陈怡， 肖迎旭， 樊志金， 李澜， 徐驰， 谷晋川
(1．西华大学建筑与土木工程学院；2．西华大学食口与生物工程学院，四川成都610039)
摘要：采用普通硅酸盐水泥和实验室用石灰混合对重金属废水进行处理研究。配置单一重金属污染物的废液，初始pH=l，投加不同配比和不同量的水泥一石灰对废液进行处理，分别在5、10、15、20 min测水泥一石灰对Cu2+、Pbz+的去除率，记录溶液pH值变化并加以分析。结果表明，在250 mL废液中投加1,5 g水泥和0.6 g石灰，搅拌10 min，pH在5—7之间，Cu2+的去除率达到97%，Pb2+的去除率达到95%。同时在0—10 min，随着搅拌时间的增加重金属去除率急剧提高，但是在搅拌10 min之后，去除率增长趋势趋于平缓。整个过程pH值随着搅拌时间的增加而变大。
关键词：水泥一石灰；去除率；pH；重金属
重金属污染一直是一个严重的环境问题，在过去50年里，大约有9.39xl05 t的Cu2+、7.38x105 t的Pb2+排入全球环境中，引起重金属污染。重金属污染主要来源于重金属废水的污染，重金属废水不仅对水体造成严重污染，更对土壤带来严重的破坏。
目前对重金属废水的处理方式主要有化学沉淀法、物理法、生物法等技术。周芬等采用CaCl2+PAC+PAM的化学一混凝的方法处理含氟的重金属废水，在适当的条件下处理得到满足一级出水标准。王-等用Na2C03和MAP对稀土湿法冶金废水进行钙和氨氮的去除研究，通过SEM和XRD对结果进行分析，当n(Ca2+):n(C032-)=1:1.05，搅拌速率为1500 r/min，反应时间为30 min时，Ca2+的去除率接近100%，在适当的条件下氨氮去除率也达到94.5%。
化学法处理重金属废水有着操作简单，成本低的好处。水泥生产技术成熟，水泥工业在我国发展良好，到2015年我国水泥产量预计达到157 811万t。因为水泥处理重金属过程中，缺少Ca2。哙影响沉淀效果等情况。所以本研究使用水泥加石灰处理重金属废水。
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
水泥：都江堰拉法基水泥有限公司提供的拉法基普通硅酸盐42.5R水泥，通过XRD测试其主要物质如表1。
石灰：分析纯石灰。
水：蒸馏水。
标准溶液：分别配置Cu2+、Pb2冰样浓度为5、10、20、40 mg/L，pH=l的重金属强酸废水。见表2。
1.2 实验方法
通过控制水泥一石灰投加量、搅拌时间、标准废水的浓度的变化，收集实验数据加以分析。实验方法如表3。
六联搅拌机r-250 r/min。搅拌时间分别为5、10、15、20 min测定水泥一石灰对重金属离子的去除率Y(%)以及pH值变化。
式(1)中Co、C为处理前后重金属的离子浓度。
2 水泥和石灰配比对去除重金属离子的影响研究
2.1 水泥一石灰投加量对去除率和pH的影响
如图1，第2、4组的去除效果明显高于第1、3组，第2组的质量等于第3组，但是效果明显高于后者；同时第2组的去除效果与第4组接近，但是第2组投加的质量较小。所以第2组是本次实验较优的实验组。如图2，各组份在搅拌10 min之后去除率接近而且变化不大，这进一步说明水泥一石灰对Pb2+极好的去除效果。综合Cu2+、Pb2+的去除效果与投加量，第2组去除效果好、投加量少，是一种较优的配比：m(水泥):m(石灰)=2.5。
2.2 搅拌时间对pH和去除率的影响
用最优配比m(水泥):m(石灰)=2.5探究搅拌时间对pH和去除率的影响。图3、4显示随着搅拌时间的增加pH值不断升高，去除率逐渐上升。图3中，搅拌时间在10 min之前，随着搅拌时间的增加水泥一石灰对Cu2+的去除率急剧升高；搅拌10 min以后，pH值虽然也不断升高，但是去除率增加缓慢。这说明水泥一石灰对重金属的去除效果对pH值要求不高。在pH为5.5—7时，重金属去除率达到95%左右，所以搅拌最佳时间为10 min。图4中，搅拌5 min，Pb2+的去除率达到较高水平，同时浓度越高，去除率越高。Pb2+的去除率与pH值关系不大，搅拌时间对较高Pb2+离子浓度的去除率影响不大。这是因为Pb2+的活性很强，在较短的时间内大部分能完成吸附、结晶和沉淀。由此说明在弱酸条件下水泥一石灰对Cu2+、Pb2嘟能起到较好的去除效果。
3 分析与讨论
3.1 水泥水合反应分析
在实验中，石灰的主要作用是提供Ca离子和提供碱度。普通硅酸盐水泥的主要成分有C3S、C2S、C4AF、C3A等矿物，与水发生反应的速率C3A>C3S>C4AF>C2S。水合的主要产物为C-S-H凝胶、矾钙石、Ca(OH)2；如果Ca不足，将会影响水合的效果和晶体的数量和质量。水泥主要的固化水合反应方程式为：
(1)硅酸三钙的水合反应：
(2)硅酸二钙的水合反应：
在此过程中存在着以下的化学平衡：
随着搅拌时间的增加，硅酸盐中反应速度慢的矿物不断水合，对重金属离子的去除率急剧升高，其形成的C-S-H凝胶（CaO-Si02-H2O）比表能高、离子交换能力强，可通过吸附、共生和层间置换等方式固化外来离子。同时矾钙石通过化学置换的方式在柱状间和通道内容纳外来离子，C-S-H凝胶在饱和状态下其比表面积可达700 m2/g以上，吸附能力极强。
3.2 水泥去除重金属的示意图
如图5，水泥主要有3类方式固化溶液中的重金属离子：(1)水化物表面吸附；(2)水化物晶格固化；(3)生成沉淀物。同时水泥本身也还有一定量的离子并且有一定的溶出性离子。重金属离子半径及离解常数遵循规律：Pb2+>Ni2+>C u2+>Cd2+>2n2+>Cr3+>C02+。因此Pb2+能较快较彻底的去除。其中水泥与重金属离子的化学反应：
综述所述，水泥一石灰法能极好地去除重金属废水。
4 结论
(1)随着搅拌时间的增加，水泥一石灰法对重金属的去除率逐渐增加。其最佳的搅拌时间为10 min，在10 min之后虽然pH值升高，但对去除率没有较大影响。
(2)水泥一石灰法去除Cu2+、Pb2+在弱酸的条件下就能得到较高的去除率。
(3)当m(水泥):m(石灰)=2.5，水泥一石灰法能保证在较高去除率的同时减少污泥量。
(4)当投加1.5 g水泥，0,6 g石灰，在250 mL烧杯中搅拌10 min，Cu2+去除率达到97%左右，Pb2+的去除率达到95%左右。水泥一石灰法对重金属的去除效果极佳。
