调控沉降土壤修复过程中的水盐运输：煅烧-酸浸活化煤矸石的机制

《Environmental Research》：Regulating Water-Salt Transport in Subsided Soil Reclamation: The Mechanism of Calcination-Acid Leaching Activated Coal Gangue

煤矸石“煅烧-酸浸”活化工艺通过调控矿物相和孔隙结构，显著提升有效硅释放及土壤脱盐效能。700℃煅烧使高岭石完全脱水转化为莫来石，5%酸浸促使硅质组分快速反应生成103mg/kg可利用硅，较1%酸浸孔隙表面积提高28.81%。双分层修复结构较单层结构降低表面盐分38.6%，有效抑制硫酸根、钙离子等盐分向地表迁移。研究揭示了煤矸石活化-土壤修复协同机制，为矸石资源化利用提供理论支撑。

　　

王贵远|李俊蒙|李晨阳|黄艳丽|郭亚超|吴来伟|芮普成

中国矿业大学矿业学院，徐州221116，中国

摘要

煤矸石的排放和堆积造成了严重的环境问题。通过活化煤矸石来修复沉降的土壤有助于其处理和资源利用。为此，我们采用了一种“煅烧-酸浸”活化方法。使用XRD、FTIR、BET和SEM-EDS分析了不同煅烧温度和酸浓度下煅烧-酸浸煤矸石（CA-CG）的矿物变化、孔结构和可利用硅含量。此外，通过土壤柱实验测量了水分和盐分的传输情况，以及不同粉煤灰与煤矸石的比例、隔离层厚度和修复结构。值得注意的是，在700°C时，高岭石完全脱羟基成为坡缕石，提高了硅铝的反应性。在5%的酸浓度下，非晶硅与氢离子迅速反应，产生了103毫克/千克的可利用硅。在该酸浓度下，CA-CG的表面积比1%酸浓度时高28.81%。随着粉煤灰与煤的比例增加，水分保持系数R先增加后下降。双层结构改善了底部的脱盐效果，并在蒸发过程中减少了表面盐分。与单层结构相比，双层结构更能抵抗离子向上迁移。最终，离子迁移的控制顺序为：SO₄^2-、Ca²⁺、Na⁺、Cl^-。

引言

中国每年产生超过8.25亿吨煤矸石，其中已有超过70亿吨堆积（Guo等人，2025a；Tao等人，2024）。处置率仍然很低，导致废物和环境问题（Guo等人，2025b；Li和Wang，2019）。修复煤矿沉降土地是原位处理煤矸石的主要方法；然而，这受到较差的孔结构和低肥力的限制（Fang等人，2020；Jing等人，2024）。此外，中国西部的干旱矿区蒸发量大且降雨量少。常见的“表土覆盖埋藏煤矸石”的方法促进了水分和盐分的向上移动，导致土壤盐碱化并阻碍了生态恢复（Xiao等人，2020）。为了解决这些问题，我们必须通过活化煤矸石孔隙并改善修复结构来更有效地调节水分和盐分。

最近的进展包括新的煤矸石活化方法和修复结构设计。研究人员使用煅烧、酸浸、碱浸和微波活化等方法来活化煤矸石（Zhang和Ling，2020；Zhu等人，2021）。煅烧后的二次处理可以打破惰性结构，增加表面积并提高反应性。例如，（Zhao等人，2022）使用煅烧和碱浸后的煤矸石制备了煤矸石聚合物。他们的研究表明，高含量的非晶SiO₂可以提高反应性。同样，（E等人，2024）确定650°C是煅烧煤矸石以产生最多酸活化溶解铝的最佳温度。此外，（Li等人，2013）通过结合机械活化与煅烧提高了早期硅酸盐水泥的强度。以往关于分层修复的研究主要集中在宏观特征上，如土壤覆盖层厚度和层状设置（Hu等人，2022；G. Li等人，2025；Liu等人，2024；Wang等人，2020）使用淤泥中间层以实现最佳的水分保持。（Yu等人，2025）发现添加煤矸石可以增加土壤有机质。（Wu等人，2025）确定50厘米厚的煤矸石-表土混合物（1:1比例）最适合用于重建。

总之，目前关于煤矸石活化的研究主要关注其胶结性能或作为建筑材料的用途。然而，仍存在一些空白：很少有系统研究考察孔隙特性和有效的硅释放，而这些对于土壤改良至关重要；同时，关于利用活化煤矸石调节土壤中水分和盐分的研究也较为有限。为了解决这些问题，本研究采用了“煅烧-酸浸”活化方法，旨在改善煤矸石的孔结构和有效硅含量。随后，我们通过渗透和蒸发土壤柱实验研究了不同粉煤灰比例、隔离层厚度和结构对水分和盐分传输的影响。通过这些努力，我们期望提高煤矸石的利用价值和生态效益。

材料

煤矸石和沉降土壤采集自新疆库拜矿区的玉树泉煤矿。粉煤灰来自当地发电站。采集和制图遵循了《农田土壤环境质量监测技术规范》（NY/T 395-2012）。采样后，土壤被筛分至2毫米。我们从制备厂收集了100公斤的粉煤灰和煤矸石。然后对煤矸石进行破碎、筛分，并通过2毫米的筛子。表1列出了相关数据

煅烧-酸浸活化过程中矿物相的变化（SRD-FTIR）

煤矸石富含高岭石，这是一种1:1层状硅酸盐矿物。其结构由硅氧四面体片层和氧化铝八面体片层通过氢键连接而成。在热活化过程中，这种结构会发生显著的解离和重组，形成高反应性的非晶铝硅酸盐材料（Zheng等人，2021；Zhou等人，2012）。XRD分析（图2(a)）显示，煤矸石中的主要矿物相是高岭石（显著

结论

本研究采用“煅烧-酸浸”联合方法活化煤矸石，系统地研究了活化材料的结构变化及其作为土壤隔离层在调节水分和盐分传输方面的效果。主要结论如下：

(1)

“煅烧-酸浸”活化过程显著增强了煤矸石中矿物的相变，并促进了可利用硅的释放。

作者贡献声明

李晨阳：可视化、方法论、数据管理。李俊蒙：撰写——审稿与编辑、验证、资金获取、正式分析。王贵远：撰写——初稿、可视化、数据管理。芮普成：研究、数据管理。吴来伟：可视化、正式分析、数据管理。郭亚超：可视化、方法论、数据管理。黄艳丽：监督、项目管理、方法论

未引用的参考文献

E等人，2024；Li等人，2025；Wang等人，2025；Wang等人，2025。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：52534002、52374245、52574175和52504106）的支持。