[发明专利]一种污染土壤加速碳化试验器及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及污染土壤修复技术领域，尤其是涉及一种污染土壤加速碳化试验器及其加速碳化模拟试验方法。

背景技术

随着城市化和产业转移进程的加快，我国城市工业企业搬迁或遗留的污染场地数量与日俱增，场地污染土壤已成为我国许多大中城市土地资源安全再利用的限制因素。场地污染土壤修复的研究和实践已成为我国环境治理领域的重要内容。

固化稳定化已成为我国重金属污染土壤修复的主要技术方法。目前，湖南、湖北、重庆、江苏、浙江和上海等省市均主要采用了固化稳定化技术处理土壤重金属污染物。据不完全统计，目前国内实施的土壤固化稳定化修复工程案例已超过50例。

污染土壤的固化稳定化可以细分为固化技术和稳定化技术，两者具有不同的含义。污染土壤固化技术主要通过将污染物固封在结构完整的固态产物(固化体/固化块)中，隔离污染土壤与外界环境的联系，从而达到控制土壤污染物迁移的目的；稳定化技术将土壤污染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的形式来实现其无害化，降低对生态系统危害性的风险。据统计，我国的污染土壤固化稳定化技术以稳定化为主，其比例占到90％以上。固化技术的研究和工程化应用相对较少。

固化稳定化技术只改变了土壤中污染物的赋存形态而其总量并没有降低，污染物依然可能会被再次活化或激活从而增大迁移出土壤污染周围环境的风险。因此经过固化稳定化处理后土壤污染物的长期稳定性就成为环境主管部门和土壤领域专家学者极为关心的问题，在土壤固化稳定化修复项目论证和验收时也最为关注。

目前，国内外依然缺失成熟的固化稳定化修复后土壤污染物长期稳定性评估的技术方法和标准，实验室研究也比较缺乏。

《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GB/T 50082-2009)中采用碳化试验测试水泥混凝土的长期性能。其基本原理是利用高浓度二氧化碳对水泥水化产物加以破坏，从而降低水泥固化体的强度。应用水泥类固化材料生产固化体或混凝土时，水泥中的硅酸盐化合物与水形成水合产物，生成一种硅酸钙水合凝胶(水化硅酸钙CSH)。CSH是一种由不同聚合度的水化物所组成的固体凝胶，是形成水泥基体的重要物质基础。二氧化碳含量较高的情况下，水化硅酸钙与二氧化碳反应生成碳酸钙，从而对水化硅酸钙聚合而成的水泥基体造成破坏，表现为水泥基体强度下降。GB/T 50082-2009中的碳化试验具有以下特点：

(1)适用对象主要是混凝土试件，基本原理是二氧化碳破坏水泥水化产生的水化硅酸钙；

(2)混凝土试件形状一般为棱柱体或立方体，而非粉状或颗粒状；

(3)试验设备主要为碳化箱，其技术关键是将碳化箱的二氧化碳浓度、相对湿度和温度控制并保持在一定水平；

(4)其主要目的是测定试件或固化体在各试验龄期时的平均碳化深度，绘制碳化时间与碳化深度的关系曲线。

从上述技术特点可以看出，该试验流程主要是测定混凝土试件的平均碳化深度来说明高浓度二氧化碳对混凝土物理结构及稳固性方面的影响，这与研究土壤中污染物的长期稳定性的目的差异较大。

有研究者曾尝试利用加速碳化技术研究水泥基或其他固化材料对土壤污染物的长期稳定效果，但研究过程往往有以下两个方面的不足：(1)试验材料一般为固化体/固化块，而非粉状或颗粒状，因此稳定化处理土壤的加速碳化研究案例较为匮乏；(2)加速碳化试验过程中并未采取防止样品交叉污染的措施，这将显著影响试验结果的真实性和准确性。

由于污染土壤固化稳定化处理的主要目的是改变土壤污染物的赋存形态，降低其活性、毒性和迁移性，因此一般用土壤浸出毒性即浸出液中污染物浓度来评估污染土壤固化稳定化的处理效果，即加速碳化处理完成后，需要进一步用化学提取方法及其结果评估高浓度二氧化碳是否对浸出液中污染物浓度产生显著影响，这与混凝土稳定性主要采用物理性指标评估存在根本差异，因此试验过程和配套措施均应有所差别。在加速碳化过程中，碳化箱内的相对湿度一般控制在70％以上，且箱内样品放置区主体为不锈钢框架，湿气易在不锈钢框架上凝结成水滴，从而形成从上层框架向下层框架流动的水流，而水流对试件或样品中土壤污染物具有一定的提取作用，若不采取措施避免水流与土壤样品的接触，则可能导致样品间的交叉污染。

若将碳化箱内的不锈钢框架结构变更为不透水的槽状结构，可以避免从上层框架向下层框架流动的水流，但槽状结构内可能产生大量积水，导致样品间的交叉污染；若将样品放入培养皿或其他容器中，则会影响土壤样品或试件与二氧化碳的接触面积，导致不同部位的土壤样品或试件其碳化程度不同，从而影响试验结果的真实性和准确性。