炉飛灰を共処理するセメントキルンからの重金属および PCDD/F の特性評価。 廃棄物管理 76、106–116 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Wang, QH、Yang, J.、Wang, Q. & Wu, TJ 都市固形廃棄物焼却炉飛灰からの重金属の生物浸出に対する水洗前処理の効果。 J.ハザード。 メーター。 162、812–818 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

Ciukynien、DV、Saitisa、GT、Kantautasa、A.、Cien、DN & Pupeikisa、D. リン石膏粉末を添加した都市固体 WIA をベースとした多孔質アルカリ活性化材料。 構造建てる。 メーター。 Rev. 301、123962 (2021)。

記事 Google Scholar

Silva、MV、Rezende、LR、Mascarenha、MMA & Oliveira、RB 湿潤および乾燥環境条件下でのアスファルト舗装用のリン石膏、熱帯土壌およびセメント混合物。 リソース。 保守します。 リサイクルします。 144、123–136 (2019)。

記事 Google Scholar

Gracioli, B. et al. 過硫酸化セメントの性能に対するリン石膏のか焼温度の影響。 構造建てる。 メーター。 26、119961 (2020)。

記事 Google Scholar

GB/T 17669.3-1999。 石膏プラスター - 機械的特性の測定。 （1999年）。

GB/T17669.4-1999。 石膏プラスター - 純粋なペーストの物理的特性の測定。 （1999年）。

SW-846 試験方法 1311: 毒性特性の浸出手順。

GB/T5085.3-2007。 有害廃棄物の識別基準 - 抽出毒性の識別。 (2007)。

Gu, K.、Chen, B. & Pan, YJ グラウト材の調製における充填および結合材としての未処理リン石膏の利用。 構造建てる。 メーター。 265、120749 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

マ、WCら。 MSWおよび下水汚泥焼却飛灰のプラズマガラス化および重金属固化。 J.ハザール。 メーター。 408、124809 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

チェン、L.ら。 都市固形廃棄物焼却飛灰のセメントベースの安定化/固化におけるバイオ炭の役割。 化学。 工学 J. 430、132972 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Fan, CC, Wang, BM, Ai, H., Qi, Y. & Liu, Z. MSWI フライアッシュ中の重金属に対する石炭フライアッシュベースのジオポリマーとポルトランドセメントの凝固/安定化特性に関する比較研究。 J. クリーン。 製品。 319、128790 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

GB/T9776-2008。 焼成石膏 (2008)。

Yu、ZK 他 N-30アルカリ性シリカゾルによる都市廃棄物焼却飛灰中の重金属の安定化に関する実験的研究。 プロセス。 サフ。 エンビオロン。 148、1367–1376 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Tian, X. et al. 都市廃棄物焼却飛灰をアルカリ賦活装置で廃ガラスを用いて固化し、重金属を固定化します。 ケモス 283、131240 (2021)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Xue, Y. & Liu, XM 都市固形廃棄物焼却飛灰の無害化、固化、リサイクル: レビュー。 化学。 工学 J. 420、130349 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Chen, L.、Wang, L.、Zhang, YY、Ruan, S. & Mechtcherine, V. 都市固形廃棄物焼却飛灰のセメントベースの安定化/固化におけるバイオ炭の役割。 化学。 工学 J. 430、132972 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Murat、MB & Sorrentino、E. セメント原料粉への Cd、Pb、Cr、Zn の大量添加が競争力とクリンカーとセメントの特性に及ぼす影響。 セメント。 コンクリート。 解像度 26、377385 (1996)。

記事 Google Scholar

He、JH、Long、GC、Ma、KL、Xie、YJ、Ma、C. 非定常蒸気養生プロセス中のポルトランド セメント ペーストの水和熱発生: モデリングと最適化。 サーモチム。 アクタ。 694、178784 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

リュー、ZY 他高炉水砕スラグ・鉄鋼スラグ・精錬スラグ・脱硫石膏系クリンカーフリーセメント質材料の水和反応機構 J.ビルド。 工学 44、103289 (2021)。

記事 Google Scholar

Feihua, Y.、Wang, J. & Shu, JC クエン酸/クエン酸アンモニウムによる電場強化洗浄による都市固形廃棄物焼却飛灰からの重金属除去。 Ｊ．Ｅｎｖｉｒｏｎ． 工学 15、1451–1457 (2021)。

Google スカラー

Ren、PF、Ling、TC & Mo、KH 都市固形廃棄物焼却飛灰の CO2 前処理と補助セメント質材料としてのその実現可能性。 J.ハザード。 メーター。 424、127457 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Wu、ZH、Liu、JY、Zhang、GL、Wang、Y. & Wang、YB ポルトランドセメントの水和プロセスに対する化合物アルカノールラミンを含む硫酸アルミニウム無アルカリ液体促進剤の効果。 構造建てる。 メーター。 308、125101 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

リファレンスをダウンロードする

著者らはまた、論文の大幅な改善につながった貴重なコメントを寄せてくれた査読者に感謝しています。

この研究は、中国国家自然科学財団助成金番号 42271301、安徽大学優秀研究革新プロジェクト助成金番号 2022AH010094 によって部分的に支援されました。 APC は万江奨学金によって資金提供されました。

分子工学応用化学研究所、安徽理工大学、馬鞍山、243002、中国

ロンロン・イン、チン・グオ、シャオ・ワン、チェンフェン・チャン

POWERCHINA河北工程有限公司、No. 107 Tabei Road、石家荘市、中国

ロンロン・イン

銅陵大学土木工学部、No. 4、Cui Hu Road 1335、銅陵区、244000、安徽省、中国

ジン・ユアン

アルバータ大学、エドモントン、T6G 1H9、カナダ

ジン・ユアン

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

PubMed Google Scholar でこの著者を検索することもできます

概念化、YL; 方法論、YL。 調査、GQ、WX。 執筆—原案準備、YL。 執筆—レビューと編集、YJ。 ビジュアライゼーション、ZQ; 資金調達、YJ すべての著者は原稿の出版版を読み、同意しました。

ジン・ユアンへの手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

オープン アクセス この記事はクリエイティブ コモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブ コモンズ ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。 この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれています。 素材が記事のクリエイティブ コモンズ ライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。 このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

ying、L.、Guo、Q.、Wang、X. 他。 都市廃棄物焼却灰を原料としたリン石膏粉末をベースとした環境充填材です。 Sci Rep 13、478 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-26731-9

引用をダウンロード

受信日: 2022 年 7 月 29 日

受理日: 2022 年 12 月 19 日

公開日: 2023 年 1 月 10 日

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

次のリンクを共有すると、誰でもこのコンテンツを読むことができます。

申し訳ございませんが、現在この記事の共有リンクは利用できません。

Springer Nature SharedIt コンテンツ共有イニシアチブによって提供

コメントを送信すると、利用規約とコミュニティ ガイドラインに従うことに同意したことになります。 虐待的なもの、または当社の規約やガイドラインに準拠していないものを見つけた場合は、不適切としてフラグを立ててください。