将废弃水泥浆粉升级再造为复合无水泥重金属稳定化胶凝材料

《Environmental Research》：Upcycling waste cement paste powder into a composite cement-free heavy metal stabilization binder

　　

针对日益增加的有毒重金属（HM）处置缺乏经济且实用解决方案已成为全球关注的问题。在本研究中，研究人员利用源自工业废料的再生水泥浆粉（RCP）开发了一种复合无水泥胶凝材料（CFB），该材料由RCP、碳化RCP（CRCP）和热活化RCP（TRCP）组成，用于Zn²⁺和Pb²⁺的稳定化。研究人员利用X射线粉末衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）等测试设备进行了一系列实验和分析。还测试了硬化试样的抗压强度和毒性特性浸出程序（TCLP）。结果表明：i) RCP、CRCP、TRCP和CFB-50%（CRCP:TRCP=1:1）的稳定化能力较以往数据显著提高，对Zn²⁺和Pb²⁺的最大稳定化容量分别达到1661.48 mg/g和2840.10 mg/g；ii) 碳化和热活化均增强了Zn²⁺和Pb²⁺的稳定化效果；iii) Zn²⁺和Pb²⁺的稳定化机制主要包括沉淀、离子交换和表面包裹；iv) 该复合胶凝材料在再水化后可达到所需强度（>2.1 MPa），具有优异的CO₂封存能力和显著的HM稳定化容量及浸出稳定性，可用作长期工程回填材料。

论文解读文章

**研究背景与问题**
随着工业化进程加速，有毒重金属（HM）的排放量持续增加，处置这些废弃物缺乏经济且实用的解决方案已成为全球性环境问题。传统的物理分离、焚烧和热脱附等方法存在成本高或二次污染风险，而稳定化技术因其可行性、高效性和环境友好性被广泛采用。在建筑领域，普通硅酸盐水泥（OPC）等胶凝材料常被用作重金属固化稳定剂，其水化产物如水化硅酸钙（C-S-H）和钙矾石（AFt）可通过沉淀、离子交换和包裹等机制固定重金属。然而，水泥生产依赖天然资源并排放大量CO₂，亟需开发可持续替代材料。再生水泥浆粉（RCP）是建筑拆除和水泥生产过程中产生的废弃物，目前多作为填料或辅助胶凝材料（SCMs）使用，利用率低且性能受限。研究已表明，RCP因其富含C-S-H、Ca(OH)₂和AFt等水化产物，对重金属具有一定的稳定化潜力，但稳定化容量因重金属类型而异，且单一改性方法（如碳化或热活化）的研究对复合系统的性能尚未充分探索。为此，研究人员开展了本研究，旨在利用碳化RCP（CRCP）和热活化RCP（TRCP）构建复合无水泥胶凝材料（CFB），系统评估其对Zn²⁺和Pb²⁺的稳定化行为及机制，并检验其作为工程回填材料的可行性。该论文发表在《Environmental Research》。

**主要关键技术方法**
本研究采用实验室制备的模拟废弃水泥浆（水灰比0.4，使用I型OPC）作为RCP来源，经粉碎研磨后过0.15 mm筛。通过碳化处理（CO₂环境）和热活化（105°C）分别制备CRCP和TRCP，并按50%质量比混合CRCP与TRCP得到复合胶凝材料CFB-50%。利用X射线粉末衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜-能谱分析（SEM-EDS）对材料化学性质进行表征。通过批次稳定化实验（ICP-OES测定浓度）评估对Zn²⁺和Pb²⁺的稳定化容量，并测试硬化试件的抗压强度及毒性特性浸出程序（TCLP）以评价环境安全性。

**研究结果**
**Stabilization of Zn²⁺ and Pb²⁺**
通过ICP-OES测试，研究人员绘制了重金属稳定化曲线（Fig. 2）。结果显示，所有材料在7天内对Zn²⁺和Pb²⁺均表现出优异的稳定化性能：RCP、CRCP、TRCP和CFB-50%对Pb²⁺的平衡稳定化容量分别达到2316.98、2422.85、2840.10和2538.82 mg/g，对Zn²⁺则分别为1374.03、1464.90、1626.72和1661.48 mg/g。其中，CFB-50%对Zn²⁺的稳定化容量最高（1661.48 mg/g），TRCP对Pb²⁺的稳定化容量最高（2840.10 mg/g）。碳化和热活化均显著增强了稳定化能力，且复合材料表现出协同效应。

**机制分析**
结合XRD、FTIR、XPS和SEM-EDS表征结果，研究人员揭示了Zn²⁺和Pb²⁺的稳定化机制主要包括：沉淀作用（形成氢氧化物或碳酸盐）、离子交换（与C-S-H层间Ca²⁺交换）以及表面包裹（水化产物将重金属包裹在基体中）。碳化过程增加了RCP的比表面积并使其表面带负电，增强了吸附位点；热活化则促进水分蒸发，暴露出更多微孔结构，提高了反应活性。

**力学与浸出性能**
硬化试件的抗压强度测试表明，复合材料再水化后强度可达2.1 MPa以上，满足工程回填要求。TCLP测试结果显示，经稳定化的重金属浸出浓度低于规定限值，表现出优异的浸出稳定性。此外，碳化处理还赋予了材料良好的CO₂封存能力。

**讨论与结论**
讨论部分总结了复合胶凝材料（CFB）在重金属稳定化中的优势：相较于单一RCP、CRCP或TRCP，CFB-50%在Zn²⁺稳定化上表现最佳，说明碳化与热活化的协同作用优化了材料微观结构，增加了活性位点。研究结论如下：
• 168小时（7天）稳定化实验中，RCP、CRCP、TRCP和CFB-50%对Zn²⁺和Pb²⁺均达到高容量，其中CFB-50%对Zn²⁺（1661.48 mg/g）和TRCP对Pb²⁺（2840.10 mg/g）效果最优；
• 碳化和热活化均增强了重金属稳定化能力；
• Zn²⁺和Pb²⁺的稳定化机制主要包括沉淀、离子交换和表面包裹；
• 由RCP衍生的复合无水泥胶凝材料（CFB）在再水化后强度>2.1 MPa，具备优良的CO₂封存能力和显著的重金属稳定化容量及浸出稳定性，可作为长期工程回填材料。