聚合硫酸铁联合优化絮凝-预压-电渗技术强化膨润土浆脱水效能与机理研究

针对膨润土浆高含水率、脱水困难的问题，本研究创新性地将聚合硫酸铁（PFS）与絮凝-预压-电渗（FPE）技术联用。结果表明，2% PFS可使絮凝沉降提升164.3%，并通过促进弱结合水转化为自由水、提升有效应力显著优化脱水效率。该方案有效降低电渗能耗，为工程废弃浆体资源化处置提供了关键技术支撑。

　　

在盾构隧道和钻井工程中，每年产生的大量膨润土废弃浆体（含水率高达300-500%）已成为严峻的环境挑战。这类浆体因蒙脱石含量高、渗透性差，传统压滤脱水效率低下，直接填埋不仅占用土地资源，还存在渗漏污染风险。如何实现高效脱水并将其转化为可回用的工程填料，是当前岩土与环境工程领域亟待突破的难题。

近期发表于《Soils and Foundations》的研究提出了一种创新解决方案：通过聚合硫酸铁（PFS）与优化絮凝-预压-电渗（FPE）工艺联用，显著提升膨润土浆脱水效率。研究团队通过系统实验发现，PFS的加入不仅改变了浆体微观结构，还通过双电层压缩和电荷中和作用促进结合水释放，为后续电渗脱水创造有利条件。

本研究主要采用以下关键技术方法：首先通过X射线衍射（XRD）和X射线荧光（XRF）分析膨润土矿物组成；利用自研脱水实验系统监测沉降、排水量、电流与温度变化；采用扫描电镜（SEM）观察微观结构演变；并通过剪切强度测试、pH值测定及元素分布分析揭示PFS与电渗的协同机制。

3.1 结合水与自由膨胀率

PFS的添加使弱结合水含量从98.8%（无PFS）降至75.7%（2% PFS），同时自由膨胀率由437%降至243%。微观结构显示，PFS通过桥接作用将颗粒状结构转变为堆叠结构，有效提升颗粒粒径和沉降速率。

3.2 沉降与排水量

2% PFS使絮凝沉降量提升164.3%，且预压阶段差异沉降显著减小。电渗阶段排水量随PFS用量增加而减少，因更多水分在前期被排出。优化方案（F4L2.5）在缩短絮凝至3.1小时、预压至18.33小时后仍保持高效脱水。

3.3 三阶段脱水比例

PFS提高了絮凝和预压阶段的脱水贡献率，降低电渗能耗。F4L2.5方案总沉降量与P_1.0相近，但时间成本大幅降低。

3.4 电流与温度

PFS提升浆体电导率，使电流峰值增加25.9%。电渗过程中负孔隙水压力导致试样开裂，电流出现“双峰”现象，而加载压力促使裂缝闭合，电流再次上升。温度变化与电流趋势一致，最高升温13.5°C。

3.5 pH值、元素分布与自由膨胀率

电渗后阳极区pH降至2–3，阴极区升至约10。Fe3?向阴极迁移并在中部富集，钠离子被置换排出。自由膨胀率在阳极区最低（50–125%），与孔隙溶液浓度升高导致的渗透压下降相关。

3.6 含水率与剪切强度

2% PFS使阳极区含水率降至47.5%，剪切强度提升88.9%。含水率与剪切强度呈负相关（y=59.241x??.?13），但Fe(OH)?沉淀对强度有额外增强作用。

3.7 PFS促进机制

PFS通过双电层压缩、Donnan渗透压调控和颗粒桥接作用，提升有效应力并优化孔隙结构。电渗后膨润土呈现片状颗粒互锁结构，显著降低孔隙率。

本研究明确了PFS在FPE工艺中的核心作用：通过物理化学协同机制提升脱水效率，并优化了阶段时长配比。该方案为膨润土浆体减量化与资源化提供了理论依据和技术路径，对推动绿色岩土工程施工具有重要意义。