在环境条件下，利用海藻酸钠改性的土聚合物增强重金属污染土壤的固化/稳定效果

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced Solidification/Stabilization of Heavy Metal-Contaminated Soil Using Sodium Alginate-Modified Geopolymer under Environmental Conditions

钠Alginate增强地质聚合物（SA-GP）通过优化配比及测试其固结重金属污染土壤的机械强度与浸出特性，证实3% SA-GP在60次冻融循环或21次干湿循环后效果与15%常规GP相当，且长期强度保持稳定（1.21-1.94MPa），显著降低铅、锌、铜、镉浸出浓度17.2-97.54%，微观分析揭示其协同固化与螯合机制。

　　近年来，随着矿产资源的开发，尾矿的产生量日益增加，这些尾矿对土壤造成的重金属污染已成为威胁人类健康和生态环境的重要问题。因此，当土壤中的重金属含量超过一定阈值时，迫切需要采取有效的修复措施。在众多修复技术中，固化/稳定化（S/S）技术因其成本效益高、操作简便、技术成熟而被广泛应用于实际工程中。S/S技术的核心在于固化剂的性能，目前常用的固化剂主要是水泥基材料，因为它们成本低、易获取、操作方便。然而，水泥基材料在使用过程中存在诸多问题，如能耗高、碳排放量大，以及加剧温室效应等。因此，探索具有环保性和高效率的替代材料成为S/S技术发展的关键方向。

鉴于传统固化剂在极端环境条件下的性能不足，研究人员开始尝试通过天然高分子材料对固化剂进行改性，以提高其在S/S过程中的稳定性。例如，壳聚糖（CS）作为一种天然高分子材料，已被用于增强固化剂的性能。研究表明，CS改性的固化剂在标准养护条件下表现出优异的重金属固定效果。然而，对于具有不同特性的替代高分子材料，其在实际应用中的潜力仍需进一步验证。例如，海藻酸钠（SA）作为一种天然多糖类高分子材料，因其丰富的羧基结构，在固定生物分子和金属离子方面具有显著优势。近年来，SA在提升固化剂的吸附能力和抗冻融性能方面展现出巨大潜力，这使其成为一种极具前景的替代材料。

本研究旨在填补当前关于SA增强固化剂在多种重金属污染土壤（如Pb、Zn、Cu、Cd）中，特别是在冻融循环和干湿循环条件下性能的系统性研究空白。为此，研究团队选择了红泥、脱硫石膏和粉煤灰作为主要的前驱体，并在固化剂的制备过程中引入SA，以合成一种新型有机复合固化剂（SA-GP）。通过单形-中心混合设计结合响应面法，研究团队确定了SA-GP的最佳配比。随后，SA-GP被用于对含有Pb、Zn、Cu和Cd的污染土壤进行固化/稳定化处理，而对照组则采用传统固化剂。此外，通过无侧限抗压强度（UCS）试验、毒性特征浸出程序（TCLP）以及BCR顺序提取方法，研究团队探讨了SA-GP的用量、养护时间和环境条件（如冻融循环和干湿循环）对重金属离子固化/稳定化效率的影响。同时，还通过扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）、X射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FT-IR）以及X射线光电子能谱（XPS）等手段，对固化剂的微观结构进行了深入研究。

本研究的结果表明，SA的引入显著提升了SA-GP的固化/稳定化性能。与传统固化剂相比，SA-GP在28天养护后，不仅表现出更高的无侧限抗压强度（提高幅度为28.0%-119.2%），还显著降低了重金属的浸出浓度（降低幅度为17.2%-97.54%）。特别是在经历了60次冻融循环或21次干湿循环后，SA-GP在3.0%用量下仍能保持较高的抗压强度和较低的重金属浸出浓度，其性能表现优于传统固化剂在15.0%用量下的效果。此外，研究团队还发现，SA的引入可以显著减少固化剂在极端环境条件下的使用量，使得SA-GP在实际应用中具有更高的经济性和环保性。

在实际应用中，SA-GP不仅能够有效固定重金属，还能通过其独特的结构特性提高土壤的稳定性。例如，研究团队在实验中发现，SA-GP在经历30次冻融循环后，其抗压强度仍保持相对稳定，最终强度可达1.21-1.94 MPa。这一结果表明，SA-GP在应对极端环境条件时具有较强的耐久性，为重金属污染土壤的修复提供了新的思路。同时，SA-GP的使用也降低了固化剂的使用成本，使其在实际工程中更具可行性。

此外，本研究还探讨了SA-GP在不同环境条件下的适用性。例如，在经历多次冻融循环或干湿循环后，SA-GP的固化/稳定化效果仍然保持良好，而传统固化剂则表现出一定的性能下降。这表明，SA-GP在极端环境条件下的应用潜力远大于传统固化剂。同时，SA-GP的使用还能够减少对环境的负面影响，例如降低碳排放量和能耗，从而推动绿色修复技术的发展。

在实际工程中，SA-GP的使用不仅能够提高土壤的稳定性，还能通过其丰富的羧基结构有效吸附和固定重金属离子。例如，研究团队发现，SA-GP在28天养护后，能够显著降低Pb、Zn、Cu和Cd的浸出浓度，其效果优于传统固化剂。此外，SA-GP在经历多次冻融循环或干湿循环后，其固化效果仍然保持稳定，表明其在实际应用中具有较强的适应性。这一结果为重金属污染土壤的修复提供了重要的理论支持和实践指导。

本研究还通过实验验证了SA-GP在多种重金属污染土壤中的适用性。例如，研究团队发现，SA-GP在含有Pb、Zn、Cu和Cd的污染土壤中均表现出良好的固化/稳定化效果。这表明，SA-GP不仅适用于单一重金属污染土壤，还能够有效处理多种重金属共存的情况。此外，SA-GP的使用还能够提高土壤的抗压强度，使其在实际应用中更具可行性。这一结果为重金属污染土壤的修复提供了新的思路，同时也为环保型固化剂的研发提供了重要的参考。

在实际应用中，SA-GP的使用还能够减少对环境的负面影响。例如，SA-GP的制备过程不需要使用传统水泥基材料，从而降低了能耗和碳排放量。此外，SA的引入还能够提高固化剂的吸附能力，使其在实际应用中更高效地固定重金属离子。这一结果表明，SA-GP不仅是一种高效的固化剂，还是一种环保的修复材料，具有广阔的应用前景。

综上所述，本研究通过引入SA，开发了一种新型的固化剂（SA-GP），并在多种重金属污染土壤中进行了系统的测试和分析。研究结果表明，SA-GP在提升固化/稳定化性能、降低重金属浸出浓度、提高土壤抗压强度以及适应极端环境条件方面均表现出显著优势。同时，SA-GP的使用还能够减少固化剂的使用量，使其在实际工程中更具经济性和环保性。因此，SA-GP作为一种新型的固化剂，具有广阔的应用前景，为重金属污染土壤的修复提供了新的解决方案。