水玻璃及工业副产物对污泥基填埋场密封材料碳化行为的影响机制研究

针对填埋场密封材料在CO2渗透下的耐久性问题，荷兰埃因霍温理工大学团队研究了以消化污泥(DSS)为基体、水玻璃及工业副产物(WIFA/BBA/AAW)为添加剂的密封材料碳化行为。通过加速碳化实验发现，水玻璃(2.0 wt%)可形成硅胶降低渗透率(<6.34×10-10 m/s)，但碳化导致孔隙率增加及Cl/Sb浸出风险。该研究为可持续填埋覆盖系统设计提供了关键数据支撑。

　　

在全球每年产生数百万吨城市固体废弃物的背景下，填埋场仍是废物管理的关键环节。当填埋场达到设计容量时，覆盖系统的密封层成为阻止雨水渗透和甲烷(CH₄)、二氧化碳(CO₂)等温室气体逸散的重要屏障。传统黏土密封层虽性能稳定，但消耗天然资源且不符合循环经济理念。近年来，利用消化污泥(DSS)等工业副产物制备密封材料成为研究热点——荷兰每年产生130万吨污泥，处理成本高达2.5亿欧元，其资源化利用兼具经济和环境价值。

然而，填埋气中50%体积比的CO₂会与含钙工业副产物发生碳化反应，导致钙硅水合物(C-S-H)和钙矾石(ettringite)分解为方解石(calcite)，引发相体积变化和孔隙率升高。更棘手的是，废弃填埋场往往缺乏气体收集系统，使得密封材料长期暴露于高浓度CO₂环境。尽管前人研究了污泥基材料的初始渗透性和矿物组成，但CO₂对其长期性能的影响仍是空白，这严重制约了此类环保材料的工程应用。

针对这一挑战，荷兰埃因霍温理工大学联合Materials Innovation Institute (M2i)的研究团队开展了一项创新研究。他们以DSS为基体材料，引入三种特性迥异的工业副产物——含钙量30%的垃圾焚烧飞灰(WIFA)、生物质底灰(BBA)，以及几乎不含氧化钙的铝阳极氧化废料(AAW)，并系统考察了水玻璃(1.5-2.0 wt%)对材料碳化行为的调控作用。通过加速碳化实验模拟CO₂扩散过程，结合X射线衍射(XRD)、热重分析(TG)、傅里叶红外光谱(FT-IR)等技术，揭示了材料性能演变机制。

关键技术方法
研究采用荷兰Deventer污水处理厂的DSS作为基材，WIFA、BBA来自当地焚烧厂，AAW取自铝加工行业。通过调整水玻璃(硅酸钠溶液)掺量(1.5/2.0 wt%)制备不同配比的压实试样，进行75天渗透率(k值)监测。采用20% CO₂浓度的加速碳化装置模拟填埋环境，通过氮吸附测定孔隙结构，并依据荷兰NEN 7375标准进行重金属浸出测试。

研究结果

不同添加剂与水玻璃掺量对渗透率的影响
未碳化试样的渗透率在20天后趋于稳定。含AAW的样品因颗粒更细密，k值最低(3.2×10^-11 m/s)，而WIFA/BBA样品因钙含量高导致初始渗透率较高。2.0 wt%水玻璃通过形成硅胶网络，使所有样品k值均低于荷兰标准限值(6.34×10^-10 m/s)。

密封材料的碳化机制
碳化过程产生碳酸盐和单水方解石(monohydrocalcite)，引发相变膨胀。AAW中的勃姆石(boehmite)在水玻璃高碱环境下溶解，加剧孔隙发展。尽管碳化使孔隙率增加15-20%，但因相变程度适中，k值仍维持在标准范围内。值得注意的是，水玻璃的钠离子会抑制碳酸盐形成，但过量可能引发碱硅反应。

环境风险变化
碳化导致颗粒破碎，使WIFA样品中Cl和Sb的浸出量分别增加40%和25%。AAW因矿物稳定性好，重金属浸出风险最低。研究表明，选择低浸出性添加剂对保障环境安全至关重要。

结论与意义
该研究首次系统阐明了污泥基密封材料在CO₂环境下的性能退化机制：碳化通过化学溶解-重结晶和物理孔隙扩展双重途径影响材料耐久性。虽然所有配方均满足渗透率要求，但WIFA等含钙副产物会因碳化加剧有毒元素释放。2.0 wt%水玻璃的掺入可有效缓解性能退化，其形成的硅胶网络既能阻碍CO₂扩散，又能吸附部分气体。

这项发表于《Process Safety and Environmental Protection》的成果，为填埋场覆盖系统的材料选择提供了科学依据：在追求废物资源化的同时，需优先选用AAW等低钙、低浸出性添加剂，并通过优化水玻璃掺量平衡密封性能与环境风险。该研究不仅推动了污泥高值化利用，也为实现"双碳"目标下的可持续废物管理提供了技术支撑。