原理

水泥是一种无机胶结剂，经水化反应后可形成坚硬的水泥块，能将砂、石等骨料牢固地凝结在一起。水泥固化有害废物就是利用水泥的这一特性。常用作固化剂的水泥有硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥。

最常用的普通硅酸盐水泥是用石灰石、黏土以及其他硅酸盐物质混合在水泥窑中高温下煅烧，然后研磨成粉末状而成。它是硅、铝及铁的氧化物的混合物。其主要成分是硅酸二钙和硅酸三钙。在用水泥稳定化时，是将废物和水泥混合起来，如果在废物中没有足够的水分，还要加水使之水化。水化以后的水泥形成与岩石性能相近的、整体的钙铝硅酸盐的坚硬晶体结构。这种水化以后的产物，被称为混凝土。废物被掺入水泥的基质中，在一定条件下，废物经过物理、化学的作用更进一步减少它们在废物-水泥基质中的迁移率，如形成溶解性比金属离子小得多的金属氧化物。人们还经常把少量的飞灰、硅酸钠、膨润土或专利产品等活性剂加入水泥中以增进反应过程。最终依靠所加药剂使粒状的物质变成了黏合的块，从而使大量的废物稳定化/固化。

对有害污泥进行固化时，水泥与污泥中的水分发生水化反应生成凝胶，将有害污泥微粒分别包容，并逐步硬化形成水泥固化体。可以认为这种固化体的结构主要是水泥的水化反应产物CaO泥进行固化，水化结晶体内包进了污泥微粒，使得污泥中的有害物质被封闭在固化体内，达到稳定化、无害化的目的1。

影响因素水泥固化工艺较为简单，通常是把有害固体废物、水泥和其他添加剂一起与水混合，经过一定的养护时间而形成坚硬的固化体。固化工艺的配方是根据水泥的种类处理要求以及废物的处理要求制定的，大多数情况下需要进行专门的试验。对于废物稳定化的最基本要求是对关键有害物质的稳定效果，它基本上是通过低浸出速率体现的。除此之外，还需要达到一些特定的要求。影响水泥固化的因素很多，为在各种组分之间得到良好的匹配性能，在固化操作中需要严格控制以下的各种因素：

pH因为大部分金属离子的溶解度与pH有关，对于金属离子的固定，pH有显著的影响。当pH较高时，许多金属离子将形成氢氧化物沉淀，而且pH高时，水中的碳酸根浓度也高，有利于生成碳酸盐沉淀。应该注意的是，pH过高，会形成带负电荷的羟基络合物，溶解度反而升高。例如：pH9时，则形成Cu(OH)3-络合物，溶解度增加。许多金属离子都有这种性质，如Pb当pH>9.3时，Zn当pH>9.2时Cd当pH>11.1时，Ni当pH>10.2时，都会形成金属络合物，造成溶解度增加。

水、水泥和废物的量比水分过小，则无法保证水泥的充分水合作用，水分过大，则会出现泌水现象，影响固化块的强度。水泥与废物之间的量比应用试验方法确定，主要是因为在废物中往往存在妨碍水合作用的成分，它们的干扰程度是难以估计的。

凝固时间为确保水泥废物混合浆料能够在混合以后有足够的时间进行输送、装桶或者浇注，必须适当控制初凝和终凝的时间。通常设置初凝时间大于2 h，终凝时间在48 h以内。凝结时间的控制是通过加入促凝剂(偏铝酸钠、氯化钙、氢氧化铁等无机盐)、缓凝剂(有机物、泥沙、硼酸钠等)来完成的。

其他添加剂为使固化体达到良好的性能，还经常加入其他成分。例如，过多的硫酸盐会由于生成水化硫酸铝钙而导致固化体的膨胀和破裂。如加入适当数量的沸石或蛭石，即可消耗一定的硫酸或硫酸盐。为减小有害物质的浸出速率，也需要加入某些添加剂，例如，可加入少量非单质硫化物以有效地固定重金属离子等。

固化块的成型工艺主要目的是达到预定的机械强度。并非在所有的情况下均要求固化块达到一定的强度，例如，对最终的稳定化产物进行填埋或贮存时，就无须提出强度要求。但当准备利用废物处理后的固化块作为建筑材料时，达到预定强度的要求就变得十分重要，通常需要达到100 kg/cm2以上的指标。

应用以水泥为基本材料的固化技术最适用于处理无机类型的废物，尤其是含有重金属污染物的废物。由于水泥所具有的高pH，使得几乎所有的重金属形成不溶性的氢氧化物或碳酸盐形式而被固定在固化体中。研究指出，铅、铜、锌、锡、镉均可得到很好的固定。但汞仍然主要以物理封闭的微包容形式与生态圈进行隔离的。要想精确地估计某种特定的废物是否能够被有效地固定于水泥结构之中是相当困难的。对于重金属水泥固化过程的化学机理，关于铅与铬研究得较多。研究结果指出，铅主要沉积于水泥水化物颗粒的外表面，而铬则较为均匀地分布于整个水化物的颗粒之中。

另一方面，有机物对于水化过程有干扰作用，减小最终产物的强度，并使得稳定化过程变得困难。它可能导致生成较多的无定型物质而干扰最终的晶体结构形式。在固化过程中加入黏土、蛭石以及可溶性的硅酸钠等物质，可以缓解有机物的干扰作用，提高水泥固化的效果。

水泥作为固化包容的主要材料大多用于固定电镀工业产生的污泥和其他类型的金属氢氧化物废物。应用无机物作为主要固化材料的原因是目前尚找不到具有同等效用的代替品。例如金属污染物不能生物降解，在焚烧以后也无法改变其原子结构。此外，由于在这种情况下，可以同时利用已经为人类充分掌握的沉淀技术和吸附技术。利用水泥包容技术进行稳定化具有若干优点。首先，水泥已经被长期使用于建筑业，所以无论是它的操作、混合、凝固和硬化过程的规律都已经为人们所熟知。其次，相对其他材料来说，其价格和所需要的机械设备比较简单。由于水泥的水化作用，在处理湿污泥或含水废物时，无须对废物做进一步脱水处理。事实上，在进行水泥固化操作时由于含水量大，已经可以使用泵输送的方式。最后，用水泥进行稳定化可以适用于具有不同化学性质的废物，对酸性废物也能起到一定的中和效果。

用水泥固化方法处理电镀污泥是一个典型的应用实例：固化材料为425号普通硅酸盐水泥，水/水泥重量比为0.47～0.88，水泥/废物重量比0.67～4.00，固化体的抗压强度可以达到60～300 kg/cm2。固化体的浸出试验结果说明，Pb2+、cd2+、Cr6+的浸出浓度都远低于相应的浸出毒性鉴别标准。

用水泥稳定化的主要缺点是对于一定的污染物较为灵敏，会由于某些污染物的存在而推迟固化时间，甚至影响最终的硬结效果2。