微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属的方法

1.本发明涉及赤泥基地质聚合物领域，具体涉及铝厂副产工业赤泥的再利用，特别涉及一种微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，本发明属于固废利用领域。


背景技术：

2.赤泥基地质聚合物即是一类以工业赤泥为主要材料，辅加一些其它材料，如矿渣、钢渣、粘土、煤矸石、粉煤灰等一种或几种，再选择加入碱激发剂，如水玻璃、苛性钠等，以及加入适量的水泥和水组成的无机凝聚材料或灌浆凝固材料，用以充填煤矿采空区、公路路基或制作建筑材料等。
3.这里的工业赤泥主要指以铝矾土为原料，炼制氧化铝而产生的赤泥，其中含有某些痕量的有毒有害重金属元素，如cr、pb、hg、as等，赤泥基地质聚合物大量填埋于地下，长期受雨水渗沥，这些物质会发生迁移，对当地地下水和土壤会造成污染，进而造成对生态的二次破坏，因而必须设法使之固化，抑制其迁移。长期以来，人们对重金属离子受雨水渗沥迁移没有探寻到很好的解决办法，如物理的、化学的、生物的或其它综合性的技术措施。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有赤泥基地质聚合物中的有毒有害重金属元素受到雨水渗沥会发生迁移的问题，提供了一种微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，采用了如下原料，固体组分、水、碳酸盐矿化菌以及营养液；
6.所述固体组分是由下列组分构成的，工业赤泥、粉煤灰、碱激发剂、水泥粉料、短玻璃纤维。
7.作为本发明技术方案的进一步改进，所述固体组分中各组分的质量百分比为，工业赤泥60％-70％、粉煤灰20％-25％、碱激发剂3％-5％、水泥粉料3％-5％、短玻璃纤维3％-5％。
8.作为本发明技术方案的进一步改进，所述固体组分与水的质量比为7:3。
9.作为本发明技术方案的进一步改进，所述碳酸盐矿化菌至少含有克雷伯氏菌、巴比芽孢八叠球菌、假单孢杆菌中的一种。
10.作为本发明技术方案的进一步改进，所述碳酸盐矿化菌是由克雷伯氏菌、巴比芽孢八叠球菌、假单孢杆菌构成的。
11.作为本发明技术方案的进一步改进，所述碳酸盐矿化菌中克雷伯氏菌、巴比芽孢八叠球菌、假单孢杆菌的质量比为3:4:3。
12.作为本发明技术方案的进一步改进，所述营养液为尿素营养液。
13.作为本发明技术方案的进一步改进，所述短玻璃纤维的长度为1-3mm。
14.作为本发明技术方案的进一步改进，所述固体组分和水的总质量与碳酸盐矿化菌和营养液的总质量的质量比为100:1。
15.本发明进一步提供了微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法的详细步骤，包括以下步骤：固体组分与水混合，加入碳酸盐矿化菌与营养液，混合均匀，即可制备获得能固结重金属元素的赤泥基地质聚合物。
16.本发明所述微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
17.本发明所述赤泥基地质聚合物永久性凝聚强度高，有毒重金属离子的微生物矿化程度高，重金属离子的迁移性极低，对当地地下水不造成丝毫污染，对生态无任何破坏作用，尤其适用于大面积煤矿采空区的充填，弥补生态缺陷。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1-图3为本发明所述赤泥基地质聚合物作为填充材料后下层土壤中各重金属离子的含量报告结果。
具体实施方式
20.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.本发明提供了微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法的一个具体实施例，其中赤泥基地质聚合物采用了如下原料，固体组分、水、碳酸盐矿化菌以及营养液；所述固体组分是由下列组分构成的，工业赤泥、粉煤灰、碱激发剂、水泥粉料、短玻璃纤维。
22.本发明提供的另外一个具体实施例中，所述固体组分中各组分的质量百分比为，工业赤泥60％-70％、粉煤灰20％-25％、碱激发剂3％-5％、水泥粉料3％-5％、短玻璃纤维3％-5％。
23.在本实施例中，所采用的工业赤泥来源于铝厂利用铝矾土提取氧化铝后的副产废料。具体应用时，工业赤泥需过20目筛；所采用的粉煤灰来源于发电厂，其粒径为320目；所采用的碱激发剂为水玻璃硅酸钠，其模数为1.5；所采用的水泥粉料为525号水泥，其细度为600目；所采用的短玻璃纤维的长度为1-3mm，其宽度为0.5-0.8mm，厚度0.05mm。本发明所述实施例在具体应用时，并不局限于上述所采用的原料。
24.在本发明中，所述短玻璃纤维的作用是：(1)提供负载，成为供微生物生长繁殖，聚集重金属离子的载体；(2)作为阻隔重金属离子迁移扩散的中间阻挡介质；(3)增强地质聚合物永久性固结。此为一关键技术举措。
25.加入525号高标号水泥的目的是增加地质聚合物体系的固化强度，以利快速固结，
形成封闭体系，并在一定程度上阻止雨水的渗沥，进而一定程度避免重金属离子的向下迁移。
26.本发明提供的一个具体实施例中，所述固体组分与水的质量比为7:3。
27.本发明所提供的另外一个实施例中，所述碳酸盐矿化菌至少含有克雷伯氏菌、巴比芽孢八叠球菌、假单孢杆菌中的一种。
28.本发明所提供的碳酸盐矿化菌中，克雷伯氏菌klebsialla sp.，巴比芽孢八叠球菌sporosarcina pasteurii sp.和假单孢杆菌pseudomonas aeruginosa sp.，这些菌属都是从风化的含碳酸盐的岩页中提取出来的，在一定的碱性条件下会产生碳酸根离子，因而对重金属离子有着天然的结合作用。
29.在本发明的一个实施例中，所述碳酸盐矿化菌是由克雷伯氏菌、巴比芽孢八叠球菌、假单孢杆菌构成的。
30.本发明提供的一个具体实施例中，所述碳酸盐矿化菌中克雷伯氏菌、巴比芽孢八叠球菌、假单孢杆菌的质量比为3:4:3。
31.在本发明中，所述营养液为尿素营养液。在本发明的一个具体实施例中，所述尿素营养液的浓度为0.5wt％，其中主要的营养物质为尿素，营养液中还含有磷酸氢二钾、磷酸二氢钠(三种物质的质量比为3:1:1)。当采用浓度为0.5wt％的尿素营养液时，所述碳酸盐矿化菌与尿素营养液的体积比为1:4。
32.在本发明的一个实施例中，所述固体组分和水的总质量与碳酸盐矿化菌和营养液的总质量的质量比为100:1。
33.本发明还提供了利用微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物的制备方法，包括以下步骤：固体组分与水混合，加入碳酸盐矿化菌与营养液，混合均匀，即可制备获得能固结重金属元素的赤泥基地质聚合物。
34.为了更清楚的说明本发明的技术方案，本发明提供了如下实施例，其中下列实施例所采用的各原料的参数同上述内容。
35.实施例1
36.微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，采用了如下原料，固体组分、水、碳酸盐矿化菌以及营养液；所述固体组分是由下列组分构成的，工业赤泥65％、粉煤灰20％、水玻璃硅酸钠5％、525号水泥粉料5％、短玻璃纤维5％。
37.100kg固体组分与30kg的水混合后，加入1kg的碳酸盐矿化菌与尿素营养液(体积比为1:4)，制成混合均匀的凝聚材料。其中碳酸盐矿化菌中克雷伯氏菌、巴比芽孢八叠球菌、假单孢杆菌的质量比为3:4:3。
38.经测试，该凝聚材料的初凝时间为50min，终凝时间为24h，3d的抗压强度为21.8mpa，28d的抗压强度为54.6mpa，完全可作为煤矿采空区的充填材料。
39.实施例2
40.微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，采用了如下原料，固体组分、水、碳酸盐矿化菌以及营养液；所述固体组分是由下列组分构成的，工业赤泥60％、粉煤灰25％、水玻璃硅酸钠5％、525号水泥粉料5％、短玻璃纤维5％。
41.100kg固体组分与30kg的水混合后，加入1kg的碳酸盐矿化菌与尿素营养液(体积比为1:4)，制成混合均匀的凝聚材料。其中碳酸盐矿化菌中克雷伯氏菌、巴比芽孢八叠球
菌、假单孢杆菌的质量比为3:4:3。
42.实施例3
43.微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，采用了如下原料，固体组分、水、碳酸盐矿化菌以及营养液；所述固体组分是由下列组分构成的，工业赤泥70％、粉煤灰21％、水玻璃硅酸钠3％、525号水泥粉料3％、短玻璃纤维3％。
44.100kg固体组分与30kg的水混合后，加入1kg的碳酸盐矿化菌与尿素营养液(体积比为1:4)，制成混合均匀的凝聚材料。其中碳酸盐矿化菌中克雷伯氏菌、巴比芽孢八叠球菌、假单孢杆菌的质量比为3:4:3。
45.实施例4
46.在实施例1所提供的赤泥基地质聚合物的原料基础上，调整三种碳酸盐矿化菌的比例，分别为4:3:3(对照1)、3:3:4(对照2)，其他比例同实施例1。
47.在100kg固体组分与30kg的水混合后，加入1kg的碳酸盐矿化菌与尿素营养液，制成混合均匀的凝聚材料，在凝聚材料中添加混合重金属离子进行矿化实验，每种重金属离子在凝聚材料中的浓度均为0.01mmol/l。在矿化6个月后，测定各个比例的碳酸盐矿化菌对重金属离子的固结作用，其固结率参见下表。
48.表1不同碳酸盐矿化菌对重金属离子固结率对比
[0049][0050]
由上表内容对比可以看出：实施例1中所采用的碳酸盐矿化菌对重金属离子的固结作用最好。
[0051]
实施例5
[0052]
将实施例1的凝聚材料作为煤矿采空区的充填材料填充至离地面500-600m的煤矿采空区内(位于巷道)，充填材料的填充厚度为3-5m。12个月后(从2020.01.05-2021.01.08)，测定充填区(填充材料)下层土壤本底值无任何危害性重金属离子含量，得知重金属离子pb
2
、cr
3
、hg
2
、as
3
的迁移率几乎均为零，符合标准gb 15618-2008，同时更表明了此种地质聚合物材料的抗重金属离子迁移率效果佳，具体重金属离子的迁移率报告参见图1-3。其中，检测报告中所针对的固体废物即12个月后的填充材料的下层土壤。
[0053]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，其特征在于，采用了如下原料，固体组分、水、碳酸盐矿化菌以及营养液；所述固体组分是由下列组分构成的，工业赤泥、粉煤灰、碱激发剂、水泥粉料、短玻璃纤维。2.根据权利要求1所述的微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，其特征在于，所述固体组分中各组分的质量百分比为，工业赤泥60%-70%、粉煤灰20%-25%、碱激发剂3%-5%、水泥粉料3%-5%、短玻璃纤维3%-5%。3.根据权利要求2所述的微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，其特征在于，所述固体组分与水的质量比为7:3。4.根据权利要求2所述的微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，其特征在于，所述碳酸盐矿化菌至少含有克雷伯氏菌、巴比芽孢八叠球菌、假单孢杆菌中的一种。5.根据权利要求4所述的微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，其特征在于，所述碳酸盐矿化菌是由克雷伯氏菌、巴比芽孢八叠球菌、假单孢杆菌构成的。6.根据权利要求5所述的微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，其特征在于，所述碳酸盐矿化菌中克雷伯氏菌、巴比芽孢八叠球菌、假单孢杆菌的质量比为3:4:3。7.根据权利要求4所述的微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，其特征在于，所述营养液为尿素营养液。8.根据权利要求2所述的微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，其特征在于，所述短玻璃纤维的长度为1-3mm。9.根据权利要求3所述的微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，其特征在于，所述固体组分和水的总质量与碳酸盐矿化菌和营养液的总质量的质量比为100:1。10.根据权利要求1至9任一权利要求所述微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，其特征在于，包括以下步骤：固体组分与水混合，加入碳酸盐矿化菌与营养液，混合均匀，即可制备获得能固结重金属元素的赤泥基地质聚合物。

技术总结
本发明涉及赤泥基地质聚合物领域，特别涉及微生物加短玻璃纤维固结赤泥基地质聚合物重金属离子的方法，采用了如下原料，固体组分、水、碳酸盐矿化菌以及营养液；所述固体组分是由下列组分构成的，工业赤泥、粉煤灰、碱激发剂、水泥粉料、短玻璃纤维。本发明所述赤泥基地质聚合物永久性凝聚强度高，有毒重金属离子的微生物矿化程度高，重金属离子的迁移性极低，对当地地下水不造成丝毫污染，对生态无任何破坏作用，尤其适用于大面积煤矿采空区的充填，弥补生态缺陷。弥补生态缺陷。


技术研发人员：张云 朱开金 刘广进 高海军 谭俊华 佟海 赵彦亮 刘菲
受保护的技术使用者：太原工业学院
技术研发日：2021.10.26
技术公布日：2022/5/25