关于CGF固化/稳定离子型稀土尾矿的强度及有毒浸出特性的研究

《Science of The Total Environment》：Study on the strength and toxic leaching characteristics of CGF-solidified/stabilized ion-type rare earth tailings

离子吸附型稀土尾矿固结稳定化技术研究中，以矿渣、钢渣和粉煤灰组成的CGF稳定剂（质量比4.5:4.5:1）处理尾矿，发现7天龄期抗压强度达350kPa以上，28天后Pb和Zn溶出浓度分别低于5mg/L和100mg/L，重金属以稳定残留态存在风险低于10%。机理研究显示，固结过程中形成C-A-S-H凝胶结构，通过沉淀反应、物理化学吸附和包裹作用实现重金属固定，SEM-EDS和XRD分析证实稳定效果。

　　本研究聚焦于离子吸附型稀土尾矿的资源化利用问题，探讨了一种由钙 carbide 粉渣、粒化高炉矿渣和粉煤灰组成的全固废粉渣稳定剂（CGF）在处理离子吸附型稀土尾矿中的应用效果。通过将 CGF 与尾矿混合，采用固化/稳定化技术对尾矿进行处理，以实现其资源化利用并降低环境风险。离子吸附型稀土矿作为一种重要的战略资源，其开采和加工过程中会产生大量尾矿，这些尾矿不仅占用大量土地，还可能对生态环境造成潜在威胁。因此，如何高效、安全地处理这些尾矿，成为当前环境工程和资源回收领域的重要课题。

在离子吸附型稀土矿的开采过程中，尾矿通常含有多种重金属元素，如铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）、砷（As）和铊（Tl）等。这些重金属元素在尾矿中以不同的化学形态存在，其中一些形态具有较高的迁移性和生物可利用性，容易通过雨水侵蚀和扩散进入土壤和水体，进而对生态系统和人类健康造成危害。为了有效解决这一问题，研究人员提出了多种尾矿处理方法，包括综合回收有用成分、生态修复和制备功能性材料等。然而，这些方法在实际应用中均存在一定的局限性。例如，生态修复虽然有助于恢复矿区环境，但成本高昂、周期长，且难以实现深度修复；而回收有用成分和制备功能性材料则对尾矿中金属元素的含量有较高要求，经济价值依赖性强，难以大规模推广。

在此背景下，固化/稳定化（Solidification/Stabilization, S/S）技术因其能够有效降低重金属的迁移性和生物可利用性，成为处理重金属尾矿的一种重要手段。S/S 技术的基本原理是通过向尾矿中添加稳定剂，将尾矿颗粒紧密结合，形成稳定的、不可渗透的固体块体，同时通过化学反应将尾矿中最具迁移性的重金属元素转化为低迁移性、低毒性的形态。目前，常用的 S/S 稳定剂包括水泥和石灰，但这些材料在处理高重金属含量的尾矿时存在诸多问题，如消耗量大、固化体强度低、耐久性差以及在酸性环境中容易被腐蚀等，这可能导致重金属的重新释放和迁移，增加环境污染的风险。

近年来，碱激发粉渣类固化剂因其优异的重金属固定能力、高强度、良好的耐久性和较低的能耗，逐渐成为水泥类固化剂的替代材料。这类固化剂主要由粒化高炉矿渣（GGBS）和粉煤灰（FA）等工业固废组成，其制备过程通常需要加入碱性活化剂，如氢氧化钠（NaOH）、硅酸钠（Na?SiO?）和碳酸钠（Na?CO?）等，以促进粉渣的反应并形成水合凝胶（如 C-A-H、C-S-H 等）。然而，传统的碱激发粉渣固化剂仍然依赖于外部添加的碱性活化剂，这不仅增加了成本，还可能带来额外的环境负担。因此，研究人员开始探索完全由固废组成的固化剂，即全固废粉渣固化剂（Fully Solid Waste Slag Binder, FSWB），这种固化剂无需额外添加化学活化剂，能够直接利用自身部分固废的水化反应产生的碱性条件，激发其他固废的反应活性，从而实现固化效果的提升。

本研究中使用的 CGF 固化剂，正是基于这一思路设计的全固废粉渣固化剂，其组成比例为钙 carbide 粉渣、粒化高炉矿渣和粉煤灰的质量比为 4.5:4.5:1。该固化剂在固化过程中能够显著提高尾矿的抗压强度，并通过多种机制降低重金属的迁移性。研究表明，在 7 天的固化周期后，CGF 固化剂处理的尾矿抗压强度已超过 350 kPa，达到了美国环境保护署（US EPA）对固化土壤强度的标准。随着 CGF 剂量的增加和固化时间的延长，尾矿的强度进一步提升。此外，重金属 Pb 和 Zn 的浸出浓度随着固化时间的增加而显著下降，经过 28 天的固化后，Pb 的浸出浓度低于 5 mg/L，Zn 的浸出浓度低于 100 mg/L，表明 CGF 在重金属稳定化方面具有良好的效果。

从微观结构角度来看，CGF 固化剂能够促进尾矿中形成大量的非晶态水合凝胶（如 C-(A)-S-H），这些凝胶不仅能够增强尾矿的力学性能，还能够通过多种途径将 Pb2? 和 Zn2? 等重金属元素转化为低迁移性、低毒性的稳定形态。例如，通过沉淀反应、物理化学吸附和包裹效应等方式，CGF 有效降低了重金属在环境中的迁移能力。这种机制使得尾矿在固化后不仅具有较高的强度，还能有效防止重金属的扩散，从而实现尾矿的安全处置和资源化利用。

本研究的实验对象是来自福建省某离子吸附型稀土矿区的尾矿，研究人员对尾矿的类型、重金属浓度和 pH 值进行了初步调查。结果显示，该尾矿中具有污染风险的重金属主要是 Pb 和 Zn，其初始浓度较高，对环境可能造成显著影响。因此，通过 CGF 固化剂的处理，可以有效降低这些重金属的活性，使其在尾矿中以稳定形式存在，从而减少对环境的潜在威胁。此外，研究人员还通过一系列实验手段，如无侧限抗压强度测试、毒性特征浸出程序（TCLP）和重金属化学形态的顺序提取程序（BCR SEP），对 CGF 固化剂的固化效果进行了全面评估。同时，采用 pH 测试、扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）和 X 射线衍射（XRD）等方法，深入探讨了 CGF 固化剂在尾矿固化过程中的作用机制。

在实际应用中，CGF 固化剂不仅能够提高尾矿的工程性能，还能够满足环保要求，使其成为一种理想的资源化利用材料。通过将尾矿转化为具有较高强度和较低重金属迁移性的材料，CGF 固化剂为稀土矿的可持续发展提供了新的思路。此外，该固化剂的使用还可以减少对环境的二次污染，提高尾矿处理的经济效益，具有广阔的应用前景。

从技术角度来看，CGF 固化剂的制备和应用涉及多个关键环节。首先，需要对尾矿的物理化学性质进行充分了解，包括其粒径分布、孔隙率、重金属含量和 pH 值等，以确定合适的固化剂配方和处理工艺。其次，在固化过程中，需要合理控制固化剂的添加比例和固化时间，以确保固化效果的最大化。同时，固化剂的反应条件，如温度、湿度和反应时间等，也对固化效果产生重要影响。因此，优化固化剂的配比和反应条件是提高尾矿固化效果的关键。

此外，CGF 固化剂的环境友好性也是其重要优势之一。由于其主要成分均为工业固废，因此在制备过程中不会产生新的污染源，符合绿色发展的理念。同时，CGF 固化剂的使用可以有效减少对传统化学稳定剂的依赖，降低处理成本，并提高尾矿的再利用价值。这不仅有助于解决尾矿处理的难题，还能为工业固废的资源化利用提供新的思路和方法。

从经济角度来看，CGF 固化剂的使用具有较高的成本效益。相比传统的水泥或石灰固化剂，CGF 固化剂的原料成本更低，且其制备过程相对简单，不需要复杂的设备和工艺。这使得 CGF 固化剂在大规模应用时具有显著的经济优势。同时，由于其固化后的材料可以用于回填或建筑工程，因此不仅能够实现尾矿的资源化利用，还能创造一定的经济效益。

在实际工程应用中，CGF 固化剂的处理效果需要经过严格的测试和评估。研究人员通过无侧限抗压强度测试（UCS）评估了固化后的尾矿强度，结果显示其强度随固化时间的延长和固化剂用量的增加而显著提高。此外，通过毒性特征浸出程序（TCLP）测试，研究人员发现 Pb 和 Zn 的浸出浓度在 28 天的固化周期后已显著降低，达到了环保标准。这些实验结果表明，CGF 固化剂在处理离子吸附型稀土尾矿方面具有良好的应用前景。

从生态修复的角度来看，CGF 固化剂的使用不仅能够有效降低重金属的迁移性，还能改善尾矿的物理结构，提高其稳定性。通过固化处理，尾矿的孔隙率降低，颗粒之间的结合力增强，从而减少了雨水对尾矿的侵蚀和扩散。这为尾矿的生态修复提供了坚实的物质基础，同时也为矿区的可持续发展创造了有利条件。

综上所述，CGF 固化剂作为一种新型的全固废粉渣固化剂，在处理离子吸附型稀土尾矿方面展现出良好的应用前景。其不仅能够有效提高尾矿的抗压强度，还能显著降低重金属的迁移性，满足环保要求。此外，CGF 固化剂的使用具有较高的成本效益，符合绿色发展的理念，为稀土矿的可持续发展提供了新的技术路径。未来，随着对 CGF 固化剂研究的深入，其在尾矿处理中的应用范围有望进一步扩大，为解决重金属尾矿污染问题提供更加高效和环保的解决方案。