KH560改性电解锰渣基胶凝材料的性能提升与环境效应研究：一种用于垃圾填埋场防渗修复的新型材料

针对电解锰渣(EMS)露天堆放导致的Mn2+、NH3-N和SO42-污染问题，贵州大学团队通过KH560硅烷偶联剂改性钠聚丙烯酸盐(PAAS)/EMS复合材料(EP-K)，使材料抗压强度提升125.14%、渗透系数降低61.29%，污染物浸出浓度符合GB/T 14848-2017 V类水质标准。该研究为固体废物填埋场防渗注浆修复提供了兼具机械性能与环境安全性的解决方案。

　　

工业固体废物处理一直是环境保护领域的重大挑战。在中国西南地区，电解锰渣(EMS)的露天堆放导致大量可溶性Mn²⁺、NH₃-N和SO₄^2-通过地表水和地下水迁移，造成严重的跨境污染。传统水泥-膨润土防渗材料在硫酸盐环境中易发生结构破坏，而单一聚丙烯酸盐(PAAS)材料又存在机械性能差、易吸水开裂等缺陷。如何开发兼具优异机械性能和污染物固化能力的新型防渗材料，成为解决固体废物填埋场渗漏问题的关键。

贵州大学机械工程学院的研究团队创新性地采用γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷(KH560)改性EMS基胶凝材料，通过水溶液聚合法成功制备出具有多重交联网络结构的EP-K复合材料。研究发现，添加3 vol% KH560可使材料无侧限抗压强度达到4.12 MPa，较未改性材料提升125.14%；渗透系数降至5.102×10^-9 cm/s，满足JC/T 2037-2010 I型丙烯酸盐灌浆材料标准要求。更令人振奋的是，该材料对Mn、Al、Fe等重金属离子的固化效果显著，浸出液污染物浓度符合中国地下水质量标准(GB/T 14848-2017)V类水质要求。这项突破性研究成果发表在《iScience》期刊，为固体废物填埋场防渗修复提供了新材料选择。

研究团队采用水溶液聚合法合成材料，通过FTIR和XPS解析化学键变化，SEM-EDS观察微观形貌，结合抗压强度测试、变水头渗透试验和汞侵入孔隙率测定等宏观性能表征。浸出实验采用静态浸泡法，通过ICP-MS和紫外分光光度计检测污染物浓度，并创新性地结合层次分析法(AHP)和综合污染指数法评价环境安全性。

结果与讨论

KH560改性机理
FTIR分析显示KH560的环氧基(-CHOCH₂)与PAAS的羧基-OH反应形成C-O-C结构(909 cm^-1峰消失)，硅氧基(Si-OCH₃)水解后与EMS形成Si-O-Si交联(1139 cm^-1新峰)。XPS证实EP-K中C-O-C键(284.72 eV)和Si-O-Si键(1.15 eV结合能差)的存在，说明KH560成功桥接有机-无机相。

性能提升
当KH560添加量为3 vol%时，材料表现出最优性能：抗压强度4.12 MPa，渗透系数5.102×10^-9 cm/s，孔隙率0.207 mL/g(降低56.42%)。SEM显示改性后材料表面平整致密，EDS证实Al、Mn、Fe元素含量增加，说明PAAS的-COO^-与金属离子配位形成多交联结构。

环境效应
60天浸出实验显示，EP-K对Mn、Al、Fe的平均浸出浓度较对照组降低38.2%。通过AHP法确定污染物权重(Mn 0.577>Al 0.236>Fe 0.110)，计算得EP-K综合污染指数(P_c)为0.744，显著优于未改性材料(1.112)。

结论与展望
该研究证实KH560通过双重作用机制提升材料性能：硅氧基水解形成Si-O-Si网络增强无机相连接，环氧基开环聚合形成C-O-C结构强化有机相缠结。这种"化学键合-物理缠结"协同作用使材料兼具机械强度和环境安全性，在固体废物填埋场修复、矿山地下水管理等领域具有应用前景。研究提出的AHP-综合污染指数联用评价方法，为环境材料性能评估提供了新思路。未来研究可进一步考察材料在实际工程深部注浆层的性能表现，并扩展对Ni、Cd等重金属的固化效果评价。