化学活化硫化废石胶结技术抑制矿区酸性金属排水污染的环境地质聚合物研究

为解决矿区硫化废石(WR)产生的酸性金属排水(AMD)污染问题，研究人员通过碱活化WR与F级粉煤灰(FA)在常温下合成环境地质聚合物(EG)。该技术将含60% WR的混合物固化为抗压强度达29 MPa的胶结结构，通过N-A-S-H凝胶相封装硫化矿物并固定有毒金属(oid)s。NEXAFS分析证实Si/Al以四面体配位形成三维网络结构，为矿区污染治理提供了创新解决方案。

　　

矿业活动产生的数十亿吨硫化废石和尾矿，因其富含黄铁矿、磁黄铁矿等硫化物矿物，在氧化作用下会形成强酸性且富含重金属的酸性矿山排水（AMD）。这种污染不仅威胁地表水和地下水生态系统，还会通过食物链危害人类健康，每年全球治理费用高达数十亿美元。传统覆盖系统依赖合成土工膜或压实黏土层，每公顷成本超过100万美元，且存在长期失效风险。自然界中，冲积地貌通过铝硅铁凝胶胶结形成稳定沉积岩层的现象，为人工构建类似屏障提供了灵感。

澳大利亚研究人员在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表的研究中，创新性地将硫化废石与F级粉煤灰(Class F fly ash)通过碱活化技术，在常温下转化为具有胶结结构的"环境地质聚合物"(Environmental Geopolymer)。研究采用X射线衍射(XRD)、近边X射线吸收精细结构(NEXAFS)、扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)等技术，系统评估了粉煤灰/废石比例(FA/WR)和养护时间对材料性能的影响。

3.1 前驱体特性与碱溶解动力学
废石(WR)和粉煤灰(FA)的粒径分布和矿物学特征显示，FA中80%为非晶相，更易被碱激活。动力学实验表明，10 N NaOH条件下FA优先释放Si（初始Si/Al=1.4），而WR优先释放Al（初始Si/Al=0.4），但48小时后均趋近1.1。通过XRF和定量XRD(q-XRD)计算的反应性Si/Al比与实际溶解行为高度吻合。

3.2 机械强度发展
含60% WR的混合物在4周养护后抗压强度达22 MPa，24周后提升至29 MPa，远超英国 landfill waste acceptance criteria 1 MPa的标准。强度随WR含量增加而降低，主要归因于未反应颗粒作为惰性填料降低了凝胶密度。

3.3 胶结结构与矿物转化
XRD显示20°-40° 2θ处的宽峰证实N-A-S-H凝胶形成，其峰位从FA的24.06°迁移至28.95°。SEM-EDS显示Si、Al、Na在粘结相中共定位，TEM证实纳米级非晶凝胶包裹硫化矿物。FTIR检测到975-985 cm^-1处Si-O-T(T=Si/Al)键振动峰，XPS显示Al 2p结合能位移证实四配位Al(^[4]Al)主导凝胶网络。

3.4 原子配位环境
Al K-edge NEXAFS在1566.5 eV处的特征峰证实^[4]Al占比随WR添加增加51%-92%，表明六配位Al(^[6]Al)在碱活化中转化为四配位。Si K-edge峰位从1848.6 eV降至1848.4 eV，证实Al对Si的类质同象替代。

3.5 污染物固定化
毒性特征浸出程序(TCLP)显示地质聚合物使As、Cd等重金属浸出量降低85%-95%。As浓度从1.32 mg/L降至0.07-0.29 mg/L，远低于EPA 5 mg/L限值。主要通过凝胶包裹、Fe(氧氢)氧化物吸附及表面络合三重机制实现稳定化。

该研究证实环境地质聚合物技术能同步实现硫化废石的机械稳定与化学钝化，为矿区修复提供了符合循环经济原则的解决方案。通过优化WR/FA比例可调控材料性能，其高达36 MPa的抗压强度显示出工程应用的巨大潜力。未来需开展野外试验验证该技术在真实环境中的长期稳定性，特别是在干湿冻融循环等极端气候条件下的耐久性。这项技术不仅可降低AMD治理成本，还为粉煤灰等工业副产物的高值化利用开辟了新途径。