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尾矿储存设施中的高离子强度盐类会带来环境风险。研究人员开展 “生物聚合物改性高岭土用于尾矿封存” 的研究。结果表明，黄原胶（XG）改性高岭土能降低水力渗透和扩散速率。这为尾矿处理提供了可行环保方案，意义重大。
在矿产资源开采过程中，会产生大量尾矿。这些尾矿被存放在特定设施中，然而其中含有的高离子强度盐类，就像隐藏在暗处的 “定时炸弹”，随时可能对周边环境造成严重污染。比如，煤燃烧产物的渗滤液含有大量的 Na?、K?、Ca2?和 Mg2?等；红泥 / 铝土矿和铜尾矿的渗滤液中，无机阳离子、硫酸盐和氯化物的含量超标。这些污染物一旦泄漏，会污染土壤、水源，威胁生态平衡和人类健康。传统的工程屏障材料，如膨润土，虽然在某些方面表现出色，但在高离子强度盐溶液环境下，其自密封能力会丧失，还容易出现收缩裂缝，导致屏障性能大打折扣。
在这样的背景下，为了寻找更有效的尾矿封存材料，来自国内的研究人员开展了一项关于生物聚合物改性高岭土用于尾矿封存的研究。该研究成果发表在《Biogeotechnics》上。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：通过改良的固结仪装置研究压实高岭土和 XG 改性高岭土（XGK）的水力和体积变化行为；利用扩散池进行实验室穿透扩散实验，研究其扩散行为；采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）、原子力显微镜（AFM）以及 N?吸附等微观结构分析方法，对样品的形貌、粗糙度、表面面积和孔隙大小进行分析。
研究结果如下：
- 水力和体积变化行为：研究不同比例生物聚合物改性效果时发现，5%（XGK5）和 10%（XGK10）的 XG 与高岭土混合后，性能有所不同。在 20kPa 机械负载下，以 0.5M KCl 为孔隙流体，高岭土的水力渗透速率起初较高，之后下降但未达到极限值 1×10??m/s；XGK5 的水力渗透速率也降低但未达标；XGK10 则在 380 分钟后达到极限值，3000 分钟后达到平衡，其平衡水力渗透值为 10?1? - 10?11m/s ，相比 XG 改性前，水力渗透速率降低了两到三个数量级，这主要是因为 XG 凝胶堵塞了孔隙。体积变化方面，高岭土在实验中发生塌陷，而 XGK5 和 XGK10 在初始塌陷后出现膨胀，这是由于 XG 凝胶的形成，且 XG 凝胶与阳离子的静电相互作用导致其在含离子溶液中膨胀。通过不同孔隙流体实验，均证实了 XGK10 能有效降低水力渗透速率并发生膨胀，所以后续实验主要采用 10% XG 改性的高岭土。
- 盐通过高岭土和 XG 改性高岭土的扩散速率：进行了三种 0.5M 盐溶液（NaCl、KCl、CaCl?）的穿透扩散实验。结果显示，高岭土和 XGK 中，盐溶液在源储液器中的浓度随时间降低，在收集器储液器中的浓度升高。经计算，高岭土与 NaCl 溶液的扩散系数和阻滞因子分别为 1.41×10?1?m2/sec 和 18.69，XG 改性后分别降至 1.09×10?1?m2/sec 和 14.05；对于 KCl 溶液，高岭土的扩散系数和阻滞因子为 1.61×10?1?m2/sec 和 9.36，XG 改性后变为 7.44×10?11m2/sec 和 12.82；对于 CaCl?溶液，高岭土的相关值为 1.92×10?1?m2/sec 和 11.62，XG 改性后降至 8.36×10?11m2/sec 和 7.69。这表明 XG 改性可降低高岭土的扩散系数，且不同阳离子的扩散系数差异与阳离子的水合半径有关，阻滞因子差异则与阳离子在高岭土上的吸附能力有关。
- 污染物通过屏障的数值模拟以评估设计周期：根据评估的模型参数模拟污染物在 500mm 厚的高岭土层和 XGK 层中的迁移。结果发现，高岭土对污染物的迁移主要受对流控制，而 XGK 则以扩散为主。500mm 厚的高岭土层对钠离子的迁移衰减可达 10 年，而相同厚度的 XGK 层则可超过 50 年；对于钾离子，高岭土层衰减时间小于 5 年，XGK 层可超过 50 年；对于钙离子，高岭土层衰减时间为 5 - 10 年，XGK 层超过 50 年。此外，尾矿处置设施的水头对高岭土中污染物迁移影响较大，而对 XGK 影响较小，500mm 厚的 XGK 层作为屏障可有效阻挡污染物超过 50 年。
研究结论和讨论部分指出，高岭土在较小压实密度下，水力性能不佳，渗透速率高且渗透能力不足。而 XG 改性高岭土能显著降低水力渗透速率，达到低于极限饱和水力传导率的标准。这主要得益于 XG 凝胶的形成和涂层，以及其在离子盐溶液中的膨胀和交联作用。同时，XG 改性还降低了高岭土的扩散系数，不同阳离子对扩散系数的影响与水合半径有关，对阻滞因子的影响与吸附能力有关。该研究为尾矿处置提供了一种新的、可行的工程屏障材料，尤其是在高岭土资源丰富而膨润土缺乏的地区，500mm 厚的 XGK 可作为尾矿处置设施的有效屏障，使用年限超过 50 年，对解决尾矿污染问题具有重要意义，为尾矿封存工程提供了创新的解决方案和理论依据 。
