建筑垃圾石棉废物的回收处理与再生利用

王军建, 王罗春, 熊金磊, 朱世杰

(上海电力学院 环境与化学工程学院, 上海 200090)

建筑垃圾石棉废物的回收处理与再生利用

王军建, 王罗春, 熊金磊, 朱世杰

(上海电力学院 环境与化学工程学院, 上海 200090)

介绍了从建筑垃圾中回收石棉废物的步骤,综述了机械化学法、酸解法、热处理法等将石棉废物资源化的技术.讨论了回收水泥石棉生产混凝土和地质聚合物的再生利用方法,指出了石棉废物回收技术的发展趋势.

石棉废物; 回收; 资源化; 再生利用

石棉是天然纤维状的硅质矿物的泛称,具有良好的抗拉强度、隔热性和防腐蚀性,不易燃烧,故被广泛应用[1].

石棉矿按照物理性质可以分为脆性石棉和紧密石棉两大类.脆性石棉含有75%～95%的石棉纤维,干化以后特别容易瓦碎、粉末化,常见于燃气壁炉和导管的保温层,熔炉的防火垫圈,地板、墙壁、天花板的粘结剂,板升降轴,空调的通风系统等.紧密石棉是由4%～15%的温石棉纤维或者0～6%的闪石棉纤维嵌入到水泥聚合物中,这种石棉材料不容易释放纤维,常用于水泥、砖石填充,瓦楞板、管道、绝缘体、烟囱顶部、复合材料,以及冰箱隔热层.

20世纪60年代早期,人们发现石棉矿物是致癌物质[3],角闪石石棉比温石棉的毒性更大[4],接触吸入石棉矿物可能诱发石棉肺、肺癌、间皮瘤和胸膜斑等疾病.目前,世界各国都将含石棉废物划为危险固体废物,石棉的使用受到严格的限制,已逐步被无毒的人造纤维取代[5].

1 石棉废物的处理方法

含石棉废物的处理方法较多,每种方法都有可能涉及清除、封装、隔离和化学惰化4个步骤[6].

(1) 清除 将含石棉废物完全从被污染的地方清除,清理过程产生的危险废物必须处理[7].

(2) 封装 将丙烯酸塑胶类物质喷涂在含石棉废物的表面形成一层薄涂层,使其与环境分离开来,或将环氧丙烯酸树脂喷涂在含石棉废物的表面,并使环氧树脂渗入石棉矩阵,继而将其固化.

(3) 隔离 用化学性质稳定、质轻的刚性板材(铝材)隔离被石棉污染的区域.

(4) 化学惰化 将化学泡沫喷洒在含石棉的水泥上,选择性地分解石棉纤维[8],而不改变水泥结构.

进行以上操作时,工人都必须穿工作服,并佩戴高效微粒空气呼吸机.用临时刚性石膏板将室内再生场所分隔成较小的空间,所有的门、窗户、入口、插座及空调系统必须使用聚乙烯密封.所有的操作必须在负压的条件下进行,避免石棉纤维的释放[9].

处理后的石棉废物一般可以在专用填埋场中填埋,也可以在城市垃圾填埋场或工业废物填埋场的独立区域中进行填埋,但石棉废物的清除费用高、耗时长、毒性废物量大、工人存在高暴露危险、操作过程存在环境污染风险,故需研究更为彻底的处理方法和技术[10].

2 石棉废物资源化

石棉废物可以转化为次生材料而加以回收利用,最近20年来机械化学方法[11]、酸解法[12]、微波热处理法[13]和高温热处理法得到了发展,其中高温热处理技术是最为常见的处理方法.

2.1 机械化学法

机械化学法的原理是:将部分机械能转移到固体废物中,并转换成热能;由部分机械能引起物质宏观和微观层次的破裂、压缩、滑脱,破坏固体物质(包括石棉矿物)的晶体结构[14].机械化学法结合高能研磨和化学作用[15],可以彻底改变石棉纤维的结构,处理后的产品与水泥混合后具有较好的火山灰活性,可以用来生产高性能的混凝土.

2.2 酸解法

温石棉可以被氟硫酸(FSO3H)分解,该反应取决于氢氟酸在水中的电离平衡,形成HF和H2SO4,硫酸对温石棉的表层结构Mg(OH)2层有很高的亲和力,反应生成MgSO4·H2O,MgO,Mg2+.Mg(OH)2层被破坏以后,HF便与里层硅酸盐层反应生成硅酸和H2SiF6,同时还形成MgF2沉淀,这样石棉的纤维结构就被瓦解了.根据这个反应机理,选择适当浓度的HF和H2SO4组合,可以大大缩短石棉的溶解时间.

2.3 热处理法

所有石棉矿物在高温下熔化形成新的完全无毒的晶体结构,即转换成了无毒的硅酸盐[16]晶体.热处理法包括直接热处理[17]、玻璃化[18]、陶瓷化[19]等方法.

(1) 直接热处理法 水泥石棉的热处理工艺是将水泥石棉材料密封包装,在隧道窑进行热处理,使石棉脱羟基,发生重结晶反应.在650～750 ℃,温石棉发生脱羟基,然后固态重结晶为镁橄榄石(Mg2SiO4),随后析出顽辉石(MgSiO3)[20].在反应过程中,虽然在分子水平上结构完全改变了,但温石棉纤维仍保存着相同的晶体形态.青石棉在1 050～1 100 ℃发生复杂反应分解,生成辉石(NaFe-SiO6)、顽辉石(MgSiO3)、赤铁矿(Fe2O3)和方石英(SiO2)[21].透闪石在1 050 ℃分解为透辉石(CaMaSi2O6)和顽辉石(MgSiO3)[22].阳起石含有铁,在高温1 100～1 350 ℃形成赤铁矿[23].

(2) 玻璃化 石棉玻璃化是由法国史耐德集团开发出的一项石棉废物处理新技术[24],这一技术是将石棉废物加热到1 600～1 900 ℃,使其化学性质趋于稳定,再将惰性物质与石棉融合,冷却后压碎,形成稳定的玻璃体粉末.这项技术关键是利用法国宇航公司研发的吹气电弧离子喷灯,待处理的石棉经过喷灯高温加热,化学性质会逐渐转变为类似玻璃态的物质.等离子体火炬玻璃化技术已应用于石棉废物的工厂回收利用.玻璃化技术最大的缺点是高能耗和费用昂贵,处理过程中须将废物加热至1 600 ℃高温,因此其应用受到一定的限制.

(3) 陶瓷化 将石棉废物加入陶土和惰性物质,在高温下可以生成陶瓷制品[25].相对于玻璃化技术,陶瓷化技术是在低温(750～1 300 ℃)条件下使废物再结晶,从而降低处理过程的能耗和费用.由于吸水率低,表面密度高[26],材料的强度和抗腐蚀性明显得到提高,可被用作建筑和道路的惰性材料以及瓷砖的生产.

(4) 其他处理法 GERDES T等人[27]将微波、红外加热和化学处理技术集成一体化,开发出可移动的微波热处理石棉净化单元,此工艺已应用于石棉废物的现场分解.YANAGISAWA K等人[28]采用水热转化和酸作用相结合的方法处理石棉废物,其原理是:CHClF2在过热蒸汽作用下分解产生酸性气体,温石棉、青石棉和铁石棉在较低温度下与酸性气体作用分解.

3 石棉废物的再生利用

3.1 回收水泥石棉生产混凝土

水泥石棉板通过热处理回收得到的次生原料(Secondary Raw Material,SRM)可以作为制备混凝土的水泥替代物[29].热处理具体工艺如下:在工业隧道窑中40 h内均速升温至1 200 ℃,然后恒温21 h,最后8 h 内均速冷却至室温.由于次生原料中主要矿物相为C2S,其水化作用速率较水泥的主要矿物相C3S慢[30].

作为水泥的替代物,次生原料的掺入比对混凝土的性能有一定的影响.当掺入比为20%时,其前期压缩强度明显低于对照混凝土,而90 d的压缩强度则与对照混凝土相当;当掺入比为5%～20% 时,其抗弯弹性模量随掺入比的增加而减小,掺入比为20%的混凝土,其抗弯弹性模量较对照混凝土下降了25%.掺入比为20%的混凝土可用于以下情况:水分含量低的室内环境;注入在惰性土壤或者水中的加强的钢筋混凝土;在固定的干燥或潮湿周期,但不受磨损、霜冻、化学攻击的未加强的混凝土;液体储罐或地基.

回收SRM用于水泥混凝土有利于环境,主要体现在两方面:减少了天然原材料(如碳酸钙),从而限制了采矿活动造成的环境影响;SRM混凝土替代商业水泥,减少了水泥生产过程中CO2的排放[31].

3.2 回收水泥石棉生产地质聚合物

地质聚合物是一类称为化学键合陶瓷的人工合成的硅铝基材料[32],因其生产过程中不产生CO2,所以是一种替代水泥或砂浆的绿色建筑材料.回收水泥石棉生产地质聚合物的具体方法[33]是:将SRM加入多水高岭土(浓度大于7.5 M的氢氧化钠和三硅酸盐的水溶液)中,使悬浮液均化5 min,然后倒出,在25 ℃下干燥24 h.SRM的掺入比不同,生产出来的地质聚合物SiO2/Al2O3的摩尔比也就不同,从而影响产品的性能[34].当SRM的掺入比为2.5%时,产品的总体性能最佳,其抗弯强度和密度略高于未掺入SRM的地质聚合物,吸水性略低于未掺入SRM的地质聚合物.当掺入比高于2.5%时,过量Ca的引入会导致产品性能明显变差.

4 结 语

鉴于石棉对人体健康的危害性,开发安全、新颖的合成纤维来替代石棉成为将来主要的研究方向.意大利某集团最近设计出一种安全的蛇纹石石棉,称之为纳米蛇纹石,将来可能成为建筑石棉材料的替代品.而用创新的技术将石棉废物转变成生产建筑材料的次生原料,可节省主要原生材料和降低生产过程中CO2的排放量,对于维持生态平衡、环境保护具有重要意义.

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(编辑 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

简介：王罗春(1968-),男,博士,教授,湖南株洲人.主要研究方向为固体废物处理与资源化、难降解有机废水处理及温室气体减排.E-mail:wangluochun@shiep.edu.cn.

X705

A

1006-4729(2016)06-0557-04