多尺度解析聚丙烯酸钠改性电解锰渣复合材料的抗渗增强机制：从宏观性能到分子相互作用

为解决电解锰渣(EMS)堆场渗漏污染问题，研究人员通过聚丙烯酸钠(PAAS)改性EMS复合材料，采用宏观性能测试与分子动力学(MD)模拟相结合的多尺度研究方法，揭示了PAAS通过离子交换(Na+/Mn2+)和螯合(-COO--Mn2+)形成交联网络结构的增强机制，使渗透系数降至1.318×10-8cm/s，为EMS环境风险控制提供了新思路。

　　

电解锰工业每年产生大量电解锰渣(EMS)，这些富含Mn²⁺、NH₃-N和SO₄^2-的酸性废渣通过堆场渗漏严重污染土壤和地下水。监测显示，典型EMS堆场周边地下水中锰离子浓度高达15-20mg/L，远超国家标准(0.1mg/L)。传统水泥基灌浆材料存在易开裂、抗渗性差等问题，而有机灌浆材料又面临成本高、工艺复杂等挑战。如何开发兼具优异机械性能和抗渗性的EMS固化材料，成为环境修复领域的迫切需求。

针对这一难题，来自中国的研究团队创新性地采用聚丙烯酸钠(PAAS)改性EMS复合材料，通过多尺度研究方法系统揭示了材料性能增强机制。研究论文发表在《Journal of Environmental Chemical Engineering》上，为EMS环境风险控制提供了理论依据和技术支持。

研究人员综合运用宏观性能测试(抗压强度、渗透系数、耐腐蚀性和污染物浸出)、分子动力学(MD)模拟以及先进表征技术(傅里叶变换红外光谱FTIR、X射线光电子能谱XPS和能谱仪EDS mapping)。研究样本来自贵州松桃县的EMS堆场，通过调节PAAS/EMS质量比(0-0.3)制备系列复合材料。

【材料】部分详述了实验所用EMS的化学成分及PAAS等试剂的来源与纯度。【实验方法】介绍了抗压强度测试、渗透系数测定等标准方法，以及采用ReaxFF力场的MD模拟参数设置。

【Experimental Investigations on the Impermeability Performance of Composites】部分显示：当PAAS/EMS质量比为0.2时，复合材料抗压强度提升12.3倍达2.78MPa，渗透系数降至1.318×10^-8cm/s，浸出液污染物浓度符合水质标准。微观结构分析表明PAAS形成三维网络结构，有效封堵EMS基体中的CaSO₄·2H₂O硬质相。

分子层面的研究发现：MD模拟揭示PAAS链发生Na⁺/Mn²⁺离子交换和-COO^--Mn²⁺螯合作用，形成多重交联的聚合物网络。FTIR和XPS证实了这些分子相互作用，在1580cm^-1处出现-COO^-特征峰，且Mn2p轨道结合能发生明显位移。

【Conclusions】部分总结指出：PAAS通过聚合、离子交换和螯合的协同作用显著提升EMS复合材料性能。宏观上形成交联网络填充结构缺陷，微观层面通过分子相互作用致密化微观结构，这种多尺度效应共同阻碍了污染物迁移。

该研究首次建立了EMS复合材料宏观性能与分子机制的关联，不仅为EMS环境风险控制提供了新材料，其多尺度研究方法论对其它环境功能材料的开发也具有重要借鉴意义。研究获得国家重点研发计划(2022YEC3705000)和贵州省科技计划项目资助，相关成果有望推动电解锰行业的绿色可持续发展。